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游戏显卡进阶篇---显卡供电回路电子元器件用料大揭秘

电脑零学网 Www.pc0.Com 时间:2014-8-4 10:08:27 浏览:

2014年炎炎夏日,一出门就像热锅上的蚂蚁一样,汗如雨下啊,半年前我们曾经发过机电/SSD/键盘的帖子,这次讲一下人机交流的最重要设备之一:显卡

本文分四部分进行:显卡理论/专业绘图卡,显卡的技术参数,显卡的电子元器件,显卡渠道篇。(本来第四部分要写X宝以及海淘渠道篇,但是涉及到可能会有广告的嫌疑,在此免了)

第一部分:显卡理论知识/专业绘图卡

显卡,显示接口卡Video card或Graphic card,又叫显示适配器Video adapter,是计算机最基本配置之一。

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显卡将计算机系统需要的显示信息进行转换驱动,并向显示器提供数据信号,控制显示器正确显示,是连接显示器与PC的重要元件,是人机对话的重要设备之一。显卡作为电脑主机里一个重要组成部分,承担了输出显示图形的职责,对于从事设计和专注于玩游戏的用户而言,显卡非常重要,而在科学计算领域,显卡被称为显示加速卡。民用和军用显卡图形芯片供应商主要包括AMD(超微半导体),Nvidia(英伟达),而INTEL的核显占据了最大的份额。

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显卡的分类:显卡按集成度分类可分为:独立显卡,核显(INTEL将CPU和GPU封装在一起),APU(AMD将CPU和GPU集成在一块晶片上,相互融合,两者互相协作,所以APU也叫融聚处理器),集成显卡(主板集成显卡已被市场淘汰)。按用途分类可分为:家用游戏卡,专业绘图卡。

家用游戏卡和专业绘图卡的区别

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有人认为将Geforce通过各种软件修改为Quadro就能得到一张专业的图形卡,这张修改来的图形卡在OpenGL方面的表现的确有了明显的提升。但这就是专用图形卡的全部吗?答案绝对是NO。

1.专业图形卡与游戏卡在图形处理器硬件设计中采用不同的理念。游戏卡目前虽然可以很好地支持各种OpenGL和Direct3D游戏,但是它们更多地专注于游戏中需要的那些功能。为节约成本,对于在游戏中明显不会用到的功能是不会在硬件中予以支持的(WWW.PC0.COM)电脑组装。而专业图形卡面对的是专业图形图象软件,往往更多的时间是在显示模型在创建和编辑状态中的情形,因此线框模式,阴影模式下的性能也是至关重要的,各种专业软件所涉及到的功能都应该在硬件上予以支持。另外,从性能上来说,游戏运行需要足够快的速度,而且游戏的场景往往不太复杂,因此游戏的性能瓶颈大多出现在像素或者纹理处理速度上;专业应用中,像3DMAX场景建模/渲染,复杂的机械/模具图CAD/CAM/PRO-E/UG,影视用三维动画MAYA等应用领域往往会遇上非常大规模的模型和许多光源,因此专业卡的几何与光线处理能力是至关重要的。

2.专业图形卡与游戏卡在驱动程序上也有本质区别。游戏卡在驱动程序中只需要对游戏中常用到的部分OpenGL函数能够提供很好支持就OK了,而专业图形卡由于面向广域的专业图形应用软件,所以它必须要能够对所有OpenGL函数都予以支持。这也是为什么在游戏中性能很好的游戏卡,在运行专业图形软件时经常会出现性能剧烈下降的现象的原因。

3.专业卡和游戏卡在应用软件的兼容性方面有许多重大的区别。专业卡的驱动程序完全针对OpenGL的所有函数进行优化,同时,针对各个不同的应用程序的特别之处采用专门的解决办法,如在驱动程序里面提供各种主要软件的优化设置选项,提供专门的驱动程序。而游戏卡在这方面没有采取任何措施,因此采用游戏卡来运行专业软件的时候经常会出现各种奇怪的兼容性问题,如显示错乱,性能突然下降,画面卡屏以至于死机,等等问题。专业卡在硬件和驱动方面经历了最严格的测试,稳定性更胜一筹。

