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各类电脑主板供电电路解析[必看]

2016-03-31  liu007

       奔三后期开始,玩家逐渐接触到多相供电这个概念。时至今日,CPU三相供电已经成为基本配置,最高供电相数可达夸张的16相,而内存和芯片组供电也开始用上两相乃至三相供电。数电路相数的时候玩家有时会犯一点错误,甚至一些见多识广的编辑也免不了要犯错,那么如何准确地识别主板供电的相数呢?
首先让我们来认识一下CPU供电电路的器件,找一片技嘉X48做例子。

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上图中我们圈出了一些关键部件,分别是PWM控制器芯片(PWM Controller)、MOSFET驱动芯片(MOSFET Driver)、每相的MOSFET

每相的扼流圈(Choke)、输出滤波的电解电容(Electrolytic Capacitors)、输入滤波的电解电容 和起保护作用的扼流圈等。

下面我们分开来看。

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(图)PWM控制器(PWM Controller IC)
在CPU插座附近能找到控制CPU供电电路的中枢神经,就是这颗PWM主控芯片。主控芯片受VID的控制,向每相的驱动芯片输送PWM的方波信号来控制最终核心电压Vcore的产生。

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MOSFET驱动芯片(MOSFET Driver)
MOSFET驱动芯片(MOSFET Driver)。在CPU供电电路里常见的这个8根引脚的小芯片,通常是每相配备一颗。每相中的驱动芯片受到PWM主控芯片的控制,轮流驱动上桥和下桥MOS管。很多PWM控制芯片里集成了三相的Driver,这时主板上就看不到独立的驱动芯片了。

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早一点的主板常见到这种14根引脚的驱动芯片,它每一颗负责接收PWM控制芯片传来的两相驱动信号,并驱动两相的MOSFET的开关。换句话说它相当于两个8脚驱动芯片,每两相电路用一个这样的驱动芯片。

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MOSFET,中文名称是场效应管,一般被叫做MOS管。这个黑色方块在供电电路里表现为受到栅极电压控制的开关。每相的上桥和下桥轮番导通,对这一相的输出扼流圈进行充电和放电,就在输出端得到一个稳定的电压。每相电路都要有上桥和下桥,所以每相至少有两颗MOSFET,而上桥和下桥都可以用并联两三颗代替一颗来提高导通能力,因而每相还可能看到总数为三颗、四颗甚至五颗的MOSFET。下面这种有三个引脚的小方块是一种常见的MOSFET封装,称为D-PAK(TO-252)封装,也就是俗称的三脚封装。中间那根脚是漏极(Drain),漏极同时连接到MOS管背面的金属底,通过大面积焊盘直接焊在PCB上,因而中间的脚往往剪掉。这种封装可以通过较大的电流,散热能力较好,成本低廉易于采购,但是引线电阻和电感较高,不利于达到500KHz以上的开关频率。

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下面这种尺寸小一些的黑方块同样是MOSFET,属于SO-8系列衍生的封装。原本的SO-8封装是塑料封装,内部是较长的引线,从PN结到PCB之间的热阻很大,引线电阻和电感也较高。现有CPU、GPU等芯片需要MOSFET器件在较高电流和较高开关频率下工作,因而各大厂家如瑞萨、英飞凌、飞利浦、安森美、Vishay等对SO-8封装进行了一系列改进,演化出WPAK、LFPAK、LFPAK-i、POWERPAK、POWER SO-8等封装形式,通过改变结构、使用铜夹板代替引线、在顶部或底部整合散热片等措施,改善散热并降低寄生参数,使得SO-8的尺寸内能通过类似D-PAK的电流,还能节省空间并获得更好的电气性能。目前主板和显卡供电上常见这种衍生型。在玩家看来,SO-8系的YY度要好于D-PAK,但实际效果要根据电路设计、器件指标和散热情况来判断,而原始的SO-8因为散热性能差,已经不适应大电流应用了。
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另外,近日IR公司的DirectFET封装也在一些主板上出现了,同样是性能非常棒的封装,看上去也非常YY,找到实物大图以后会补充进来。

