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科普:主板供电相数结构分析

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最近在学习主板相数供电的分析,在翻看了大量的资料后感觉学到了不少。所以希望通过写作学习随笔的方式与大家一起分享。
在这篇随笔开始之前,我需要说的是
1.这不是一篇科普,是一篇学习随笔,可能还有错误,不太建议做成参考。
2.大部分的内容源自网络,经过后期整理,转化为自己的知识,各位如果对某个知识感兴趣可以造访原网址,为原作者提供一份流量。
3.不适合小白……适合DIY玩家……
4.为了区分一些更新,会把更新内容用加粗斜体标注。
1.主板相电的构成
一般来说,目前的主板大部分都有着多于1相的供电,早期的主板相电一般都没有那么多的套路,都是一项供电就是非常正规一套元件。有点类似以前显卡的管线结构。规划下来,主板的相电组成一般如下:
(1)PWM Controller(PWM控制器)
(2)MOS Driver(MOS驱动)
(3)MosFET(常说的Mos管,一般有上桥下桥区分)
(4)输出端(包括低压端电容,电感等)
2.主板的电能转换过程。
一般来说这些相电主要就是为CPU负责了,而CPU的电能基本来源于12V 8PIN接口,这个接口的输出电压为12V。所以这里就以12V的输入作为输入端。
如下是原理图(其中“>”代之电流流向)

输入结构如上图。12V的输入经过MosFET上桥进入电容与电感,在电感与电容填充电能并达到所需的电压后,上桥中断,下桥开启。此时电容电感释放能量,同时起到滤波稳定功能,下桥控制电路。通过PWM控制器频繁切换实现持续稳定的电流与电压供给。


