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显卡全接触

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发表于 2006-11-28 14:13:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
  显卡全接触
一块显卡上,除了GPU(图像处理单元)、显存、及各种外部接口,如:VGA、DVI、TV、金手指等以外,还有个最重要的功能 模块,即:电源转换模块,以及配套所用的电容。
  
  我们知道绝大多数显卡是由主板上的AGP插座供电的,本身没有电源补充,也没有电池等东西来供应所需的工作能量,由 显卡上的金手指通过电脑主板的AGP插座来获得所需的工作能量;对于部分高端显卡产品因为耗电很厉害,如:GeForce 6800等,通过主板上的AGP插座获取的能量已不能满足显卡的要求,于是,人们又想到直接由PC电源引入一组插头 来为显卡供电,如图所示。


显卡上的电力无论是通过AGP插座由主板上引入,还是直接由PC电源引入,这些电源的标准值均为:+1.5V、3. 3V、+5V及+12V,不可能正好符合显卡正常工作的电压值,因为一块显卡正常GPU核心供电要1.2V-1.4V,负载能力 10多安培(A),显存供电正常是2.5V,负载能力3~5A,接口驱动部分有的元件需要+3.3V,有的需要+5V,各不相同 ,而且随着GPU型号及显存型号的不同,上述前两项的工作电压还有些细微的差别,于是这就涉及到显卡上直流电源模块的设计问题。
  直流电源模块,它的基本工作原理是:当输入端的电压发生变化时,它都能稳定地输出一个预先设计的平滑的电压值,并可 带动一定的负载。
  一个理想的直流电源模块,应该满足以下几个方面的要求:1、转换效率尽可能高,至少要达到80%以上。2、带负载的 能力能够满足需求。3、输出端的纹波尽可能小。4、发热量尽可能小。5、所用的元器件尽可能少,满足成本控制的需求。
下面我们按照这5项要求,分别对显卡上所用到的电源模块进行介绍
  显卡上的直流电源模块通常分两大类:线性电源方式和开关电源方式。它们的工作方式都是采取降压工作方式,即:输出端 电压要低于输入端。线性电源模块由1支集成调节器件加上输入、输出端的电容所组成。集成调节器是它的核心,是由一只英文名为Re gulator的元件,实际上就是一只我们通常所熟知的稳压器。
  
  它分为固定输出(如:+2.5V、+3.3V等),及可调输出两大类;顾名思义,固定输出的线性电源模块的输出电压 是恒定的,设计时不能调整,可调输出的线性电源模块的输出电压是可调节的,它是通过调节2只外接电阻的阻值,通过一个固定的计算 公式,来获得理想的电压值。即,这个理想的电压值是由2只外接电阻的阻值之比来确定的,并可由一个理论的公式来进行计算。
  线性电源模块的输入端与输出端的压差通常只要大于1.5V即可正常工作,若大于1.5V太多,虽然也可以工作,但不 够理想。因为线性电源工作时输入输出端的压降都是由稳压器来承受,而稳压器通常都是把这个压降转化成了热量散发出去。这就是为什 么线性电源模块发热量大,工作效率低的缘故。
  
  但是,由于集成稳压器已经使用了数十年,大多数厂家生产的元件脚的功能定义、外形封装尺寸都是兼容的,因此采购方便 、供货及时。这就形成了线性电源固有的优势,即:工作稳定可靠,成本低廉。
  
  通常我们在一些低端产品上普遍使用线性电源,但近年来随着显卡工作频率的迅速提高,需要带动的负载越来越大,导致线 性电源模块发热量猛增,从而时常引起系统频繁死机,即使对产品加了散热片或风扇也是如此;发热量剧增还直接导致了电源模块的效率 下降。
  为了弥补线性电源的这些不足,人们将目光逐渐投向了开关电源模块。开关电源模块具有效率高(可达90%以上),发热 量小(或基本上不发热)的特点,但造价也相对于线性电源高了许多。
  开关电源理论上可分为升压工作方式(Step-up)和降压工作方式(Step-down)两大类,前者主要用于一 些手持式设备,如随身听、mp3等,我们知道两节普通电池的端电压最高只有3.0V,若是两节镍氢(NiH)或镍镉(Ni-Cd )充电电池则端电压最高只有2.4V,而手持设备的系统工作电压通常是3.3V,于是就需要使用升压工作方式的开关电源模块。
  