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输出扼流圈(Choke),也称电感(Inductor)。每相一般配备一颗扼流圈,在它的作用下输出电流连续平滑。少数主板每相使用两颗扼流圈并联,两颗扼流圈等效于一颗。主板常用的输出扼流圈有环形磁粉电感、DIP铁氧体电感(外形为全封闭或半封闭)或SMD铁氧体电感等形态,上图为半封闭式的DIP铁氧体功率电感。

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上面是两种铁氧体电感,外观都是封闭式。左边是DIP直插封装,内部为线绕式结构,感值0.80微亨(“R”相当于小数点)。右边是SMD表贴封装,内部只有一匝左右的导线,感值0.12微亨要小很多。

上面是三种环形电感。环形电感的磁路封闭在环状磁芯里,因而磁漏很小,磁芯材料为铁粉(左一)或Super-MSS等其它材料。随着板卡空间限制提高和供电开关频率的提高,磁路不闭合的铁氧体电感、乃至匝数很少的小尺寸SMD铁氧体功率电感以其高频区的低损耗,越来越多地取代了环形电感,但是在电源里因为各种应用特点,环形电感还在被大量使用。

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输出滤波的电解电容(Electrolytic Capacitor)。供电的输出部分一般都会有若干颗大电容(Bulk Capacitor)进行滤波,它们属于电解电容。电容的容量和ESR影响到输出电压的平滑程度。电解电容的容量大,但是高频特性不好。

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除了铝电解电容外,CPU供电部分常见固态电容。我们常见的固态电容称为铝-聚合物电容,属于新型的电容器。它与一般铝电解电容相比,性能和寿命受温度影响更小,而且高频特性好一些,ESR低,自身发热小。关于固态电容的诸多优点我们就不再细说了。

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Hi-c Cap
此外还能见到钽电容和钽-聚合物电容(图:三洋POSCAP系列)等,性能也比一般的铝电解电容优异得多,钽-聚合物电容具有好于一般固态电容的ESR、高频特性和更小的尺寸。网上已经有很详细的介绍。

插座中央这种电容叫做多层陶瓷电容(MLCC),它的单颗容量比电解电容小很多,然而高频特性好很多,ESR很低。电解电容高频特性不好,因而主板CPU插座

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插座中央这种电容叫做多层陶瓷电容(MLCC),它的单颗容量比电解电容小很多,然而高频特性好很多,ESR很低。电解电容高频特性不好,因而主板CPU插座周围和CPU插座内部会有几十颗MLCC用作高频去耦,和大容量的电解电容搭配,提供更好的滤波效果和动态性能。近年来高端板卡开关频率较高的数字供电电路,就利用MLCC高频特性好的特点,直接使用很多颗MLCC进行滤波,但是总容量上不去,只有很高的开关频率才适合用。

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输入滤波的大电容也是电解电容,它为多相供电电路提供源源不断的能量,同时防止MOS管开关时的尖峰脉冲对其它电路形成串扰,也可以滤除电源电压中的纹波干扰。输入滤波电容同样可能用固态电容。分辨输入滤波电容和输出滤波电容的方法是看额定电压,输出电容的额定电压一般是6.3V、2.5V之类的数值,而输入滤波电容要接在+12V输入上,额定电压往往是16V。

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输入电路有时会串联一个扼流圈。这个扼流圈的作用是防止负载电流的瞬态变化影响到上一级电路。它的形状可能是线圈绕在棒子上,也可能是绕在环形磁芯上的线圈。

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还可能是封闭式的。很多主板上并没有这个扼流圈,或者有焊位,但把它省略掉了。此外在供电部分我们还可以看到一些细小的起保护、缓冲等作用的料件。

好了,了解完这些主要元件,下面我们来看看如何识别CPU供电电路的相数。

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这是一个常规的四相供电的连接方式。为了便于理解我们不画出电路图,而只是画出它们之间的连接关系。