IP属地:陕西1楼2018-11-13 15:31回复
    整个流程:
    1.MOS上桥开启,输入12V电压
    2.电感电容储电。
    3.MOS上桥关闭,MOS下桥开启
    4.电感电容放电,提供所需电压与电能
    重复如上循环。
    3.电压控制原理
    主板CPU的电压控制是通过PWM控制器实现控制的。12V电压在充入电感和电容时,电感随着能量的增加,电压逐渐提升,当达到所需的电压后,结束充能。随后释放能量达到控制电压的过程[1]。
    这里有点难以理解,我的理解也不一定正确。我觉得各位酌情二次思考吧。
    首先要理解PWM控制器本身是不参与电压相关的操作的,MOS管才是直接参与电压控制的元件。PWM只是提供控制MOS驱动控制MOS的驱动信号。这里需要理解PWM本身提供的是一段脉宽可调的方波信号。在电压的调节过程,控制着12V为电感电容充能的元件是MOS上桥,而上桥受到MOS Driver控制,而MOS Driver听从PWM控制器的指挥。充能的过程中,就需要一定的时间,这个时间由PWM的脉宽决定。
    但这里有一个小小的误区,脉宽应该不是代指着PWM的频率。有关PWM的频率稍后再说。这里要说的是,如果脉宽真的是PWM频率,那么岂不是意味着电压才是控制PWM频率的关键?这似乎不太合理。所以我认为脉宽应该不是代表PWM的频率。
    所以总结一下整个过程:
    1.PWM控制器获取所需要达到的电压(如从CPU VID中得知当前所需电压)
    2.PWM控制器提供控制信号(脉宽,频率等)
    3.MOS Driver接收到PWM信号,驱动上下桥开关时间,实现电压控制。
    重复以上步骤,实现动态电压。
    4.供电相数理解
    这个问题真的算是业界大难题了。到底谁是对的谁是错的。听觉得自己认为有道理的吧。
    首先先提出一个很多人认为是正确的误解。
    题:供电相数越多,供电越稳定,能带动的CPU功耗就越大。
    解:实际上并不是。很多人都认为多相供电的平台里面,处于同一控制器内的每项供电都会同时供电。但实际上PWM控制器并不是一直不断的给每一个MOS驱动发出控制信号。实际上在一个周期内,它仅给一个MOS驱动发出了控制信号,通过不断的让每一项电工作一段时间,最终实现提供稳定的电流。而每一项供电都能在他不工作的时间得到“休息”。
    我觉得这个解答听着有点吓人。不过二次分析以下,我认为是可以有根据的。当然也许并不是那么硬性的一相电供应那么一小段时间,肯定在每相电交换期间会有一定电流交叉,不然电流就是一阵阵的暴跌暴涨了。
    猜想的主要原因:
    1.不利于同步
    如果真的是像网传的每相供电都会提供并均摊供电,那就会出现同步问题。PWM当然可以仅输出一组PWM控制信号并“复制”给多个相电,实现每相供电都输出。但是多相供电同时输出必然会一定的“误差”。这个误差很可能因为电路的控制而“放大”,导致每一相供电的电压值不等,最终导致电压紊乱。如果需求的电压的变化很大(比如现在CPU进入节能模式),可能就会不断放大这种误差,直到电压紊乱到CPU无法承受为止。
    2.提高动态响应速度
    IDE被SATA淘汰,其中很大原因就是因为多路干扰,最终导致速度无法提升。而通过把并行改成串行,即可“肆无忌惮”的把速度往上提,因为这时候干扰已经很小了。对于当下的CPU而言,如此敏感的电压控制也就意味着还是需要更高的动态响应速度的。如果每个周期仅控制一路,也就意味着不需要担心同步问题,更高的频率能给CPU带来更高的响应速度,进而优化电源的电压管理。
    那么如何判断一项完整的供电?其实主要的方法还是在PWM控制器,MOS Driver上。PWM控制器一般都可以通过查询查到。而MOS Driver则可能比较难找。特别是在一些电感数量翻倍的主板上,很容易让人误以为主板的供电就是电感的数量。
    一般来说判断主板供电相数的方法流程:
    1.查看PWM控制器支持几组供电,各组供电相数与内含的Mos Driver数量。
    2.查看MOS 上下桥确定组别(主要是区分当下CPU会有Vcore与Uncore部分,还是要看CPU所需的供电结构[15]。像4,5代酷睿处理器因为内置了FIVR,所以就不需要两组供电了)
    3.确定MOS Driver数量。
    4.检查是否有倍相芯片。
    5.得出实际的供电相数。
    不过因为这个判断基准也是因人而异,所以各位可以再二次思考一下。
    特别是第四步的操作,基本很多大佬也会忽略这个步骤。而这一步的操作常常直接决定个人对这个主板供电好坏的理解。我觉得还是谨慎点吧。下面是我提出的一个我个人理解的一相完整供电的定义
    1相供电的完整定义:
    拥有完整的MOS DRIVER、MOS上下桥与输出端且与其他各相供电不处于同一工作时间的完整相电才是一相完整供电。
    前者很好理解,这个大家都认可,不够后面加的一句有点可能有点奇怪,我们逐一说吧。
    为了方便理解,我们还是举例说明吧。
    一般的主板供电分析:
    直接从技嘉官网扒下来一张技嘉B360M HD3。

    我们就按着步骤逐一分析。首先看PWM控制器。

    型号是ISL95866。那么我们直接查询ISL95866的参数表,直接通过搜索引擎都能搜索到。

    我们抓重点来解读,主要确定所支持的供电组数,每组供电支持的相数,内置的MOS Driver

    • Dual output controller(也就是意味着有两组供电)
    - Voltage regulator A: 4-, 3-, 2-, or 1-phase designs with two +12V integrated gate drivers (这里有两个信息,一个是对于第一组供电,提供了最高4项的供电支持,同时内嵌了两个MOS Driver)
    - Voltage regulator B: 3-, 2-, or 1-phase designs with one +12V integrated gate driver(同样这里有两个信息,一个是对于第一组供电,提供了最高3项的供电支持,同时内嵌了一个MOS Driver)