  近年来随着可充电锂离子电池价格的迅速下降,其以优异的能量密度比逐步取代了普通电池及镍氢等充电电池,锂离子电池 的工作电压范围是3.6V~4.2V,于是又需要使用降压工作方式的开关电源模块。

现在回到显卡的开关电源模块上,出于电脑主机实际供电情况考虑,显卡的开关电源模块通常均是降压的工作方式。开关电 源的核心是一个直流转直流的芯片(英文名是DC/DC),也有的公司命名为PWM(Plus Width  Modulator脉冲宽度调制器),再外接两只场效应管(MOSFET),及一只肖特基二极管、一只电感、数只L ow ESR电容等组成的滤波回路构成。

开关电源的基本工作原理是:PWM芯片产生一个宽度可调的脉冲波形,使得Q1、Q2两只MOS管轮流导通。当负载两 端的电压Vout需要降低时,MOSFET场效应管Q2导通,MOSFET场效应管Q1截止,外部电源供电断开,电感释放出能量 ,这时的电感就变成了电源继续对负载供电。

随着电感上存储能量的消耗,负载两端的电压开始逐渐降低;当负载两端的电压Vout需要升高时,MOSFET场效应 管Q1导通,MOSFET场效应管Q2截止,外部电源通过MOSFET场效应管Q1对电感进行充电并达到所需的电压值。

以此类推,在不断地充电和放电的过程中就行成了一种稳定的电压,使负载两端的电压Vout稳定在预先设定的值,这个 理想的电压值是由2只外接电阻的阻值之比来确定的,并可由一个理论的公式来进行计算。
  此外,由于MOSFET场效应管工作在开关状态,导通时的内阻和截止时的漏电流都较小,所以自身耗电量很小,避免了 线性电源串接在电路中的电阻部分消耗大量能量的问题。
由于此类电源模块总是有2只MOSFET场效应管工作在开关状态下轮流导通,开关电源的名字也由此而来。
  无论是集成稳压器,PWM,还是MOSFET场效应管,它们的实物外观上看去都差不多,看起来都是集成电路,那么如 何区分线性电源模块与开关电源模块呢?这里告诉大家一个简单的方法,即看板子上是否有那只大大的功率电感(有的板子还不止一只) ,若有,则毫无疑问,肯定是开关电源,若无则是线性电源。如下图所示:


衡量一个开关电源模块是否理想除了要测试它的输出电压的稳定性(随着负载和输入端电压的变化,输出端的电压变化越小越好),带负 载的能力以外,还有个最重要的指标:就是测量它输出电压的纹波值,这个纹波通常在数百毫伏以下,越小越好。
  
  因为开关电源模块本身固有的工作特点,在直接由MOS管端获得的输出电压V的纹波非常之大,几乎无法适用,为了获得 理想的直流电压,开关电源模块的输出端常有必不可少的滤波电路。
  
在滤波电路中,常常用到数只大容量的一种所谓Low ESR电容。Low ESR即Low Equivalent Series Resistance的英文缩写,直接翻译过来就是“低等效串连阻抗“之意,这种电容的Low ESR值通常在数十毫欧姆以下,这个值越低滤波的效果就越好。
下面,对容易引起大家忽略的一项重要的物料——PCB板,给大家做个介绍。
什么是PCB板?PCB板是英文Printed Circuit  Board的字头缩写,直接翻译过来就是“印刷线路板”之意,是电子设备当中必不可少的部件,它的踪迹几乎出现在所 有的电子设备当中,PCB的主要功能是提供各项电子元器件之间的相互电气连接。随着电子设备越来越复杂,需要的零件自然越来越多 ,PCB上面的线路与零件也越来越密集了。

最简单的PCB板是单面板,即,只有1层铜箔用于电子线路的信号走线,这在一些集成度相对较低的电子电气物体中普遍 使用,如:半导体收音机,音响系统的功放,电脑的电源等,现在它们也普遍使用2层铜箔用于电子线路的信号走线了,名曰双面板。

