以数量取胜：剖析P55多相供电设计
技术空间
尽管新一代的Core i5 CPU的性能已经提升不小，但DIY用户对于性能的渴望是没有止境的，高频的应用必然会对P55主板的供电提出新的要求，因此各个厂家都想尽办法，来进一步提升主板在正常环境下以及超频环境下的稳定性，供电电路的相数规模得到进一步扩大。有的P55主板采用了多达24相供电，甚至还有32相供电，这比主流主板采用的3相、4相供电可多得多。如此多相的供电有意义吗？我们邀请微星技术部顾问崔老师来谈谈最新的P55主板在供电电路方面的知识。
微星技术部顾问：崔庆礼
个人简介：1970年毕业于北京大学信息管理系，从1978年起在辽宁省科技情报研究所从事计算机情报检索系统研究。
1995年联合国教科文组织情报研究班毕业。
1998年受邀到微星技术部担任技术支持工程师，现为技术部顾问。
P55为何采用多相供电？
1.“多相”适合高端用户
通常用户在观看一款主板时，总会首先关注该主板采用了几相供电，它成为了主板“外观”上的重要规格之一，现在的很多高端主板也都宣称采用了多相供电。是什么原因造成了32相供电主板的出现？主要还是得益于P55一改以前北桥+南桥的双芯片设计，在把整个北桥移到CPU内部后，仅剩下了一颗PCH（平台控制管理中心）芯片。当P55主板拿掉北桥后，节约了约4cm x 4cm的空间面积，于是厂家可以将CPU插座向主板中心移动，从而腾出它右边的位置，就增加了CPU供电部分的空间。
供电电路呈L型分布在CPU的右边，PCI-E模拟开关占据了取消北桥后左边腾出的空间。有了大量空间后，MOSFET、电感、电容不再拥挤，布线空间宽松，线迹、线距都可以适当放宽，有利于信号的稳定。主板厂商利用这些空间可以设计安放更多的供电电路，这样的最终结果就是既有利于元件的安放，又有利于MOSFET散热，进而可以提供更纯净更稳定的电流。尤其是对于超频和高频CPU而言，主板上的多相供电模块就显得更为重要，这部分设计恰恰是高端用户最为关注的。
2. “豪华”保证高频稳定
多相供电所用的电感、电容等元件要比普通3相、4相供电的多得多，一些用户看到这些夸张的豪华用料时，会认为Core i5又是耗电大户。而且人们会以为，整合了处理器、图形和内存控制器，这样的CPU功耗一定会成倍增加。其实恰恰相反，功耗反而降低了，而且降低的是无用功耗。要知道，Lynnfield Core i5系列的热设计功耗是95W，比Bloomfield Core i7降低了35W。
在一般负载下，CPU需要的电流在20A~60A，满负载为100A，空载为3A~5A。Lynnfield Core i5的最大电流为100A，P55主板的供电设计提供120A，足够CPU使用，而且已经为超频提供了冗余电能。X58的供电设计要提供150A电流，比P55供电要高30A。因此P55的CPU供电功率低于X58，而P55主板仍然采用10相以上设计的主要原因还是为了保证Core i5在高频下更稳定地工作，特别是在高端平台上，稳定性是至关重要的。
CPU供电电路剖析
1.供电电路的组成
CPU供电电路决定了系统的主要稳定性，它由电感、MOSEFT（场效应管）、电容以及PWM（脉宽调制芯片）、Driver IC（驱动芯片）等5种元件组成。其中电感、MOSEFT和电容是执行元件，PWM和Driver IC是控制元件。CPU供电相数是衡量一款主板是否偷工减料的重要指标，很多用户只看有几颗电感就确定是几相供电，看每相有几颗MOSFET，然后看有多少颗电容，是电解电容还是固态电容。不过这种方式仅仅是看到CPU供电电路的局部，其实PWM和Driver IC也是必须关注的重点。
PWM是CPU供电路的核心元件，CPU上有电压识别针脚，这些针脚的编码代表CPU核心的工作电压。主板上有专门的CPU VID识别电路，当开机加电时，首先给CPU VID识别电路加电，读取CPU VID针脚的编码，判定CPU核心的电压，将VID电压编码送到PWM的识别电路，PWM依据CPU VID编码确定脉冲宽度输出给Driver IC。PWM芯片还有电压监控模块，负责监控CPU的工作电压和电流，以便调整输出的脉冲宽度来控制电压，防止电压过大，保护CPU。现在的PWM还有CPU电流监控的作用，可以依据CPU的负载调控MOSEFT的工作频率，以便节能。