我的专业,模具CAD/CAM/UG/PRO-E

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第二部分:显卡的技术参数

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第三部分:显卡供电回路的用料

华硕角斗士GTX760:

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凄惨红iGAME660烈焰战神X:

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微星闪电GTX780:

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显卡供电回路中最重要的电子元器件:PWM主控,MOS管,电感,电容

1.电容:

任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体或导线之间都形成一个电容器。电容是最常用的,最基本的电子元器件之一,它在电路中起到隔直通交(正因为通交,才能把交流成分通向地,保留直流成分),滤波,耦合,去耦,旁路,能量转换和延时的作用。

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电容的作用

隔直:阻止直流通过而让交流通过(串联,滤除低频)

旁路/去耦:为交流电路中某些并联元件提供低阻抗通路。

耦合:作为两个电路之间的连接,允许交流信号通过并传输到下一级电路。

滤波:将整流以后的锯齿波变为平滑的脉动波,接近于直流(并联,滤除高频)

计时:电容器与电阻器配合,确定电路的时间常数。

调谐:对与频率相关的电路进行系统调谐。

整流:在预定的时间开/关半导体开关元件。

储能:存储电能,必要时释放。

温度补偿:针对其他元件对温度的适应性不够带来的影响,而进行补偿,改善电路稳定性。

打个比方,其实电容就是个水库,它让流入水库的有波浪的水,变的很平稳。

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电容的分类:

电容根据介质不同,可分为陶瓷电容/瓷介电容,云母电容,纸质电容,薄膜电容,电解电容。

陶瓷电容(<5000皮法):以高介电常数,低损耗的陶瓷材料作为介质,体积小,分布电感小(何谓分布电感?比如电容的两层薄膜卷起来,这种卷起来的结构在高频时都具有一定的电感,它对电路的影响等效于给电路串联上一个电感器,这个电感值就是分布电感)。

瓷介电容(10皮法~5微法):陶瓷电容做成管状,而瓷介电容做成片状,所以也叫瓷片电容。它是用高介电常数陶瓷(钛酸钡一氧化钛)挤压成圆片/圆盘作为介质,并用烧渗法将银镀在陶瓷上作为电极制成。

云母电容(<5000皮法):以云母片为介质,在云母片上喷涂银层为电极板,将电极板和云母一层层叠合并封固于环氧树脂之中。高频性能稳定,高精密,介质损耗小,漏电流小,耐压高(500伏~几千伏),缺点是温度系数小,绝缘电阻大,容量小。

纸质电容(5000皮法~1微法):电极用铝箔/锡箔制成,绝缘介质是浸蜡纸,相叠卷成圆柱体,外包防潮物质,外壳采用铁壳提高防潮性,价格低。

薄膜电容(500皮法~5微法):用两片金属箔做电极,夹在极薄绝缘介质中,卷成圆柱形或扁柱形,介质用聚苯乙烯,聚四佛乙烯,涤纶等有机薄膜来代替纸介质www.pc0.com-电脑配置报价,优点是精度高(介电常数高),损耗角正切小,绝缘电阻小,适应温度范围广,温度特性好,体积小。缺点是容量价格比/容量体积比;适宜做旁路电容。

电解电容(>1微法):以铝,钽,钛等金属氧化膜作为介质,容量大,稳定性差(正负极不可接错)。

(瓷介电容,薄膜电容,电解电容占据了市场份额的99%)

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电解电容是以金属箔为正极(铝或钽),与正极紧贴金属的氧化膜(氧化铝或五氧化二钽)是电介质,负极由导电材料,电解质(液体或固体)和其他材料共同组成电脑零学网,因电解质是负极主要部分,电解电容因此得名。电解电容一般用来滤波,用在整流桥的后面。

