1、计算机显卡电源系统的研究与实现计算机显卡电源系统的研究与实现 摘要：随着当前社会经济的日益发展和科学技术的全面进步，计算机显示芯片(GPU)性能 频率的不断提升，其核心电压越来越低，而核心电流越来越高，电流变化率也随之大幅增 加，新型 GPU 对供电电路电压调整率、瞬态响应速度和稳定性等各方面的要求日益严苛。 因此，为 GPU 供电设计也面临着越来越多的挑战。 本文主要对显卡电源电路进行了综合研究，总结了各种电源方案的基本拓扑结构、工 作原理和应用，以及在电源系统在设计时要考虑的一些要求。测试并验证整个电源系统的 性能。 关键词：GPU，LDO，开关电源，电源完整性 1 研究背景 无论是先进的
2、计算机、无线通讯设备，还是汽车电子产品，都体现了电源技术的优越 性。它已经成为当前集成电路产业发展中的一个热点，是一种必不可少的技术。现如今， 基于电源技术设计的电子产品已经普及到人们的工作、生活的各个方面，其性能价格比愈 来愈高，功能愈来愈强，市场竞争愈来愈激烈。计算机业也成为电源的一个非常重要的应 用场合，特别是针对计算机的核心部件，CPU和GPU 的应用。 在电源IC中，一个重要的发展分支为DC-DC变换器。DC-DC变换器顾名思义就是将 输入的直流电压转换成另一种输出稳定的直流电压。它是根据负载变化，调节内部电阻阻 值而实现的，有时也称其为直流斩波器。DC-DC变换器根据传输功率管的工
3、作方式，大 致可分为线性稳压器和开关型稳压器两大类。 开关型稳压器是一种离散系统，其内部的功率管工作在高频开关状态，导通电阻小。 当流过较大电流时，消耗在功率管上的功率很小，电源效率很高，可达到85以上。有时 也称它为“高效节能型电源”。现在已经成为稳压器的主流产品，开关电源技术的迅速发 展与市场领域的进一步扩大，顺应了电子产品市场的需要。但是开关噪声大是它的致命缺 点，大大限制了在低噪声、低纹波的模拟和射频领域的应用。而线性稳压正好相反，它是 个连续系统。效率低、功率管发热量大、输出总小于输入是它的缺点，但它有良好的线性 调整率、负载调整率、高电源抑制比、低噪声的优点，正好可以弥补开关型稳压
4、器的不足。 线性稳压器还因具有低的纹波电压而被广泛应用于对噪声、纹波要求很高的电子设备中。 随着纳米集成电路技术的飞速发展，在过去的几年里AMD和NVIDIA的显卡性能都有 了显著提高。显卡性能的提高要求为其供电的电压调节器更加精确和复杂，电源设计面临 的最大挑战是如何满足显卡更大功率，更小的电压容限以及更快的瞬态响应要求。GPU的 工作电压如果太低，由于固有的传播延时减慢，显卡无法满足最大时钟速度要求，相反如 果显卡的工作电压太高，可靠性和工作寿命就会成指数下降。对于现在的高集成度显卡芯 片来说，工作电压已经下降到1V左右，为了保持输出功率不变，输出电流能力要求大于 100A。对于这种大电流
5、的负载电路只能采用开关电源设计方案，但大电流如果集中在一 个通道输出将会加大元器件的负载并缩短其使用寿命，所以提出了开关电源的多相设计概 念，即多通道输出。电源设计者依据可用的空间和散热等因素确定所需的相数。传统 GPU需要采用1-2相的电压调节器，随着多相控制芯片和大功率开关管制作工艺的提高， 4相以上的开关控制器已成为中高端显卡设计的主流。多相数可以满足大电流带来的散热 和电磁辐射问题，但相数越多响应的控制环路设计也越复杂，布局占用的面积也越大。同 时采用多相设计必须考虑的是通道的均流问题，若流过某相电流过大，该相的元器件寿命 很快结束，直接影响显卡的运行，所以多相电压调节器的设计必须包含
6、能够主动均衡各相 电流的电路。 电源电路设计方面，目前显卡电源电路设计的主要模式是完全按照客户的要求执行的。 通常的做法是客户要求的情况下最小化成本，同时保证电源的高效性和稳定性，以保证电 源的最大利用率，降低电源原件的功率损耗，这种减少运行过程中的电损耗的设计理念， 不仅节省了显卡本身的用电费用，而且可以有效降低显卡以及计算机周围温度控制的难度， 延长硬件的使用寿命。 2 文献综述 2.1 前言前言 本文介绍了线性电源和开关电源的一般原理和实现方法，并将线性电源与开关电源进 行了比较。通过显卡各电源信号的实际需求来选用哪种设计方法，并对开关电源线路实现 试验与测试。 2.2 线性电源技术线性电源技术 低压差线性稳压器( Low Dropout Voltage Regulator，LDO) 是一种常用的电源管理电 路, 为噪声和稳定度要求较高的电路提供电源电压。LDO 电源管理电路具有体积小，成本 低，噪声低等优点，但带负载能力不强，效率相对开关电源比较低。 LDO系统由误差放大器、调整管、基准源电路、反馈电阻网络、过温保护以及限流保 护电路组成。当输出端因负载电流变化导致
