마더보드와 그래픽 카드가 CPU와 GPU에 전원을 공급하는 방법

전원 공급 장치가 PC의 심장이듯이, 마더보드와 그래픽 카드에 있는 전원 공급 장치 모듈도 각각의 심장입니다. 전원 공급 회로는 충분히 강력합니다. 따라서 그래픽 카드와 마더보드를 평가할 때 전원 공급 장치 모듈이 매우 중요한 점수 항목이 될 것입니다. 그렇다면 마더보드와 그래픽 카드의 전원 공급 장치 모듈은 어떤 구성 요소로 구성되어 있으며 어떻게 작동합니까? 오늘은 보드의 전원모듈에 대해 몇 가지 알아보겠습니다.

전형적인 4상 전원 공급 회로

그래픽 카드와 마더보드의 전원 공급 모듈의 주요 기능은 전압 조정, 전압 안정화 및 필터링이므로 CPU 또는 GPU는 안정적이고 순수하며 전압에 적합한 전류를 얻을 수 있습니다. 그들이 사용하는 기술이나 원리에 있어서는 사실상 그래픽 카드의 전원 회로와 마더보드 사이에 본질적인 차이는 없으며, 전원 전압과 전류만 다를 뿐이므로 이번에는 별도로 설명하지 않겠습니다.

마더보드/그래픽 카드의 전원 공급 장치 모듈은 무엇입니까?

현재 마더보드와 그래픽 카드에 사용되는 전원 공급 장치 모듈은 크게 세 가지가 있습니다. 하나는 3단자 전압 안정화를 위한 것입니다. 이 전원 공급 장치 모듈은 구성이 간단하고 통합 전압 조정기만 필요합니다. 전류가 매우 작아서 대용량 장비에 사용하기에는 적합하지 않습니다. 주로 DAC 회로 또는 I/O 인터페이스에 전원을 공급하는 데 사용됩니다.

3단자 전압 안정화 전원 칩 7805는 구성이 간단하지만 출력 전류가 낮습니다.

두 번째 유형은 전계 효과 트랜지스터 선형 전압 안정화입니다. 신호 칩으로 구동 MosFET로 구성되어 빠른 응답 속도, 작은 출력 리플, 낮은 동작 소음 등의 장점을 가지고 있습니다. 그러나 전계 효과관의 선형 전압 조정기는 변환 효율이 낮고 발열량이 커서 제품의 전력 소비 및 온도 제어에 도움이 되지 않습니다. 따라서 대부분 비디오 메모리나 전원 공급 회로에 사용됩니다. 메모리는 이전에 보급형 제품으로 제한되었으며 중급 및 고급 제품은 세 번째 전원 공급 장치 모듈 스위칭 전원 공급 장치인 더 나은 전원 공급 장치 구성 요소를 사용하는 경우가 많습니다.

요즘 마더보드와 그래픽 카드는 스위칭 전원 공급 회로를 사용해 CPU와 GPU에 전원을 공급합니다.

스위칭 전원 공급 장치는 스위칭 튜브를 켜고 끄는 시간과 비율을 제어하여 안정적인 출력 전압을 유지합니다. 주로 커패시터, 인덕터, MosFET 전계 효과 트랜지스터 및 PWM 펄스 폭 변조 IC로 구성된 일종의 전원 공급 장치 모듈로, 선형 전압 레귤레이터에 비해 발열이 낮고 변환 효율이 높습니다. 전압 안정화 범위가 크고 전압 안정화 효과가 좋기 때문에 현재 CPU 및 GPU의 주요 전원 공급원이 되었습니다.

처음 두 전원 공급 장치 모드에는 명백한 단점이 있으므로 그래픽 카드 및 마더보드 제품에서 그 지위는 대부분 보조 전원 공급 장치 또는 저전력 칩에 전원을 공급하는 데 사용되지 않습니다. 이번에는 자세히 설명하기 위해 스위칭 전원 공급 장치인 세 번째 전원 공급 장치 모듈에 중점을 두겠습니다.

스위칭 전원 공급 장치 모듈은 어떤 구성 요소로 구성되어 있나요?

메인보드와 그래픽 카드의 스위칭 전원 공급 장치 모듈은 주로 CPU와 GPU에 사용되며 일반적으로 커패시터, 인덕터, MosFET 전계 효과 트랜지스터 및 PWM 펄스 폭 변조의 네 가지 구성 요소로 구성됩니다. 작은 조각.

커패시터와 인덕터

커패시터와 인덕터는 일반적으로 스위칭 전원 공급 장치 회로에 함께 사용됩니다. 커패시터의 기능은 공급 전압을 안정화하고 전류의 혼란을 필터링하는 것입니다. 인덕터 코일은 에너지를 저장하고 방출하여 전류를 안정화합니다.