电解电容容量大,耐压高(耐压越高体积越大),常用于交流旁路和滤波,它的缺点是容量误差大,且随频率波动而波动,绝缘电阻低。电解电容有正负极之分(一般电容器外壳有+-标记,若无标记,则引线长的为+,引线短的为-)。电解电容正负极一旦接反,电解作用会反向进行,氧化膜很快变薄,漏电流急剧增加,电容器很快发热甚至爆炸。

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铝电解电容:由铝圆桶做负极,里面装有液体电解质,并插入一片弯曲的铝带做成正极,经过直流电压处理,使得正极片上形成一层氧化膜作为介质。容量大,漏电大,稳定性差,有正负极性,适合于低频电路和电源滤波。

钽电解电容:钽电容分两种:钽二氧化锰电容,钽聚合物电容。钽电容使用金属钽做为介质,在钽金属表面形成一层极薄的五氧化二钽膜。这层氧化膜形成了内部电极。在钽电容工作时,具有自动修补或隔绝氧化膜中的瑕疵点的能力,使得氧化膜随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力,而不致于遭到连续累积性破坏。这种独特的自愈性,保障了其长寿命和可靠性的优势。钽电容有标记的一端是正极,另一端是负极,不可接反。

钽电容有三家厂商比较知名:美国KEMET,美国AVX,日本三洋(被松下兼并)。三洋的钽聚合物电容是黑色的;KEMET的钽聚合物电容很好识别,最上方标志KO,KM,KT,FD。而HT是高温钽二氧化锰电容(HT是黑色);AVX只有TCJ系列是钽聚合物电容,电容上面标示A字LOGO和J字。

美国KEMET聚合物钽电容以及结构图:

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固态电容:全名固态铝质电解电容,它与液态铝电解电容不同之处在于采用了不同的介电材料,固态电容为导电性高分子,铝电解电容为电解液。固态电容因为采用导电性高分子作为介电材料,该材料不会与氧化铝产生作用,它具备低阻抗,高低温稳定,耐高纹波等特性。耐温260度,导电性,频率特性,寿命俱佳,适宜于低电压高电流的应用。固态电容因为低频响应不如液态电解电容,所以它不适合用于声卡。

固态电容结构图:

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日系厂商固态电容的分辨:

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各个种类的电容应用于不同的场合

电解电容:滤波,退耦电路,隔直;

有机薄膜电容:谐振电路;

涤纶电容:隔直;

云母电容:高频高压电路,谐振电路,隔直;

陶瓷电容:高频高压电路,谐振电路;

钽电容:高频高压电路。

电容的主要参数

1.标称电容量(C R):当一个电容器携带1库伦电荷量时,两极间电势差为1伏特,那么这个电容器的容量就是1法拉。法拉这个单位太大了,我们一般都是以微法和皮法来表示:1法拉(F)=10的6次方微法(uF);1微法=10的6次方皮法(pF)(当标注中省略单位时,默认单位为皮法)。

2.耐压值(额定电压 U R):当一个电容长期可靠的稳定工作,它所能承受的最大直流电压,就是电容的耐压值。一般工作电压靠近耐压值的80%以内为最好,当实际耐压值在标称耐压值的1.2倍,那么这个电解电容就算合格品了。

3.温度系数:在一定温度范围内,温度每变化1度,电容量的相对变化值,温度系数越小越好。

4.损耗角正切(tgδ损耗因数):电容器的损耗功率除以电容器的无功功率=损耗角正切。在实际使用中,电容器并不是一个纯粹的电容,其内部还有等效电阻(RS),RS越小,损耗功率越小,损耗角正切越小,电容器发热越小。

5.串联等效电阻(ESR):理论上,一个完美电容,自身不会产生任何能量损失,但是实际上,因制造电容的材料有电阻,电容的绝缘介质有损耗,使得电容并不完美。这个损耗在外部,表现的像一个电阻跟电容串联在一起一样,所以名为等效串联电阻。ESR越小越好,钽电容的ESR<100毫欧,而铝电解电容的esr>100毫欧。

6.使用寿命(温度升高,寿命缩短)

7.绝缘电阻,用来表面漏电大小,绝缘电阻越大,漏电率越小(温度升高,绝缘电阻降低)