    IP属地:陕西2楼2018-11-13 15:31
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      第一步已经完成了,接下来是第二部,确定到底谁是谁在使用这两组供电。
      我们先放大主板供电部分

      有些主板基本就只有Uncore和Vcore段,MOS管的数量因为两段设计不同而有数量上的不同,所以这就让我们很好判断了。像这里的技嘉,就是如此,有四个3MOS与两个双MOS的供电,也就意味着采用的是4+2相供电。
      因为本身他也没倍数个电感,所以也不太可能倍相或者同步操作。所以4+2相是没错了。
      当然这里要补一个细节。刚才我提出过一相供电的完整定义,前面一句是需要有完整的MOS DRIVER与MOS上下桥,输出端。MOS上下桥和输出端已经很明显了。MOS Driver呢?
      我们之前查到的ISL95866实际上只有两个和一个MOS Driver。而4+2项供电,也就意味着还要补多三个MOS Driver。是的,确实补了三个MOS Driver。他们分别就是途中圈住的三个


      IP属地:陕西3楼2018-11-13 15:33
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        我们放大图片,实际看看他的型号。

        型号是5AZXJK。因为这个Driver体积太小了,不可能把型号写上去,所以一般厂商会只把PART NUMBER放上去。那么查阅这个PART NUMBER就可以查到他的实际型号。

        查到型号实际为ISL6625A,而我们也能在他的文档内查到他的Marking就是5AZ

        正好,也就是完整的构成了4+2项的完整供电,每一项都有完整的MOS Driver, MOS上下桥与输出端。
        不太一般的主板供电分析:
        以上都是分析一些比较简单的主板。一般来说入门级别的主板,或者稍微不爱搞事的主板,都是这种很普通的供电设计。但也有一些主板喜欢搞事情,最终导致很多人就被主板的宣传带到坑里去了。现在的主板厂商有时候为了方便“忽悠”,有时候甚至会把本来不属于Vcore与Uncore段的供电元件混在一起,让人误以为“加了料”。实际不然,这里不仅仅要搞清楚真倍相,同步相还是“虚倍相”的问题,还要学会辨析不属于这两段供电的元件区分。
        区分同步相,真倍相与“虚倍相”
        其实要区分他们,主要就是要搞清楚有没有同时在运作的问题。我们再回到原来我在上面提出的一相供电的定义上。这次我们取后半句:
        “且与其他各相供电不处于同一工作时间”
        同步相举例
        我们先举一个同步相的例子。
        其实同步相很容易和真倍相搞混淆,就是因为同步相和真倍相都有着完整的一套MOS Driver+MOS上下桥+完整输出端。但是差别就是在,同步相终究是同步运作,既如果对于两项供电进行了同步操作,那么他实际上只是两组“供电”合力进行工作。而真倍相则是添加了倍相器,使两相供电进入了真的独立且互相不在同一时间工作的状态了,所以各相互相独立,互不影响。
        那么经常搞同步相操作的,其实各大主板厂商在中端产线搞得非常多,但要说搞得最红红火火的,华擎“首当其冲”了。


        IP属地:陕西4楼2018-11-13 15:34
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          这里我们拿华擎的Z370 Taichi来做例子。
          Z370 TAICHI VRM[3]
          上图是华擎被完全扒了皮的照片,如果乍一看,可能很多人会以为这是“14相供电”。而可能有些人知道Z370有Vcore段和Uncore段,所以可能说其实是“8+6,10+2项供电”。其实都不是。我们来逐一分析。
          首先我们根据步骤,首先看PWM控制芯片。

          有点模糊,但是可以看出是Intersil的,型号为ISL69138。我们用同样的方法查看器参数文档。

          和常见的主板用的控制器不同的是,华擎用的不是常见的带MOS Driver的控制器,而是真的纯是PWM控制器的控制器,我们可以看到ISL69138本身支持两组供电,共计七项供电。但是这里比较有趣的是69138甚至可以设置成仅一组供电输出,也就是说其供电组合非常随意。
          而如果我们看回主板,可以看到似乎有“14相供电”。每一项供电都有一个完整的整合MOS桥+输出端。
          那么接下来就是关键点了。如果我们能在主板里找到倍相元件,那么这就是真实的14相供电。但是如果找不到,那就说明他只是同步相。那么首先我们在板子正面继续找,找到了两个Mos Driver,如下图蓝圈


