电源回路及FIVR

2026-07-31 158

电源回路

电源回路是主板中的一个重要组成部分，其作用是对主机电源输送过来的电流进行电压的转换，将电压变换至CPU所能接受的内核电压值，使CPU正常工作，以及对主机电源输送过来的电流进行整形和过滤，滤除各种杂波和干扰信号以保证电脑的稳定工作，但在高负载环境下也可能因电感等元件过热而失效。电源回路的主要部分一般都位于主板CPU插槽附近，但在Intel Haswell平台上，调压模块VRM被集成到了CPU内部，称为FIVR（全集成式电压调节模块）。在服务器领域，VRM常以子卡形式存在，支持Phase冗余设计以提高可靠性。是电源内部回路和外部负载回路的两种电路系统，电源的负载电路可视其为电源回路中的等效电阻，也可以认为是交直流供电电源内外部电路回路中的附加系统。

在计算机硬件中，电源回路常指主板上的供电模块，负责对主机电源输送的电流进行电压转换和滤波，以确保CPU等关键部件的稳定工作。随着技术发展，如Intel Haswell处理器集成的FIVR（全集成式电压调节模块）将多个电压调节模块整合到CPU内部，简化了主板供电设计并提高了效率。

发展历程：CPU供电模块（VRM）的技术持续演进，其中2013年Intel推出Haswell架构及FIVR（全集成式电压调节模块）技术是一个关键节点。在Haswell之前，整个处理器的VR模块可以分为Core VR、Graphics VR、PLL VR、System Agent VR及IO VR，这五个VR模块再加上Memory内存VR都是位于主板上的；而Haswell将前面5个VR模块整合成一个，并且集成到了CPU内部，主板上只留下Memory VR模块，这个集成式的VR模块叫做FIVR（全集成式电压调节模块）。FIVR带来了更精细的电压控制（其电压波纹仅2mV）、更高的转换效率（峰值可达82%），并显著简化了主板供电电路的设计。FIVR代表的是未来，更精确精细化的供电控制可以让Intel更好地调控CPU核心或者整个处理器的功耗与发热。

分类与规格：电源回路可根据技术原理和供电对象进行分类。技术原理主要分为线性电源供电和开关电源供电；按供电对象则可分为CPU供电、内存供电、显卡插槽供电、芯片组（南桥/北桥）供电等模块。

线性电源供电

这是好多年以前的主板供电方式，它是通过改变晶体管的导通程度来实现的，晶体管相当于一个可变电阻，串接在供电回路中。由于可变电阻与负载流过相同的电流，因此要消耗掉大量的能量并导致升温，电压转换效率低。尤其是在需要大电流的供电电路中线性电源无法使用。目前这种供电方式早已经被淘汰掉了。

开关电源供电：这是自21世纪初以来广泛采用的供电方式，PWM控制器IC芯片提供脉宽调制，并发出脉冲信号，使得场效应管MOSFET1与MOSFET2轮流导通。扼流圈L0与L1是作为储能电感使用并与相接的电容组成LC滤波电路。

其工作原理是这样的：当负载两端的电压VCORE（如CPU需要的电压）要降低时，通过MOSFET场效应管的开关作用，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MOSFET场效应管的开关作用，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消耗，负载两端的电压开始逐渐降低，外部电源通过MOSFET场效应管的开关作用又要充电。依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，永远使负载两端的电压不会升高也不会降低，这就是开关电源的最大优势。还有就是由于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。这也就是所谓的“单相电源回路”的工作原理。

这种开关电源电路也常被称为电压调节模块（VRM）。随着技术进步，部分VRM功能已被集成到CPU内部。例如，Intel Haswell处理器引入了全集成式电压调节模块（FIVR），将核心、显卡等主要VRM集成于CPU内，提高了电压控制精度和能效，同时也降低了对主板供电相数的要求。

单相供电一般可以提供最大25A的电流，而现今常用的CPU早已超过了这个数字，P4处理器功率可以达到70-80瓦，工作电流甚至达到50A，单相供电无法提供足够可靠的动力，所以现在主板的供电电路设计都采用了两相甚至多相的设计。就是一个两相供电的示意图，很容易看懂，就是两个单相电路的并联，因此它可以提供双倍的电流供给，理论上可以绰绰有余地满足目前CPU的需要了。但上述只是纯理论，实际情况还要添加很多因素，如开关元件性能，导体的电阻，都是影响Vcore的要素。实际应用中存在供电部分的效率问题，电能不会100%转换，一般情况下消耗的电能都转化为热量散发出来，所以我们常见的任何稳压电源总是电气元件中较热的部分。要注意的是，温度越高代表其效率越低。这样一来，如果电路的转换效率不是很高，那么采用两相供电的电路就可能无法满足CPU的需要，所以又出现了三相甚至更多相供电电路。但是，这也带来了主板布线复杂化，如果此时布线设计如果不很合理，就会影响高频工作的稳定性等一系列问题。目前在市面上见到的主流主板产品有很多采用三相供电电路，虽然可以供给CPU足够动力，但由于电路设计的不足使主板在极端情况下的稳定性一定程度上受到了限制，如要解决这个问题必然会在电路设计布线方面下更大的力气，而成本也随之上升了。