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CPU将 n位的VID信号输送给PWM控制芯片作为产生Vcore电压的基准。主控芯片产生四路脉宽可调的方波,每相错开90度相位(三相就是三路方波,每相错开120度,以此类推),送到四相的MOSFET驱动芯片去。驱动芯片受到方波的控制,以一定的间隔向上桥和下桥MOS管的栅极轮流送去方波,在一个周期的一定时间里上桥导通,另一段时间里下桥导通,电流分别经过上桥和下桥流过扼流圈,四相的电流合在一起,由滤波电容平滑就得到了输出给CPU的Vcore。当负载变化或者输出电压有偏差时,主控芯片监测到变化,相应地调整PWM方波信号的脉宽占空比,输出电压就受调节回到预定值。

在上面这个结构图里,我们可以看到n相有1个主控芯片,n个输出扼流圈,n个驱动芯片,n组MOS管,若干个并联的输出滤波电容,若干个并联的输入滤波电容,以及输入扼流圈。我们来看几个例子对照一下。

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三相供电的Intel DG45ID的供电部分。一般说来每相供电有一个扼流圈,我们看到3个扼流圈,可以推测是三相供电。跟着我们可以找到9个MOSFET分成3组,每组3个,每组旁边还有对应的1个MOSFET Driver芯片,这些可以验证我们三相供电的判断。不过这块主板+12V输入的地方没有加扼流圈。

每相三颗MOSFET属于“一上两下”的设计。MOSFET分为上桥(High-side MOSFET)和下桥(Low-side MOSFET),上桥的损耗中开关损耗占主要成分,受开关速度影响,和开关频率成正比,要降低开关损耗需要提高开关速度;而下桥的损耗主要是导通损耗,与导通时间、导通内阻、电流的平方成正比,降低导通内阻可以减少导通损耗。因而每相使用多于两颗MOS的时候,首先是并联多颗下桥以降低导通损耗。  

首先是并联多颗下桥以降低导通损耗。

六相供电的技嘉EP45-UD3。我们可以看到六个扼流圈

六相供电的技嘉EP45-UD3。我们可以看到六个扼流圈,MOSFET共18个正好每3个和一个 输出扼流圈搭配。我们还能看到每相旁边小小的MOSFET Driver芯片。最后我们还看到CPU插座一角方形的PWM主控芯片,它是intersil ISL6336,支持最高到6相供电。由此我们可以确认这是6相供电,每相MOSFET采用一上两下配置的主板。每相使用的三颗MOS管属于SO-8衍生型封装,是具备低导通内阻(Low Rds-on)的MOSFET。

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 四相供电的技嘉EP43-DS3L,每相一颗扼流圈、一颗Driver和三颗MOSFET都能对号入座。主控芯片是最高支持4相工作的intersil ISL6334,因而它是4相供电。
常规情况里MOSFET驱动芯片也有集成进主控芯片的情况。MOS管的驱动是通过给栅极加上高电平或者低电平实现的,MOS管栅极有很大的电容,要驱动MOS管快速开关,驱动芯片就要输出一定的电流,而这么大的电流集成到主控芯片里就有可能因为发热对主控芯片(属于模拟集成电路)的工作精度造成影响,从而影响到输出电压的准确性。因而主控芯片里最多集成三相的MOS驱动器。三相以内主板目前往往直接使用集成MOS驱动的主控芯片,没有独立的MOSFET Driver。而4相、5相供电的主板,一般使用4个、5个独立的MOSFET Driver,也有使用集成三相MOS驱动的主控,第四相、第五相用独立驱动芯片驱动的方案。下面是几个例子。

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映泰Tforce 945P
映泰Tforce 945P,三相供电,使用集成了三相MOS驱动的intersil ISL6566主控,每相三颗MOSFET。同样我们也没有见到输入扼流圈。

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映泰TA790GX 128M
映泰TA790GX 128M,四相供电,使用集成了三相MOS驱动的intersil ISL6322主控,每相三颗MOSFET,第四相的MOSFET Driver放在MOSFET旁边(圈出来了)。类似的还有映泰TP43D2-A7,同样是ISL6322的方案。