          IP属地:陕西5楼2018-11-13 15:36
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            他们的型号是APW8720B,其参数如下所示

            但等等,APW8720B是一个Controller,不是Driver啊。最初我以为是厂商写错了,或者说是标准不统一的问题。后来发现,APW8720B自身也有一个时钟频率。也就是说他实际上不属于供电段。那么这两个供电就应该不属于分析范围内,所以枪毙两相供电,剩余“12相”等待确认的供电。
            我们再来看看剩下的,其实在板子的背面
            Z370 Taichi Back[4]
            如图是Z370 TAICHI的背面,其中我们可以看到有12个疑似Driver的原件,如下图

            查阅型号,实际为ISL6596[4],通过翻看其文档,得知其仅为一个普通的MOS Driver

            如果真的是倍相,那么每两相就需要放置一个倍相器,可是无论是主板背面还是正面都没有看到这“七个倍相器”。那么如此一来,这个主板实际上是什么设计呢?


            IP属地:陕西6楼2018-11-13 15:38
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              答案是:5+2相设计。首先5+2相符合ISL69138控制器所能提供的控制理念。其中,Vcore段中每两个MOS Driver+整合MOS桥+电感合成为一相,共计2X5相。剩下的“四相”,其中“两相”不属于核心供电段,所以排除,剩下的两相各自MOS Driver+整合MOS桥+电感合成为一相。
              然后发现了个小细节,ISL6596似乎换了封装规格,华擎到时候会怎么改主板规格呢?

              以上是华擎同步MOS Driver的操作,实际上华擎还能干出仅同步MOS上下桥(严格来说,可以把它列为“虚倍相”的范畴了)的操作。
              如下是华擎的Z270 Extreme 4
              Z270 Extreme 4[5]
              上图是华擎被完全扒了皮的照片,有了上面的经验,可能很多人看到这种多项供电本能的都会警惕一下了吧。那我就直接说答案吧,其实是3+2相供电。
              那么我们继续根据步骤,首先看PWM控制芯片。
              Z270 Extreme 4 PWM[16]
              I95824,其实就是ISL95824啦,我们使用同样的方法查阅其参数


              IP属地:陕西7楼2018-11-13 15:39
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                可以看到它提供两组供电,第一组供电提供最高4相+2MOS Driver,第二项提供2相+1Mos Driver。
                但很明显,这里并没有不止“6相”,整整有“12相”之多!所以有可能是倍相,有可能是同步相。
                接下来就要找MOS Driver,我们先看背面
                Z270 Extreme 4 Back[5]
                很干净,说明这次不在背面放MOS Driver了。
                正面的话,其实在PWM控制器旁边就有一颗MOS Driver了。还记得5AZ嘛?
                Z270 Extreme PWM[5]
                没错,就是ISL的6625A,3+2相,现在已经找齐了4相了,还有一相。
                Z270 Extreme 4 MOS[5]
                再继续找一下,发现了其他的PWM控制器


                IP属地:陕西8楼2018-11-13 15:39
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                  查阅资料实际上是RT8120D

                  RT8120D同样与APW8720B一样,是一个自带时钟频率的控制器,也就是说他同样不属于核心供电段。那么因此排除了“两相”。

                  那么还有给Vcore段的一项呢?同样也是ISL6625A。至此就没有其它额外的控制器了。所以最终结论是3+2相,其中每相都是两倍的MOS桥与电感。
                  以上就是常见的同步相操作了。那么真倍相的操作又是怎样的呢
                  真倍相举例
                  真倍相这个就比较有趣了,一般而言都是出现在高端主板上。这里拿微星的Z370 Godlike举例
                  Z370 Godlike GAMING[6]
                  如上是Z370 Godlike 被扒皮后的照片,单纯从电感数量上看,是“18相供电”,那么我们继续按步骤分析吧。首先分析PWM控制器
                  Z370 Godlike GAMING


