E5eab5794396b1905c3e48b8f31ca7d3 最近Intel推出新一代Haswell處理器,Intel並未隨著Haswell的問世,推出新的電源處理器規範,目前最新的標準停留在ATX 2.31版,其中規定+12V2專門負責供電給CPU,其最小電流輸出能力為0.5A。由於在執行電源供應器測試時沒有加入+12V2 0.05A的項目,很有可能會發生問題。

Haswell導入FIVR

幾年之前,在CPU封裝裡只有CPU的那個年代,CPU的電力由獨立的電壓調整模組供應,電壓調整模組在同一時間內輸出的電壓只有1種,這種情形到CPU剛開始內建記憶體控制器時都還是如此。

之後CPU內部整合的東西越來越多,GPU、通道控制器等元件都放了進來,加上節能的要求,電壓調整模組開始可以輸出不同的電壓,CPU一種、GPU一種、其它部分又一種。

到了Haswell這一代,為了能夠更好的控制電壓,乾脆把電源調整模組直接整裝進CPU內部中,跟其它的部分一起從矽晶圓上長出來。Intel把這整合的電壓調整模組稱為FIVR(Fully Integrated Voltage Regulator:全整合式電壓調整)。與過往獨立於CPU之外的電壓調整模組相比,整合式能夠輸出更多組電壓,可針對CPU、GPU、各類I/O、控制器提供不同的電壓、提升節能效果;也可更快對於電壓調節作出反應,調整結果也更為精準。

同時也因為目前的CPU都是多核心,以往獨立的電壓調整模組僅能給全部核心同樣的電壓,無法依據各個核心不同的工作量給予適合的電力供應;Haswell導入FIVR之後,各個核心的電壓便可獨立調整。

▲傳統與整合式的電壓調整比較,整合進處理器封裝之後,可針對更多不同的模組提供合適的電力供應。

嚇人的320相供電

目前Intel釋出的資訊來說,Hawell的FIVR整合了原本Ivy Bridge的CPU電壓、GPU電壓、Systen Agent電壓、I/O電壓、PLL電壓,唯獨記憶體(放在主機板上的RAM)電壓未被整合。

Intel並未明講Haswell到底整合了為數多少的FIVR,只表示1個Power Cell就是1個迷你VR模組,面積為2.8平方公釐,1個Power Cell支援25A電流、16相供電,而每個CPU最多可塞入20組Power Cell,換算下來就是320相供電,一舉打敗各家主機板廠商。

不過目前Haswell似乎無法直接吃+12V的電壓,因此主機板上還是需要有個電壓調整模組降壓之後再餵給CPU,所幸主機板廠商已不再堆料,以往那種數十相模組應該不會再見到,除了最高階的主機板之外,目前已經在市面上販售的8系列主機板絕大部分只有8相或4相供電。

▲以往電源相數像是不用錢一般狂撒,這代8系列的主機板都較為收斂,處理器附近空曠許多(左方為Z87、右方為X58)。

▲每個Power Cell僅有2.8平方公釐(Intel未說明使用何種製程),每個Cell可提供16相電源、25A電流。

傳統的單磁放大電路

電腦王曾經在第95期講解過電源供應器的架構,不過當時版面有限,主要都是講解一次側的架構,指的是從市電進入至電源供應器後,經過濾波、功率因素調整,再由晶體開關控制電流進入主變壓器的這部分。而造成此次Haswell與部分電源供應器不合的問題,主要是在主變壓器之後,到變出多組電壓的二次側所影響。

電源供應器根據二次側的負載,調整一次側的開關頻率,也就是所謂的PWM(Pulse Width Modulation,脈寬調變),二次側負載低,PWM的速度就慢一些;二次側負載高,PWM的速度就快一些。經由主變壓器將高壓轉換為低壓之後,還需要調整成電腦所需要的電壓以及整流再輸出。

最為傳統的作法為+3.3V使用1組獨立的磁放大整流濾波線路,+5V和+12V雖然也是分離的設計,但在儲能電感的使用上會繞在同一組線圈,所以+5V和+12V同時接受一次側的PWM控制。+3.3V獨立的因素為其電壓變化僅能在+3.14~+3.47V之間,需要較為精密的控制。

由於使用同一個儲能電感,+5V和+12V兩者會相互影響,如果+12V的負載加重,由一次側傳過來的能量多一點,就會造成+5V的電壓偏高;如果+5V負載加重,+12V也會偏高。話雖如此,由於過往的電腦設備對於+3.3V、+5V、+12V的負載量差異不大,所以採用此結構的電源供應器在輸出電壓時並不會超出規定範圍(+3.3V、+5V、+12V的規範都是±5%),也就相安無事的使用。

直到最近的電腦設備對於+12V的負載要求越來越高,或是廠商願意推出更高品質的電源供應器,雙磁放大的電源供應器便開始出現在市面上。

▲採用單磁放大結構的電源供應器在二次側(圖片下方)有2顆電感,較小的一顆為+3.3V使用,較大的一顆為+5V、+12V共用。

分離+5V的雙磁電路

如同字面上的意義,雙磁放大意即有2組的磁放大線路,+5V從+12V分離出來,與+3.3V相同,自己使用1組磁放大線路;所以整台電源供應器的二次測就有2組磁放大線路,加上+12V接受一次側的PWM控制。

雙磁放大解決掉了+5V和+12V會相互影響的問題,就算+12V的負載越來越高,也不會影響+5V的電壓。上述所言是在高負載的狀況,但是當低負載狀況出現時,單磁放大和雙磁放大都會出現問題。

▲採用雙磁放大結構的電源供應器分離出+5V,所以在二次側(圖片下方)的地方分別有3顆為+3.3V、+5V、+12V的儲能電感。

+12V負載低影響大

不論+5V有沒有從+12V分離出來,磁放大線路所汲取的能量,還是必須經過主要變壓器,所以+12V的負載便成為關鍵。在+12V負載高時,PWM速度變快,確保+12V電壓不會過低,接在主變壓器後方的磁放大線路能夠以截斷的方式阻止更多的能量流入+3.3V和+5V(僅雙磁放大),不讓+3.3V或是+5V的電壓過高。

但是當+12V負載低時,PWM的速度就會變慢,確保+12V的電壓不會過高,但是卻會導致經由主變壓器傳遞過來的能量變少。如果這時候電源供應器的二次側架構為單磁放大,則會發生+12V電壓過高、+5V電壓過低的情形;採用雙磁放大則會造成+3.3V和+5V電壓過低、+12V電壓過高的情形。製作比較完整的磁放大電源供應器,會直接在+12V直接加入負載,避免這種情況發生。

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