昂达魔剑P35
昂达魔剑P35(同样地还有七彩虹C.P35 X7),五相供电,每相搭配两颗MOSFET,使用Richtek的主控芯片RT8802搭配两颗RT9619 MOSFET Driver,RT8802是支持2~5相的PWM控制器,同时整合了三相MOSFET Driver,第四相和第五相就要外挂Driver芯片了。
老一些的MOSFET Driver芯片使用HIP6602这样单颗集成两相MOS驱动的芯片,也就是说两相的驱动整合到一颗芯片里。它的外观可能是双列14引脚(SSOP-14)或四面共16引脚(QFN-16)。下面是几个例子。
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 Driver放在MOSFET旁边(圈出来了)。类似的还有映泰TP43D2-A7,同样是ISL6322的方案。

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梅捷SY-15P-FG,四相供电每相三颗MOS管,PWM主控芯片是intersil ISL6561,每两相使用了一颗14引脚的driver(已圈出)

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升技AN8,四相供电,MOS管覆盖在散热片下面。我们同样可以看到每两相使用的一颗Driver(已圈出),这里取代HIP6602的是intersil ISL6614芯片。Intersil的某款PWM主控这里被贴上了μGURU标签,所以我们看不到型号。

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磐正8RDA3I PRO,两相供电,每相搭配三颗MOS管和两颗并联的扼流圈(这个我们后面会提到)。它的供电使用了intersil HIP6302(上图左边)主控搭配一颗HIP6602驱动芯片来控制两相供电。尽管总共有四颗输出扼流圈,由于主控是只支持到2相的HIP6302,两相Driver也只有一颗,MOS管总共6颗只能分给两相而不是四相,我们知道这是一个两相而非四相的供电方案。

我们先来看这种容易导致困惑的情况。一些主板厂商选择每相使用两颗并联的扼流圈。一般用户的认知是一颗扼流圈对应一相,看到豪华的十颗十二颗扼流圈就只有惊叹的份了,这样在豪华程度上也迅速地与其它厂商拉开了差距。
我们并不清楚厂商用两个电感并联代替一个电感有什么技术上的理由。两个电感可以允许两倍大的电流通过,相同大小的损耗分担到两个电感上每个电感温升更小,不过和真正分成两相相比,纹波还是要输一些。

 

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(图:技嘉DQ6)

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(图) 梅捷超烧族OC3P45-GR)

上面这些主板包括台系和大陆的知名品牌,其共同点在于每相使用两颗并联电感代替一颗,看上去是2n相供电的,其实是n相。我们来看看如何识破它们。

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首先我们回到这个老祖宗,EPOX 8RDA3I PRO。前面我们说过它是两相而非四相的设计,理由是如下两点:

PWM主控芯片和driver数量都表明这是两相供电的方案;
6个MOSFET,只能是两相,每相3个,而不可能是4相。
可以看到EPOX的智慧比这些后来者们足足早了三年有余!

然后是梅捷超烧族P45,可以看到它也很容易看透。尽管有10个扼流圈,可MOS总数只有5对,只能是5相供电、每相一对MOS管的配置。此外在供电的两角我们还可以看到两颗driver芯片,是驱动第四相、第五相的。

翔升P45T
下面这个就比较tricky了,翔升P45T。8个扼流圈8对MOS管,怎么看都是8相供电嘛!不过等等,我们可以找到它的主控芯片是支持4相控制的ISL6312,旁边还能找到1颗MOSFET Driver(已圈出)。这是典型的使用内置3组driver和一个外置driver控制的四相电路,每相两个扼流圈并联,4颗MOSFET每两个并联为一组。

类似地还有技嘉DQ6系列。这个“12相”供电是由支持6相控制的ISL6327/ISL6336控制芯片配合6个ISL6609 driver芯片驱动的,通过主控芯片的规格和driver数量我们可以得知它是6相供电。技嘉官方已经承认DQ6系列的设计是“虚拟12相”。早期DQ6主板每相配备4颗MOSFET,到了EX48-DQ6上,每相配备了5颗,这样通过MOSFET数量也能自动排除12相的可能。

