到底几相才够用？显卡供电需求大剖析

责任编辑：FLORA |来源：企业网D1Net 2011-12-27 09:39:59 本文摘自：中关村在线

第1页：到底几相才够用？

21相供电，22相供电，甚至是24相供电……显卡越来越骇人的供电相数正变得越来越让人无所适从。相信大多数人见到这么夸张的供电相数时，头脑中都会浮现出这样的问题这块主板/显卡真的用得上那么多相吗？诸如此类的问题最近几年越来越频繁地困扰着玩家们。

为了解决玩家这一疑惑，国外DIY媒体Tom’s Hardware曾与Intel高级工程师团队的工程设计师Brian Forbes交流，围绕着主板供电设计展开了访谈。

其中有一段话翻译过来是这样的：现在，对于主板业界这是一个重大的挑战，这使我们的消费者相信，更多的相数会相应地表现更好。当然，因为Intel的实验室中没有测量设备，这很难验证更庞大的电压校准电路与八相供电设计（哪个更好）。尽管如此，Brian重申，他的六相或八相供电设计能提供超过任何人使用主板时产生的电能需求，而且这是工作在一个对称（平衡）的方式。而更庞大的电压校准电路将趋向于破坏（这个）平衡，导致某些回路负载和升温不均匀。

看完上面这段话，可能大部分人还是不懂，那么就请随我们一起来走近供电设计的世界。

第2页：首先，破除误区

首先，我们需要纠正一个误区。那就是大部分人认为数字供电一定优于模拟供电。这是没有根据的。因为目前所谓的数字供电，无非是控制电源的PWM芯片采用了数字式处理技术，用数字芯片来对整个模拟电路进行管理。显卡供电的设计目的是为GPU正常工作提供可靠的供电支持，不管什么类型的PWM和电路设计，都是为了满足这点的前提下而诞生的。

上图是曾经的一代经典——公版GTX260的供电设计，外观上，与模拟供电唯一不同的只是右下角的那颗PWM控制芯片。其余的用料如全固态电容，全封闭电感等，都与模拟供电无异。

由此不难看出：输出电源的品质主要看两个方面，第一，看开关频率以及配套的电感电容电阻用料，这一点和PWM是否数字式没有关系；第二，看补偿。数字式PWM在补偿方面的优势就是调试的时候简单得多，可以根据输出波形，通过软件写入调整。而模拟的就需要不断地根据波形去调整外围补偿的电阻电容网络。只要在设计阶段多下功夫，模拟的补偿调整也可以相当优秀。

玩过HIFI的人都知道，如果自己动手设计和制作功放，影响最后输出品质的绝不仅仅是电路的某一部份或某一芯片，只有所有的用料品质都匹配、布线也合理了，才能得到理想的音质。例如当前高端MP3市场中的某款4000元价位的产品，它采用了：单颗价格高达15美元的航空级精度的温补晶振和多颗丝绸电容。从水晶公司的顶级解码芯片，到日本alps专业定制机械推杆，照顾到了每一个细节，自然地成为一款拥有优秀音质的HIFI产品。

因此，在面对商家大力宣传其数字供电的时候，我们还需要看看显卡的用料如何、布线如何等等与供电质量息息相关的部分。避免堕入商家精心设计好的陷阱。

第3页：那么，PWM不重要了？

既然已经明白了供电用料的重要性，那么PWM就不重要了么？当然不是！首先让我们了解一下什么是PWM。

PWM是” Pulse Width Modulation ”的缩写，直译为脉冲宽度调制，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，它广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等多个领域。对电路设计而言，就是取其“功率控制与变换”。

PWM通过高分辨率计数器，把方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。“通”即直流供电被加到负载上的时候，而“断”则是供电被断开的时候。大部分负载情况(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率都高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。对于大多数的显卡，调制频率为200KHz到500KHz之间。

例如，公版GTX590中的单个核心5相供电就采用了上图所示的CHiL8266解决方案，这颗PWM芯片最高支持6相数字供电，同时这颗芯片能够预设多种运行模式，例如显卡待机、满载、视频播放、3D计算等，同时根据核心负载率调整供电使用模组数，这样设计的好处就是能够有效根据不同应用提供不同功耗对应，做到节能的目的。CHiL8266芯片最大可支持200A电流和2V电压，最高可提供400瓦功率输出。