8.频率特性,电容器的电参数随电场频率变化而变化的性质。

标示法:

1.直标法:电容表面直接标称容量和耐压:例如4.7uF/16V,此电容的标称容量为4.7微法,耐压值为16伏,但是当电容受体积的限制,其表面不标注单位,那么数字小于1时,默认单位为微法PC0.COM您的电脑专家团,数字大于1时,默认单位为皮法。

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2.文字符号法:用2~4位数字加一个字母表示标称容量,其中数字表示有效数值,字母表示数值的量级。字母为m(毫法),u(微法),n(毫微法),p(皮法)。比如47n表示47毫微法=0.047微法;字母有时候也表示为小数点:比如:3u3表示3.3微法,2p2表示2.2皮法;另外还有在数字前面加R,R表示小数点,比如R22表示0.22皮法;最后一种就是2位数*10的第3位数次方倍:比如473即47000皮法=0.047微法(4和7为有效数字,3表示添加3个0或者说10的3次方)。

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3.色标法:类似于色环电阻的标示方法(单位默认皮法),用不同的颜色表示不同的数字。(下表为电感,电容,电阻通用)

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国际知名电解电容厂商

日系:日化(NCC),三洋(Sanyo,已被松下吞并),富士通(Fujitsu,已被尼吉康吞并),尼吉康(Nichicon),黑金刚(Nippon Chemi-con),红宝石(Rubycon),松下(Panasonic),日立(Hitachi),埃尔纳(ELNA);

台系:立隆(LELON),冠坤(SUSCON),智宝(TEAPO),丰宾(CAPXON);

港系:万裕(SAMXON);

国产:华裕,青佺,绿宝石,中元,华威,讯达;

欧美系:ELEBASIC,ITEDCON,KENDEIL,CDE,BHC,EVERALPHA。

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2.MOS管:

MOS管的英文全称叫做MOSFET(metel Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),即金属氧化物半导体场效应晶体管,是一种可以广泛应用于模拟电路和数字电路的场效晶体管。在板卡的供电电路中,扮演着判断电位的角色(导通/隔离)。它对于整个供电系统而言起着稳压的作用。

MOS管的隔离作用,其实质也就是实现电路的单向导通。但是我们在单向的电路(A流向B)上加入一个二极管也可以起到阻止B反向流向A的隔离作用,为什么我们还要用复杂的MOS管呢?那是因为使用二极管导通时会有压降(损失一些电压)。而使用MOS管做隔离,在控制极(栅极)加合适的电压(NMOS),可以让MOS管饱和导通,这样通过电流时压降几乎为0。

MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET,在此不提),MOSFET分为增强型/耗尽型,P沟通/N沟通(通道极性)共四种,但是实际应用中只用到增强型N沟通/增强型P沟通的MOS管(NMOS/PMOS),而最常用的是NMOS,导通电阻小,且容易制造。

增强型和耗尽型:耗尽型MOS管在不加栅源电压时漏极和源极为耗尽层不能导通(栅源电压只能正向),而增强型MOS管可以导通,栅源电压可正可负。

MOS管必须和电感线圈、电容等共同组成滤波稳压电路,才能发挥充分它的优势。

如何分辨MOS管的S极/G极/D极,P/N沟通以及输入端/输出端怎么接:

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原则:输入端到输出端的电流方向,必须与寄生二极管方向相反:

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MOS管的封装形式分为两大类:插入式和贴片式。

常见的MOS管的封装形式:TO封装(常见的D-PAK和LF-PAK),SOT封装(常见的SOT-89四引脚封装),SOP封装(常见SO-8),QFN封装(QFN56封装的无引脚整合IC之DrMOS封装),DirectFET封装。最后两种封装是大势所趋。

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MOS管的重要参数:最大电流(能承受的最大电流),最大电压(能承受的最大电压),导通电阻(导通电阻越低电源转换效率越高)温度(所能承受的温度/封装本身的散热能力)