每相两颗并联往往出现在“超过6相”供电的主板上。实际上多相供电的控制器已经出现的最多到6相(注:在本文完成前夕,惊悉台湾uPI已经推出了原生12/8相的VR11控制器uP6208,ADI也有原生8相的控制器,看来我是out了,hoho)
容易被混淆的输入扼流圈(Input Choke)
前面我们提到供电的输入部分可能有一个扼流圈。通常它紧挨着+12V输入的4pin/8pin插座。

这个扼流圈常常以磁棒的形态出现。

由于这种外观和输出扼流圈差别较大,一般不会混淆。——甚至有些人意识不到这是一个电感。

然而有的时候它也是一个封闭电感的样子

如上图,如果它和输出扼流圈靠得比较近,就容易被认错了。不过一般来讲输入扼流圈的感值和输出扼流圈不大一样,这会体现在标记上。同时因为输入扼流圈的电流小一些,所以外观尺寸上也会不大一样。


有的时候它是个环形的扼流圈,这种情况就更容易认错了。

青云PX915 SLI
这张图我们可以看到供电的输出扼流圈和输入扼流圈都是环形,绿色磁芯,只是输入扼流圈的绕数比输出扼流圈少一些。注意到这点区别就不会把它当成四相供电的主板。

三相供电么?不,这是两相,输入扼流圈的磁芯和绕线外皮颜色都有点差异。当年有很多编辑会把这种主板当作三相供电。

 

磐正8RDA+

曾经非常流行的EPOX 8RDA+。尽管输入扼流圈的外观和个头都与输出扼流圈相差无几,从它的位置以及MOS管总数可以把它和输出扼流圈区分开来。

梅捷SY-15P-FG供电部分
相信没有人会把它认成5相供电了。只要注意位置和外观的差异,识别输入扼流圈并不是难事。
真8相和真16相供电是如何实现的?("True 8-phase/16-phase" voltage regulators)
主流的PWM控制芯片最多支持到6相(本文完成前夕,台湾uPI已经推出了原生12/8相的VR11控制器uP6208)。然而华硕很高调地宣称他们的主板具备真8相甚至真16相供电,这是如何做到的?

华硕P5Q供电部分
在华硕8相和16相供电的主板上,我们确实能找到每相对应的MOSFET driver芯片,也就是说每相有一颗独立的driver在驱动。不幸的是PWM控制芯片表面被华硕自家的编号以及EPU字样给覆盖了,这样我们也就不知道PWM控制芯片的规格。

台湾网友LSI狼对8相供电的早期型号A8N32 SLI Deluxe进行过分析。A8N32 SLI Deluxe的主控芯片是支持4相工作的ADI ADP3186,配合了ADG333A四路的二选一开关。据我分析这样的工作方式是让ADP3186输出4相的相位信号,单刀双掷开关在第一个周期里把四相信号输送给第1、2、3、4个driver,第二个周期里把四相信号输送给第5、6、7、8个信号。这样8相的driver就能错开相位轮流导通,实现8相工作方式——第一代8相供电主板就是这样实现的。由此推测,真16相的做法可能是两个8相交替开关动作或者4个4相交替动作。

在P5Q主板的8相供电电路中我们只找到一颗打着EPU2标记的PWM控制芯片,而没有看到类似电子开关的额外芯片。在P5Q Deluxe这样16相供电设计的主板上除了EPU还能找到一颗名为PEM的芯片。对它们的具体功能我们找不到公开资料,结合华硕的说法来看,EPU是一颗原生控制8相的PWM控制器,而PEM作为电子开关一类的器件负责将8相信号送到16相的驱动芯片实现16相与8相可切换的工作方式。


K10的分离供电与N+1相供电设计(K10's Split-Plane design and "N+1" phase power delivery circuits)
AMD K10处理器引入了分离电源层(Split Power Plane)的设计。分离电源层是指,CPU内部被划分成处理器内核(每个核心以及L2缓存)和片上北桥(L3缓存、HTT3.0控制器、内存控制器等等)两部分,处理器内核使用名为VDD的电源,片上北桥使用名为VDDNB的电源,这两个电源的工作电压我们分别称为内核电压和北桥电压。在不同的工作状态下两组电压可以独立地进行控制,实现更好的节能效果。