                  IP属地:陕西9楼2018-11-13 15:40
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                    PWM[6]
                    PWM控制器是IR的35201,直接查阅文档

                    这里比较有趣,和ISL69138类似,IR35201也支持两组供电,共计8相相电,同时还能让供电仅作为一组输出。同时里面也没有整合MOS Driver,也就是说MOS Driver会单独放在外面。
                    但这里有点问题,IR35201仅支持8相,就算翻倍也只是16相。但可是这里有“18相”呢,还有两相呢?如果我们仔细观察MOS桥,会发现有一小部分地方有点猫腻。
                    Z370 Godlike GAMING Extra MOS[6]
                    最后的两相供电的MOS上下桥与其他的桥不太一样,也就是说也许这相也许是单独出来的。而正好在这两相下面就有一个PWM控制器。
                    Z370 Godlike GAMING Extra MOS[7]
                    放大查看,实际为Primarion的PV3205,翻看文档


                    IP属地:陕西10楼2018-11-13 15:40
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                      可以知道他是一个单组两相控制器,好的,现在18相凑齐了。我们继续找接下来的东西,MOS桥,首先解决这16相。
                      但找遍整个主板,似乎都没有看到MOS Driver。这里就要引入一个微星提出来的概念叫DrMOS,当然这个不是MOS博士的意思,是Driver+MOS的意思。顾名思义,既MOS桥与Driver进行了整合。我们细看这个DrMOS

                      型号为IR3555,查阅资料,确实是整合桥

                      剩下那单独的两相呢,也藏得非常深,但一般供电不会跑太远。找来找去,根本没找到,想了想会不会是在背面呢?这里有一个比较有趣的事情,剩下的这两相供电实际上和内存的供电属于一套方案,我们看看内存那边的相电,发现也没有MOS Driver
                      Z370 Godlike GAMING RAM MOS[6]
                      也就是说他们两个的MOS Driver都在背面。然后再顺便观察了一下南桥的供电,也没有MOS Driver,都在背面?好吧,去找背面的图吧。遗憾的是,一张清晰的图都没有,唯一一张相对完整的背面照就是如下
                      Z370 Godlike GAMING


                      IP属地:陕西11楼2018-11-13 15:41
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                        Back[8]
                        行吧,那我们就放大看看吧,既然内存和剩下两相Uncore用料类似,估计内存那边如果确定是两相的话,Uncore也会吧?那先放大内存段看看吧。好像还真看到了两颗疑似MOS Driver的东西。

                        而如果再看看南桥的话,同样也发现了一颗意思MOS Driver的东西,因为南桥是一上两下的MOS桥设计,而内存是一上一下的设计,所以两颗芯片看起来不一样也可以理解

                        好了,现在重头戏了,主板剩下的那两个Uncore……

                        一个……没了……当时看到这个只有一个的时候,我怀疑微星是不是把红圈上面的那个空掉的口子缩了。但是看这个空焊的口子并不是MOS Driver的接口,应该是普通电容的接口……那就是一相嘛?因为没有更多高清的图片了,我也只能下这样的结论了。有点惊讶,但是又感觉是意料之中。
                        行吧,现在MOS Driver,MOS桥以及输出端都齐了,只要找到倍相芯片就能知道是不是真的16相倍相了。倍相芯片就很好找了
                        Z370 Godlike GAMING MOS Doubler[6]


                        IP属地:陕西12楼2018-11-13 15:41
                        回复
                          基本每个评测都会把这件事情说一遍,共计8个IR3599,查阅文档。