对于目前的微电子行业,因为元器件的集成度太高了,单面板或双面板几乎已经绝迹,现在普遍使用的是2层以上的多层板 ,如:4层板、6层板、8层板、10层板等等,板子的层数越多制造的工艺就越复杂,制造的成本也随之剧增,故目前行业内超过10 层板的PCB几乎很少。
  PCB板中多层板的命名方式是按照用于电子线路走线铜箔的层数来进行的,如:双面板有2层信号走线铜箔,4层板有4 层信号走线铜箔,6层板有信号6层走线铜箔,余可类推,多层板不同的走线铜箔之间,有绝缘层进行隔离,同一个电子网络在不同的走 线铜箔之间是通过过孔(VIA)来导通的。多层PCB板的信号走线铜箔层和绝缘层是通过加胶后,高温高压压合而成的。
也许有的朋友会问,为什么元器件的集成度提高了,单面板或多层板就不行了呢?就一定要使用4层板或6层板等等呢?
  道理是这样的,一个电子设备上面的信号网络不尽其数,同一个网络的所有结点都需要通过信号走线铜箔联在一起,每个电 子设备上面网络的联接结点最多的常常是电源网络及地网络,而每一个一个电子设备的集成度越高,信号网络的数量也就越多,但留给信 号走线铜箔的面积却在减少,为了提高PCB板的布通率,工程师于是想到了使用4层板以上的多层板来解决这个问题。
  
  4层PCB板,中间有2层走线铜箔专门用来做电源层和地层,这样PCB板上的电源网络及地网络布线时就可以不必特别 去关注,只要将板子上的其它电气网络布通以后,在将各个结点的电源网络及地网络分别联到电源层和地层即可,从而大大地降低了PC B的设计难度。
  某些特别复杂的PCB板,用4层板还是不能布通,于是工程师们又想到用6层板来进行设计,6层板是在4层板地基础上 又增加了2层信号走线铜箔,8层板则是在6层板地基础上又增加了2层信号走线铜箔,余可类推。
  使用多层板,因为电源网络及地网络是专门的一层铜箔,电源网络及地网络可以承担更大的负载电流,屏蔽掉更多的噪音, 故可以极大地提高整个系统工作的稳定性。
我们知道显卡是PC上的重要部件,是运行3D画面不可缺少的东东。当然,有朋友也许会问,很多主板上都集成了显卡啊,装机时我为 什么还要再花宝贵的银子额外购买一块显卡呢?是不是太奢侈了啊?是不是”奸商”骗我啊?要回答这个问题, 请各位看看以下我们对显卡的大致介绍,就会明白玩家购买高性能显卡的必要性了。


请对照显卡实物,中间那颗四四方方的家伙,就是GPU,是英文Graphics Processing  Unit的字头缩写,直接翻译就是“图像处理单元”。是显卡上面最重要最昂贵的元件,别看这个家伙貌不惊人,但却集 成了数千万颗晶体管,  GPU就犹如主机板上的CPU一样,用于处理各类图形数据,从而实现优美图形的显示。一颗强劲的GPU能让你体验梦 幻般的场景,有如身临其境。

以NVIDIA公司发布的最新GPU NV40(GeForce 6800  Ultra)为例。据言,NV40集成了2.22亿颗晶体管,一点不亚于CPU的集成度。NV40的核心频率工作频 率为400MHz,显存的工作频率为1100MHz。是业界目前首个支持DriectX 9 Shader Model 3.0的GPU,并具有16管线平台,效能超强。
显存位宽的意义以及计算方式
  围绕着GPU上方和右方的就是显卡的另一个重要器件――显存。它对整块显卡的性能有着举足轻重的作用,大家要引起重 视哦!
  显存,顾名思义就是显示缓存,主要作用就是完成显示图形数据的临时储存,这些数据包括已经处理和将要处理的数据,并 且显存还要保证供给GPU处理的图形数据是以其需要的速度在进行传送的,所以性能越强劲的GPU对显存的要求也越高。
  衡量显存的指标有两个:频率和位宽。频率就是所能处理的速度,也就是与GPU交换数据的速度,单位是ns或MHz( 换算公式:1ns=1000/1 MHz、2ns=1000/2  MHz,以此类推);位宽就是交换数据时的“通道”,单位为bit。显存的频率越快,通道的数量越多,可以同时处理 的数据量就越大,整块显卡性能就越好。
对于这点,有的朋友也许会说,你说的这么专业,我还是听不懂啊?那么让我们举个例子来说说吧。