전원 공급 회로의 커패시터 및 인덕터

커패시터는 가장 일반적으로 사용되는 기본적인 전자 부품으로 CPU와 GPU의 전원 공급 회로에 '직접 트래픽을 차단하는 데 사용됩니다. ." ” 및 필터링. 커패시터는 일반적으로 전원 공급 회로에서 병렬로 연결되므로 전류의 AC 성분은 커패시터에 의해 접지선으로 유도되고 DC 성분은 계속 부하로 유입됩니다. 동시에 커패시터는 충전 및 방전을 통해 회로 전압을 변하지 않게 유지할 수 있기 때문에 전류의 고주파 노이즈를 필터링할 수 있을 뿐만 아니라 회로의 전압 변동도 줄일 수 있습니다.

인덕터 코일의 기능은 회로 내 전류의 안정성을 유지하는 것입니다. 인덕터 코일을 통과하는 전류가 증가하면 인덕터 코일에서 발생하는 자기 유도 기전력은 그 방향과 반대가 됩니다. 전류의 증가를 방지합니다. 전기 에너지의 일부를 자기장 에너지로 변환하여 인덕터 코일을 통과하는 전류가 감소하면 자기 유도 기전력이 전류와 같은 방향이 됩니다. , 전류 감소를 방지하는 동시에 저장된 에너지를 방출하여 전류 감소를 보상합니다.

스위칭 전원 회로에서 인덕터와 커패시터는 짧은 시간에 수만 번 충전과 방전을 반복해야 하기 때문에 그 품질이 스위칭 전원 회로의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 현재 CPU와 GPU의 전원 공급 회로에는 고체 커패시터와 폐쇄형 인덕터가 주로 사용됩니다. 전자는 낮은 임피던스, 높은 리플 저항, 우수한 온도 적응성의 장점을 갖고 있는 반면, 후자는 소형, 높은 특성을 가지고 있습니다. 에너지 저장 및 낮은 저항은 저전압 및 고전류 CPU 및 GPU 전원 공급 장치 회로에 더 적합합니다.

고급 제품에 사용되는 폴리머 커패시터

일부 고급 제품의 전원 출력 단자에서 알루미늄 폴리머와 같은 폴리머 커패시터를 볼 수도 있다는 점은 언급할 가치가 있습니다. 커패시터와 유명한 "작은 콩" 탄탈륨 커패시터. 이 폴리머 커패시터는 매우 강력한 고주파 응답 성능을 갖고 있기 때문에 초당 수만 번 충전 및 방전하는 스위칭 전원 공급 장치 회로의 출력 필터 회로에 자주 사용되며, 이는 전류의 순도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

MosFET

전원 공급 장치 회로에서 MosFET의 역할은 제어 전극에 적절한 전압을 추가하여 회로에서 단방향 전도를 달성할 수 있습니다. 이를 통해 MosFET은 포화 전도를 달성할 수 있으며, PWM 칩을 통해 온-오프 비율을 제어함으로써 MosFET의 전압 조절 기능을 구현할 수 있습니다.

매우 일반적인 "1개 위, 2개 아래" 유형의 MosFET 배열

MosFET에는 4개의 중요한 매개변수, 즉 최대 전류(견딜 수 있는 최대 전류), 최대 전압(견딜 수 있는 최대 전류)이 있습니다. 최대 전압 견딜 수 있음), 온 저항(온 저항이 낮을수록 전력 변환 효율이 높음) 및 온도(견딜 수 있는 온도의 상한), 원칙적으로 최대 전류가 클수록 최대 전압도 높아집니다. , 온 저항이 낮을수록, 온도가 높을수록 MosFET의 품질이 좋아집니다. 물론 완벽한 제품은 존재하지 않습니다. MosFET마다 장점이 다르므로 실제 상황에 따라 어떤 종류의 MosFET를 선택할지 고려해야 합니다.

스위칭 전원 공급 회로에서 MosFET는 상부 브리지와 하부 브리지의 두 그룹으로 나뉘며 작동 중에 각각 켜져 있습니다. MosFET 레이아웃에 주의를 기울이는 플레이어는 대부분의 스위칭 전원 공급 장치 회로의 상단 MosFET가 하단 MosFET보다 규모가 작은 경우가 많다는 것을 알 수 있습니다. 실제로 이는 상단의 전류 차이와 관련이 있습니다. 하단 MosFET가 견뎌야 합니다. 상부 브리지 MosFET는 일반적으로 12V인 외부 입력 전류를 담당합니다. 따라서 동일한 전력을 전제로 상부 브리지 MosFET는 더 짧은 시간 동안 전도되고 더 낮은 전류를 전달하므로 필요한 규모가 자연스럽게 낮아질 수 있습니다. 하부 브리지 MosFET는 일반적으로 약 1V에 불과한 CPU 또는 GPU의 작동 전압을 견딜 수 있습니다. 따라서 동일한 전력 환경에서 견딜 수 있는 전류는 상부 브리지 MosFET의 10배이며 전도 시간은 10배입니다. 길이가 길기 때문에 필요한 규모도 자연스럽게 높아집니다.