MOSFET主要厂商:仙童半导体,国民半导体,意法半导体,NEC,AOS,IR,安森美。

在这里只详细说一下仙童半导体,也称飞兆半导体。1955年追随“晶体管之父”肖克利创办“肖克利半导体实验室”的八位年轻科学家:诺伊斯,摩尔,布兰克,克莱尔,赫尔尼,拉斯特,罗伯茨,格里尼克因为与不善经营和管理的肖克利发生冲突,八人一起辞职离开了实验室(肖克利称他们为“八叛徒”),1957年八叛徒投奔纽约费尔柴尔德摄影器材公司(费尔柴尔德意译“仙童”)。这就是仙童半导体的母公司。1958年IBM给了他们第一笔订单:100个硅晶体管。之后仙童半导体一举成为硅谷成长的最快的公司。1959年仙童与德州仪器的基尔比一起成为集成电路的发明者(法院判决集成电路为一项同时的发明:德州仪器基尔比为第一块集成电路发明家,而仙童诺依斯为工业大规模生产集成电路理论奠基者)之后仙童的摩尔提出的摩尔定律家喻户晓。60年代,仙童进入黄金时期,年营业额2亿,但是母公司费尔柴尔德摄影器材不断的把仙童的利润转移过去,之后八叛徒相继出走成立自己的公司:阿内尔科公司,西格奈蒂克斯半导体。而之后加入仙童的新人,在成名之后也都相继离开仙童,例如:桑德斯离开仙童之后创办AMD。1968年,八叛徒之中最后的两名科学家:诺依斯和摩尔,也脱离了仙童自立门户,创办的大名鼎鼎的英特尔。“仙童半导体”就好像是成熟的蒲公英,一吹它,创业精神的种子就随风四处飘扬。

仙童之后经历了数次出售和并购,直到1996年庞德令仙童起死回生,得到了一家风险投资公司的资助,恢复了中立的身份。之后成功转型电视,音频和其他领域,向消费电子制造业挺进。正所谓:“成也萧何败萧何”仙童的成功与失败,辉煌与沉沦都是因人才所致。

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3.电感:

电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件,电感器的结构很像变压器,但它只有一个绕组,电感器具有一定的感抗,它只阻碍电流的变化(注意是阻碍,不是阻止)。当电流过大时,电感器将过剩的电流以磁能的方式储存起来,当电流过小时,电感器又将储存的磁能转化为电能释放出来。最简单的一句话概括就是“阻交流通直流,阻高频通低频”(正好与电容倒过来)(电阻既可以通直流也可以通交流)

电感阻值:R=2∏fL (f为交流电频率,L为自感系数)

所以电感作用是:通直流、阻交流、通低频、阻高频。 

电抗阻值:R=1/(2∏fC) (f为交流电频率,C为电容)

所以电容作用是:通交流、阻直流、通高频、阻低频。

电感与电阻都是被动元件,但他们的本质区别,电阻是当电流变大时阻止部分电流流过,将电能转化为热能(消耗了电能);而电感在电流变化时产生自感电动势来阻碍电流变化(不消耗电能)。电感的感抗只是表征了电感元件对于电流的阻碍作用,这种阻碍不消耗电能,只能推迟电流流过电感元件的时间。当电流过大击穿了电感,它就变成了电阻。

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电感是由骨架,绕组线圈,磁芯与磁棒,铁心,屏蔽罩,封装材料六部分构成。

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电感的主要作用是储能,滤波,聚焦,偏转,延迟,补偿,与电容配合起到调谐,陷波,选频,振荡的作用。

电感的主要参数

电感量,它是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。单位亨利,1亨利=1000毫亨,1毫亨=1000微亨(电感量的大小取决于线圈匝数,绕制方式,有无磁芯以及磁芯材料)。(电感量可以从电感顶端表面上的数字字母组合看出来,比如1R0=1微亨,R30=0.3微亨)

品质因素,也称Q值或扰值,它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高,损耗越小,效率越高。

额定电流,是指电感器在允许的工作环境下所能承受的最大电流值(电流过大时会影响电感的工作参数,甚至击穿电感)