频率低(20公里)、位宽小(路窄),车子开不快

路面又好又宽,车子自然能开得更快
假如我们把显存与GPU打交道的数据通道比做一条高速公路,而把在数据通道上跑的一个个数据,比作高速公路上面跑的一辆辆汽车的 话,那么显存的频率就好像是这条高速公路允许的设计速度。设计速度越高,说明这条高速公路的性能越好,车子就可以跑得越快。而显 存的位宽呢,就好像是这条高速公路的设计宽度,什么双向4车道啊,双向6车道啊,以及双向8车道啊等等,那么当然是车道越多,允 许同时通过的车子就越多喽。
  显卡位宽的计算方法是:单颗显存的位宽×显存颗粒总数,而显卡的工作频率则是由显存颗粒出厂时标注纳秒数的倒数来计 算的。显存带宽与显存位宽以及显存频率之间存在一个关系式:
SDRAM显存带宽=显存工作频率(MHz)x总显存位宽(bit)÷8
DDR SDRAM显存带宽=显存工作频率(MHz)x总显存位宽(bit)x2÷8
  在同等频率下,位宽大的产品的性能表现胜过位宽小的产品。当然提高显存频率也是一种解决方案,不过其效果并不如提升 位宽那么明显,而且会大幅度提高成本。
认识显存的三种封装形式
显存从封装上来说通常有三种:TQFP(Thin Quad Flat Package,小型方块平面封装)、TSOP(Thin Small Out-Line Package,薄型小尺寸封装)和mBGA(Micro Ball Grid Array,微型球栅阵列封装),其外观分别如下图所示:



mBGA
由于TQFP封装形式的工作最高频率在200MHz左右,目前已经逐渐被TSOP和BGA所取代,所以重点给大家介绍TSOP和 BGA这两种显存,那么这两种显存有什么区别呢?
  首先,mBGA显存信号传输延迟小,频率上限比TSOP的要高,目前最高可达1GHz,而TSOP只能达到400M Hz左右,mBGA通常用于高端产品。其次,单颗mBGA的位宽要比单颗TSOP的大,通常都是32bit的,而TSOP最高只 能达到16bit。举例来说,最新的NV40其显存位宽已达256bit,通过计算可知需要8颗mBGA的显存。再次,封装的不 同导致这两种显存的引脚性能不一样,TSOP的引脚外露,容易受到各种杂讯干扰;最后由于制造工艺的问题,mBGA的成本要比T SOP高,这也是其用于高端产品的一个因素。

DDRII显存颗粒

DDRIII显存颗粒
显存从类型上来说目前主要有以下几种:SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存取存储器)、DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM双倍速数据传输同步动态随机存取存储器)、DDRII/III SDRAM。
SDRAM只能在一个时钟周期内进行一次数据读写,而DDR SDRAM则可以在一个时钟周期的上升和下降沿各进行一次数据读写。因此在频率和位宽相同的情况下,DDR SDRAM显存是SDRAM显存数据传输速度的两倍。DDRII SDRAM是由于新款GPU需要高数据带宽而采用的,是DDR SDRAM的升级产品,它具有更低的功耗、更高的频率、更小的延迟时间、更小的封装、以及最重要的高带宽。
认识显卡的“金手指”与电源接口
  位于GPU下方,PCB板边缘的一排金黄色物体就是显卡与主机板连接的桥梁,目前主要使用AGP接口规范,未来将使 用PCI-E接口规范,以满足越来越多的数据交换的需求。由于显卡可能会需要经常插拔,为了保证其良好的电气连接特性,故每片显 卡的此接口都需要进行镀金处理,俗称金手指。

AGP

PCI-E
显卡不仅通过此桥梁与主机板交换数据,同时它也是显卡从主机板获取电力能源的通道。

标准4芯电源接口

非标准6芯电源接口
  随着显卡功耗的不断增大,仅仅通过这个金手指获取电能已经越来越不够了,于是就有了外接主机电源上的标准4芯或非标 准6芯电源接口,当然目前需要这个接口的还只是在高端显卡上才存在。
显卡上各个电路和芯片的作用
下面再给各位介绍以下显卡上其它的电子元件,如下图中所示:

1、GPU核心电压转换电路,是由1个电源芯片+2个MOS管+6个贴片大电容+大个的黑色方体电感所组成,这里用 的贴片大电容一定要选用LOE ESR的电容,以保证此电源转换电路具有较高的工作效率,较低的发热,为GPU提供纯净而稳定的核心电压(LOW ESR,即Low Equivalent Series  Resistance,直接翻译过来就是“低等效串联阻抗”,这种电容的等效串联阻抗值通常在20-30个毫欧姆以 下。);
2、显卡的BIOS芯片,通常是一颗闪存,它存储了显卡的一些基本的配置信息及驱动程序;
3、显存电压转换电路,是由1个稳压芯片+2个贴片电解电容组成,为显存提供所需电能。  
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