要获得两组独立的电压,就需要两个独立的供电电路。在分离供电设计的主板上,一个传统的N相供电电路根据VID信号中内核VID的指示提供VDD电源,另外还有一个独立的单相供电电路根据VID中北桥VID的指示提供独立的VDDNB电源,这就是所谓“N+1相”设计。N+1相供电设计的主板在插上单一电源设计的K8 CPU时,只有N相的VDD电源工作,产生VDD电压提供给CPU。

K10的供电需求对VDD电源的输出电流要求最高可达100A,TDP最高达到140W(Phenom 9950 2.6GHz),需要四相供电支持,否则供电电路会发热过大不够稳定。因此K10主板常见的供电设计是4+1相,面向低端的整合主板常见3+1相的设计,而部分超频主板甚至做到了5+1相。

我们以技嘉MA770-DS3H的供电为例看看如何判断N+1相供电。

MA770-DS3H的供电部分
在供电部分我们看到五颗输出扼流圈,标称感值都是0.50微亨,不过供电部分的MOSFET总共有14颗(旁边还有一颗风扇调速用器件,不属于CPU供电电路)。此外我们能找到主控芯片是最高支持4+1相供电设计的ISL6324(CPU内核支持2~4相供电,并内建2个driver),还能找到一颗driver芯片。MOS管数量14=3*4+2,于是VDD是4相供电每相3颗MOS管,VDDNB是1相供电2颗MOS管。由于ISL6324的VDD供电内建2个driver,VDD供电的第三第四相是通过两颗外置driver来驱动的。由此我们可以判断其为4+1相供电设计。在MA78GH-S2H上面我们能看到14颗MOS管和4颗0.60微亨扼流圈,ISL6323主控芯片配合1颗外挂driver,同理可推断为3+1相供电。


K10发布以后intersil推出了对应的混合式电源管理方案ISL6323和ISL6324,这两个芯片都支持最高4+1相供电设计,如果看到这个控制芯片,那基本上就是N+1相的方案了

映泰TF8200 A2+供电部分 这个更容易识别,4个扼流圈是3个0.60微亨和1个2.2微亨,显然是3+1相供电,MOS管数量14=4*3+2,所以是VDD供电每相4颗MOS,VDDNB供电两颗
微星P45白金版上的DrMOS 上面这两块主板都使用了DrMOS芯片,分别来自飞兆半导体和瑞萨科技。DrMOS的好处首先是节省PCB空间,同时通过多个元件封装到一个


微星P45白金版上的DrMOS

上面这两块主板都使用了DrMOS芯片,分别来自飞兆半导体和瑞萨科技。DrMOS的好处首先是节省PCB空间,同时通过多个元件封装到一个芯片里可以减少PCB和元件引脚的寄生电感,降低开关损耗和振荡,可以工作在更高的开关频率下。按照瑞萨科技的说法,DrMOS可以提高转换效率并显著地降低供电区域的温度。应该说这是一种在每相的器件使用上直接提高效率降低温度的做法。

 

微星790GX上的DrMOS
这张790GX的供电仍然是4+1相intersil方案。我们可以看到,其中VDDNB供电和两相VDD供电使用了三颗SO-8扁平引脚封装的传统MOSFET,而另外两相使用了DrMOS。通过这张图我们可以得知两点:
DrMOS占用空间确实有优势;
DrMOS可以直接替换传统供电里的driver+MOSFET的位置。
华硕在玩家国度P35 “Blitz”主板上率先使用了DrMOS器件但并未继续下去,而微星从08年起把DrMOS作为其节能卖点的特色技术和宣传重心,在越来越多的高端新产品上使用瑞萨第二代DrMOS并配合动态相位切换的技术以提高效率。提高供电转换效率和提高供电电压稳定度、瞬态响应性能始终是我们追求的目标,如果通过新兴的器件可以达到这个目的,何乐而不为呢?关于DrMOS这种新型器件的性能表现我们会继续关注。

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