일반적인 분리형 MosFET 배열 외에도 통합 MosFET도 볼 수 있습니다. 이러한 종류의 MosFET는 일반적으로 DrMos라고 합니다. 상단 브리지 MosFET와 하단 브리지 MosFET는 모두 칩에 포함되어 있습니다. 차지하는 PCB 영역이 작아 배선에 더 도움이 됩니다. 동시에 DrMos는 변환 효율 및 발열 측면에서 기존 디스크리트 MosFET보다 더 높은 장점을 갖고 있어 중저가 제품에 널리 사용됩니다.

그러나 DrMos는 개별 MosFET보다 반드시 더 나은 것은 아닙니다. 실제로 DrMos는 온도에 대한 저항력이 더 높기 때문에 온도가 저항 값을 초과하여 소진되면 더 많이 타는 경우가 많습니다. PCB가 관통되면 카드 전체가 완전히 폐기됩니다. 별도의 MosFET는 온도 상한이 더 낮기 때문에 과열로 인해 소손될 경우 PCB를 손상시키지 않는 경우가 많지만 제품을 "구출"할 수 있는 기회를 남깁니다. 물론 가장 좋은 접근 방식은 과열로 인해 MosFET가 소진되는 것을 방지하는 것이므로 그래픽 카드에는 전원 공급 회로에 충분한 방열판이 장착되는 경우가 많습니다.

동일한 사양의 MosFET가 실제로 다양한 사용 환경에 맞게 다양한 방식으로 패키징될 수 있다는 점도 언급할 가치가 있습니다. 다양한 패키징 모드는 MosFET의 열 방출에 어느 정도 영향을 미치며 이는 성능에도 영향을 미칩니다. 그러나 내부 저항, 내전압, 전류 내구성 등의 하드 지표에 비해 다양한 패키지의 영향은 거의 무시할 수 있습니다. 따라서 단순히 패키징 모드만으로 MosFET의 품질을 판단할 수는 없습니다.

PWM 펄스 폭 변조 칩

펄스 폭 변조라고도 하는 PWM은 펄스 폭 변조라고도 하며 디지털 출력을 사용하여 아날로그 회로를 제어하는 ​​기술 방식이지만 아날로그 신호 레벨의 디지털 인코딩. 펄스 폭을 변경하여 출력 전압을 제어하고, 펄스 변조 주기를 변경하여 출력 주파수를 제어합니다. PWM 칩의 선택은 전원 공급 장치 회로의 위상 수와 밀접한 관련이 있습니다. 제품에 포함된 전원 공급 장치의 위상 수만큼 PWM 칩에는 해당 수의 제어 기능이 있어야 합니다.

스위칭 전원 공급 회로는 어떻게 작동하나요?

스위칭 전원 공급 장치의 개략도는 아래에 나와 있습니다. 다이어그램에서 커패시터의 기능은 공급 전압을 안정화하고 전류의 혼란을 필터링하여 인덕터를 더 순수하게 만드는 것입니다. 코일은 에너지를 저장하고 방출하며, PWM 칩은 스위치 회로 제어 모듈의 주요 구성 요소입니다. 회로 출력 전압과 전류는 기본적으로 MosFET 전계 효과 트랜지스터로 구분됩니다. 브리지와 하부 브리지 브리지의 두 부분에서 전압 조정은 상부 및 하부 브리지 MosFET의 협력을 통해 이루어집니다.

스위칭 전원 공급 장치 회로가 작동하기 시작하면 외부 전류 입력은 인덕터 L1 및 커패시터 C1을 통해 예비 전류 안정화, 전압 안정화 및 필터링을 거쳐 후속 전압 조정 회로에 입력됩니다. PWM 칩으로 구성된 제어 모듈은 상부 브리지 MosFET을 켜라는 신호를 보내고, 양단의 전압이 설정 값에 도달할 때까지 후속 회로를 충전합니다. 그러면 제어 모듈은 상부 브리지 MosFET를 끄고 하부 브리지 MosFET를 켠다. 후속 회로는 에너지를 외부로 방출하고 이때 양쪽 끝의 전압이 떨어지기 시작한다. -MosFET을 브리지하고 상단 브리지 MosFET를 다시 켜면 사이클이 계속됩니다.

위에서 언급한 "후속 회로"는 실제로 개략도의 L2 인덕터와 C2 커패시터입니다. 선형 전압 조정기 회로에 비해 스위칭 전원 공급 장치는 변환 효율이 높고 크기가 크다는 장점이 있습니다. 그러나 MosFET이 출력하는 것은 안정적인 전류가 아니라 클러터 성분을 포함하는 펄스 전류이므로 단말 장비에 직접 사용할 수 없습니다. 이때, L2 인덕터와 C2 커패시터가 함께 '배터리'와 유사한 에너지 저장 회로를 형성하며, 상부 브리지 MosFET이 턴온되면 '배터리'가 충전되고, 하부 브리지 MosFET가 턴온되면 "배터리"가 충전되어 단말 장비에 들어가는 전류와 양쪽 끝의 전압을 안정적으로 유지합니다.