                          倍相芯片毫无疑问了。而且IR3599实际上还能支持四倍相,只要你塞得下,他甚至可以一相倍到四相。所以最终这个主板实际相数是16+1相。其中16相Vcore段来自二倍相。Uncore段为两相同步相为一相。
                          “虚倍相”举例
                          这个就没什么好多说了,主要就是只是把电感电容数量翻倍了,然后给MOS盖上散热片,给人感觉是很多项,实际上只是虚的相电。
                          这里就举技嘉的B450 AORUS M

                          经过上面的分析我就不太多解释了,直接抓重点的分析了
                          B450 AORUS M PWM[10]


                          IP属地:陕西13楼2018-11-13 15:42
                          回复
                            那我们直接拿上面举过的例子继续用吧,比如B450 AORUS M
                            B450 AORUS M MOS[10]
                            上桥为一颗4C10N,下桥为两颗4C06N

                            首先我们会看到标题上写着30V,46A/30V,69A。很多人可能看到这个值就会觉得这个就是这个MOS所能输出的电流了。其实也对,但也不是特别对。我们知道这些元件都会因为温度的问题而出现输出能力的变化,而在ISL的官网里面,就有解答关于实际功耗下,到底是以Tc为准还是Ta为准的解答
                            Tc vs Ta FAQ[18]
                            主要是红线部分,实际上这个功耗都会因为实际情况在Tc=25度到Ta=25度所代之的输出能力之间波动。一般来说,元件温度越高,其能输出的电流就越低,而Tc=25度就意味着元件表面才25度,可以说是比较理想的工作状态了,而Ta=25度更多是我们日常的使用环境,因为我们无法控制电感这些元件的表面温度。那么我们继续解读一下这些表格的内容。


                            IP属地:陕西15楼2018-11-13 15:42
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                              先看上桥。上桥的说明文档里面有一个表格。

                              其他过于专业的数据我们可以不太接触,主要看的是Continous Drain Current(以下简称CDC了)。不过ON semi不知道是搞什么东西,非要加入那么多特殊的环境,Note1(较好散热),Note2(最低散热要求)其实就是对应着使用不同的散热计算得到的散热能力。‘
                              可以看到在Tc=25度时,CDC=46A,正好是表格开头提到的输出能力。而在最糟糕的Note2环境下,Ta=80度时输出能力只有6.2A。
                              可能有些人会觉得,既然上面提到了30V,是不是我就算记30V/6.2A,也有快200W的输出,再热也不虚啊。但是这些MOS管不是常规的功率技术算法来规定的,无论是1V还是30V,其最大的理想电流输出就是只能是46A,不多不少。所以就此,我们如果计算输入电压为12V,一颗4C10N理论就能提供46A*12V的功率。而最坏的环境下也能提供6.2A*12V的功率。对付一个百瓦的处理器,绰绰有余了。当然这是在理想环境下安全的工作环境。
                              我们再看看下桥4C06N,首先下桥的一颗MOS电流就大了很多,达到了69A。

                              同样我们能看到在Tc=25度时,CDC=69A,但是在Note1环境下时,当Ta=80度CDC就只剩14.9A了。而如果此时还是更糟糕的Note2环境,此时的输出只剩8.2A。如果此时CPU VID要求1.3V的电压,那只能输出不到10W的功率!当然因为这里用了两个下桥,所以实际为20W。不过这依旧非常低。但也只不过是因为上面恶劣的环境限定罢了。其实按照Ta=25度来算,还是有20A的输出,如果是良好的环境呢?69A*1.3V*2也有180W的功率了。可以看到对于下桥而言,良好的散热是其表象优良的重要点。当然正如此章刚开始说的,日常使用,其功率限制都在Ta=25度与Tc=25度之间,所以只要不是太糟糕的主板,应付日常使用都是没什么问题的。
                              我们再来看一个整合桥的例子,这里就拿上面的华擎Z370 Taichi吧。

                              太极用的整合桥是Fairchild的FDPC5030[3]


                              IP属地:陕西16楼2018-11-13 15:43
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