分布电容,是指线圈的匝与匝之间,线圈与磁芯之间,线圈与地之间,线圈与金属之间存在的电容。分布电容的存在会使得线圈的等效总损耗电阻增大,品质因素Q降低,所以分布电容越小,稳定性越好电脑配置网www.pc0.com

我们知道电容的构造是相距很近的两个相互绝缘的导体,那么几乎所有的电路元件都存在着分布电容,分布电容就是元件与周围所有导体或元件所形成的效应电容,尽量避免分布电容的产生/减少分布电容的解决的办法是让所绕制的线圈,其平面不与旋转面平行,而是相交成一定角度。

电感的分类:

按电感形式分类可分为固定电感,可变电感;

按封装分类可分为开放式,半封闭式,封闭式;(在板卡上,开放式和半封闭式已经很少见了)

按导磁体性质分类可分为空芯,陶瓷,铁素体,铁芯,铜芯;(超导磁和超合金电感属于铁素体电感)

按结构分类可分为线绕式和非线绕式;

按绕线结构分类可分为单层线圈,多层线圈,蜂窝式;(蜂窝式就是为了避免/减少产生分布电容)

按制造工艺分类可分为插装式和贴片式。(现在的板卡上面的电感都是贴片式)

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贴片式电感,又叫功率电感,大电流电感,表面贴装高功率电感。它具有小型化,高品质,高能量储存和低电阻的特性。贴片电感为平底表面,适合贴装;优异的端面强度良好的锡焊性;具有较高的Q值,低阻抗,低漏磁,低直电阻,耐大电流。

电感的色标法:

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国际知名的贴片式电感厂商:日系TDK,murata(村田),太阳诱电;韩国的三星;国产的风华高科,顺络,麦捷,振华富,华新科;台湾奇力新等等。

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4.PWM主控芯片:

先来简单了解一下什么是PWM?PWM(脉冲宽度调制)英文全称:Pulse Width Modulation,简称脉宽调制,它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术手段,是对模拟信号电平进行数字编码的方法。它是依靠改变脉冲宽度来控制输出电压,通过改变脉冲调制周期来控制其输出频率。

电流控制PWM:电流控制PWM就是以希望输出的电流波形作为指令信号,以实际输出的电流波形作为反馈信号,通过两者的瞬间时值比较来决定各开关器件的通断,实际输出随指令信号的改变而改变。

目前主要的PWM主控芯片厂商:IGS(鈊象电子,台湾)、CMA、ITE(联阳半导体股份有限公司,台湾)、CW(英国,Cable&Wireless)、Winbond(华邦电子,台湾)、Atmel(爱特梅尔半导体,美国)、SANYO(三洋,日本)、Intersil(美国)、Richtek(立琦,台湾)、ON(ON-Semi安森美半导体,美国)、uPI(uPI-semi,力智电子,台湾)、IR(International Rectifier,美国)。

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我在这里只提及常见的几家PWM主控芯片厂商:IR,ON,uPI。

International Rectifier(简称IR),美国国际整流器公司。是世界上居领导地位的功率半导体和功率管理方案的供应商,CHiL数字脉冲宽度调制(PWM)控制器就是IR的产品。(CHL已经被IR兼并)

ON Semiconductor(简称ON-semi),美国安森美半导体,它是应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商。

uPI semiconductor(简称uPI-semi),聚兴科技-力智电子,其母公司台湾兴勤,是台湾唯一拥有全系列电子线路保护元件的专业制造商。

最后总结:

PWM必须与MOS管,电感相互配合,协同工作:

PWM芯片产生一个宽度可调的脉冲波形,可以使两只MOS管轮流导通。当负载两端的电压(如GPU需要的电压)要降低时,这时MOS管的开关作用开始生效,外部电源对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高时,通过MOS管的开关作用,外部电源供电断开,电感释放出刚才充入的能量,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不断消耗,负载两端的电压又开始逐渐降低,外部电源通过MOS管的开关作用又要充电。这样循环不断地进行充电和放电的过程,从而形成一种稳定的电压,永远使负载两端的电压不会升高也不会降低。


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