Driver IC给MOSEFT的控制极（栅极）加高电压信号，MOSEFT就导通；加低电压信号，MOSEFT就断开。Driver IC给MOSEFT的高/低信号就是一个脉冲式的信号，上MOSEFT导通后，电感的输出电压从0V上升到1.2V需要一定的时间，高电压信号就要维持这段时间，同时Driver IC给下MOSEFT的低电压信号也要维持相同的时间，这段时间叫做脉冲宽度。脉冲宽度决定了供给CPU的输出电压高低。脉冲越宽，电压就越高，反之电压就越低。
MOSFET场效应晶体管起“开关”作用，允许或阻挡电流通过，通过“开关”的时间长短改变电压。电感存储能量，把MOSFET送过来的电能转变为磁能储存。电容存储电能，供CPU用，并有滤波作用，使电流平滑稳定。
2.多相供电的原理
多相供电就是让每相能够平均分摊电流供给CPU使用，这意味着每相只需要提供更小的电流，它带来的好处是大大降低负载，降低元件上所消耗的功耗，使用更为稳定、可靠。可以保证用户在超频的情况下也能安全提供更大的电流，超频能力也有一定程度增强。
比如4相供电电路采用的PWM芯片必须至少支持4相，有4路PWM输出，可以调控4颗Driver IC，驱动4组MOSEFT和电感工作。4相是按一定的时间顺序从1~4轮流工作的，也就是说当有1相在工作时，其余的3相是在“休息”。
3.多相供电的实质
在工作的时间顺序上不一致，存在时间差，这就叫做“相”。如果有“2相”时序相同，那该电路就是 1相供电的，所以决定供电相数的是PWM是几相供电，也就是说有几相PWM输出。现在的PWM设计比较灵活，可以减少PWM输出相数。比如在6相PWM驱动信号电路中并联两组MOSEFT和电感，就变成“12相”供电。又如4相PWM通过4路单刀双掷开关芯片就变成了8相，从电感或Driver IC上看都是8颗，被认为是“8相”，但这种方式实际上是4相一组轮流工作的。
PWM可以说是供电电路的“CPU”，会对每相的电流进行检测，如果出现电流分配不均匀，PWM会采取各种措施平衡各相电流。但是由于各主板厂商用的PWM主控芯片不同，性能不一，为了降低成本没有按照标准的电路设计，不合理的电路和元件就是造成主板发生故障的根本原因。
多相设计为了更节能
在主板的发展中，节能是一个重要方向。现在不少主板采用的节能技术就是通过减少CPU的供电相数来降低功耗。因为CPU在闲置时不需要太高功率，每相的供电功率会降低，如果灵活关闭其中的一相或者多相使供电集中在剩下的供电相数上，可以降低不必要的功耗损失。
多相供电还有一个好处就是可以将功耗平均分配在各个供电相位上，相数越多每一相所承担的功耗就越少，每一相的供电压力就越少。以120W的CPU为例，如果采用5相供电每相要承担24W的功耗，如果采用10相供电，每相的功耗就会降低一半只有12W，每相的供电压力降低，每相里面的MOSEFT的发热量也自然降低，可以更加稳定运行。
也有用户认为，多相供电增加了元件，就增加了阻抗，会更耗电，而厂家在设计中也注意到了这点，采用了一系列低阻抗的元件，整体供电电路的阻抗大小得到控制，从而也达到了降低电路温度的目的。
小结
设计P55的多相供电所面临的困难之一便是合理分配各相电流，如果某相电流严重地不成比例，会加大元件的负荷并缩短使用寿命。实际上，所有多相PWM都包含了能够主动均衡各相电流的电路，如果CPU供电发生变化，就会自动调节每相电流的电路，使得电流和电压不会产生大的变化，保持稳定平滑的供电。
多相供电是主板发展的一种趋势，尤其是在单芯片的P55简化后，这些变革能让发挥空间越来越小的厂家有机会设计出吸引用户关注的产品。同时在多相供电方面，厂家也在研发着自己的一系列特色技术，如微星集成Driver IC的MOSFET（DrMOS）、映泰采用DirectFET封装的MOSFET、华硕采用LFPAK封装的MOSFET等……在将来，主板的多样化发展不断进行着，我们仍然能领略到风采各异的主板。