看到这里，相信不少人已经能发现问题了。目前最大功耗的核心也不会超过400瓦，那么6相就已经足够啦，为什么还有8相，12相甚至更多呢？

第4页：那么，多少相才够呢？

要分析“多少相才够”这个问题，我们先要了解设计多相供电的目的。每一相核心供电的输出功率计算方法是：“输出电压”乘以“输出电流”，这里的输出电压等于GPU的输入电压或者说工作电压，现在大部分显卡都支持至少2种工作状态的电压，分别是P0高载模式和P12待机模式，有的中间还有P8轻载模式主要用于高清解码。显卡通过实时改变核心电压和工作频率，能大大降低功耗。

而“输出电流”，一般的计算方法则是GPU的输入电流除以供电相数。那么理论上，相数越多，平摊到每一相的电流就会越小。以最近比较火热的iGame?九段GTX560Ti为例（因为其采用了模块化供电设计，方便下文分析供电设计），这款显卡拥有2种供电模式：插上或拔下Turbo-Kit电力套件，对应核心供电分别为12相与8相。

相信不少人在看到这种设计时，心中都有个疑问：直接把12相全做在一张卡上不就完了，费这功夫？但事实是：正如文章开篇翻译自Intel高级工程设计师Brian Forbes所说的那样，过于庞大的供电相数，会导致“某些回路负载和升温不均匀”。

为什么会这样呢？这也回到前文关于模拟/数字供电差异的描述，实际上，在前文，大家已经可以看到即便是数字供电，因为仍然采用了电容、电感等，都会存在一定的容抗、感抗。如果为每一相供电赋予一个“等效电阻”，单相中串联的元器件越多，这个“电阻”的阻值就越大，发热也就越大，随之带来的就是电源整体转换效率的下降。

iGame?九段显卡的精妙之处，就是为处于900MHz核心提供8相供电；而在1010MHz时，提供了12相供电。因为对于大部分PWM芯片而言，供电的转换效率最高峰是出现在输出电流为20-30A的某一个值附近，而非出现在输出电流最大值或低于20A的部分。因此，这款显卡的工程师可能出于供电转换效率最大化，也就是无用发热最小化的考虑，选择了8/12相的供电设计。

那么，对于iGame?九段GTX560Ti这款显卡的PWM芯片和外围电路的用料设计而言，8相和12相就是其最适合的供电相数。

第5页：有实测数据支撑吗？

空口无凭，我们联系到了iGame研究所的工程师，要到了iGame?九段GTX560Ti的实测功耗数据。如下面的图表所示。

可以看出，iGame研究所是在恒温45℃环境下进行的此项测试，模拟了大部分玩家夏天机箱中显卡的环境温度，而且据介绍，iGame研究所能够测出单独一路的实时输入电流，且图中的数据都已取了最大值。因此，测试数据相当可靠且真实。

以GTX560Ti的工作电压约1伏粗略计算，当核心工作在1010MHz时，PWM需要控制高达270A的电流，也就是平均每相供电承担约22.5A；同样的计算方法，在900MHz时，223A的电流平摊后，每相承担27A左右电流。因此不难估算出，这款显卡的PWM芯片uP6208AM转换效率的最大值是在25A附近，符合前文的说法。

换个角度，如果统一采用8相供电，那么1010MHz时，每相供电的输出电流就接近34A，而如果固定为12相，900MHz时平摊的电流又会变成18.6A。无论哪种都会造成电能的无谓浪费。

由此可见，为了实现iGame定制大赛中三档频率切换的玩家定制想法，iGame的工程师团队考虑相当周全。他们并没有盲目跟风地去堆造16相甚至更多的相数，而是非常理性地根据实际需要，提供GPU最适合的供电相数，并以模块化的Turbo-Kit形式呈现至玩家手中，让玩家无论在哪种频率下，都能做到供电转换效率的最优化，同时为环保做贡献。

看到这也许有人说：你还是没有解答“多少相才够”的问题啊。我们能够给出的答案是：不同显卡采用的PWM芯片、单相供电的用料设计和设计出厂频率，其最佳的供电相数都不同，一般情况下，PWM芯片的最佳转换效率点出现在最大单相电流值的65%-80%之间。当知道了GPU的功耗和工作电压后，就能算出实际单相承担电流的大小。这个值大于PWM芯片的最佳转换效率点，供电部分的发热就会比较大，显卡也因此稳定性降低；而低于那个点，则会产生无谓的电能浪费，多余的堆料既提升了玩家的直接购买价格，又很不环保地耗费玩家的电能。