电源回路采用多相供电的原因是为了提供更平稳的电流，从控制芯片PWM发出来的是那种脉冲方波信号，经过LC震荡回路整形为类似直流的电流，方波的高电位时间很短，相越多，整形出来的准直流电越接近直流。

一个完整的单相回路供电包括1个扼流线圈（电感）、2个MOSFET、滤波电容、PWM控制器芯片以及MOSFET驱动芯片等器件组成。供电相数是衡量CPU供电能力的关键规格，多相设计利于分摊电流、降低温度、支持高功耗和超频。举例说明，主板每相供电的最佳工作功率是25W，而目前主流APU四核处理器APU A8-3850在不超频时TDP功率为100W，如果是一般的4相供电系统，每相供电在25W左右，刚好可以保证处理器稳定工作。若超频至125W，则需5相以上供电以保证稳定。供电相数的选择需与处理器功耗相匹配。在服务器等要求高可靠性的领域，电源回路（VRM）设计还强调相位冗余。例如采用“N+2”冗余设计，当个别相位故障时能被自动隔离，系统仍可正常运行，极大提升了系统可用性。

电源回路的稳定运行依赖于优质元件和良好散热。电感、MOSFET等元件需留有充足的电流余量（建议20%以上），避免在高温高负载下过载损坏。同时，供电模块的散热设计（如加装散热片）对控制工作温度、保障长期稳定至关重要。电源回路对电脑的性能发挥以及工作的稳定性起着非常重要的作用，是主板的一个重要的性能参数。

核心技术：VRM（电压调节模块），通常称为稳压卡，其作用是为系统内集成芯片如CPU、内存等提供稳定的工作电压与需要的电流。在部分高端服务器中，系统内供电采用VRM子卡的设计形式，其设计目标包括提升可维护性与可靠性，每块VRM卡的工作状态能够被实时监测并设有故障告警灯。

一个VRM至少包括一个Phase完成电压转换，根据电流需求通常采用多个Phase并联的方式完成供电；冗余Phase设计可有效避免单Phase故障导致掉电宕机，例如部分服务器的VRM支持N+2冗余设计以提升可用性。VRM在散热结构设计上采用宽大散热器、底部胶条和螺丝紧固件保证功率转换器件与散热器紧密贴合，连接器采用Power Blade结构提供大电流通流路径。VRM子卡在生产后需经过一系列自动化测试，以确保产品符合设计规格与可靠性要求。

FIVR（全集成式电压调节模块）是VRM技术发展的一个方向，例如Intel Haswell处理器将多个VR模块集成到CPU内部，实现更精细化的供电控制以调控CPU核心或整个处理器的功耗与发热。VRM故障案例如电感元件烧毁造成VRM供电模块异常，说明在高性能服务器设计与数据中心部署中，元件参数不匹配或热控设计不足可能引发严重的供电故障。

Intel早在第四代CPU架构（Haswell）就引入了全集成电压调节模块。第一代FIVR技术尽管带来不少好处，但并不成熟，在Broadwell坚持了一代之后，就在第六代CPU（Skylake）中取消了。这其中的原因较多，但最重要的是FIVR带来的发热问题。

就在大家以为FIVR就此销声匿迹之时，Intel在10nm的第一代CannonLake中重新引入了FIVR。尽管CannonLake出货量极小，是个失败的产品，但第二代FIVR技术却由此证明了自己不再受散热问题困扰。在大量出货的真正意义上的10nm Icelake平台上，FIVR不但站稳了阵脚，并开枝散叶，南桥PCH的电压调节模块也被集成到桥片中了，就是说PCH也采用了FIVR技术。从此FIVR广泛发展起来，在最新的一代Intel CPU TigerLake芯片中，采用了第三代FIVR技术；不仅如此，AMD的全线CPU也采用了FIVR技术。

那么什么是FIVR技术？它的广泛推广能给我们带来什么益处？

什么是FIVR？

全集成电压调节模块FIVR这里的“全集成”，是相对于传统电压调节模块（VRM）来说。VRM(Voltage Regulator Module, 电压调节模块)是Intel提出来的标准，以期规范主板电气特性和CPU和VRM的通讯协议。

图片出自参考资料

VRM负责将8/4 pin的CPU 12V供电转成CPU的低电压输入。最新的VRM已经是11.1了，可以在Intel官网上下载到。关于它可以详见这篇文章：

看到VRM有spec，有些人认为它是一个模块，实际上它是由几部分组成的：

图片出自参考资料

包括MOSFETs，Chokes（电感）, 电容和PWM芯片。 PWM芯片实现了VID==>电压的逻辑，常见的是ISL6334，支持VRM 11.1标准。

除了CPU的VRM，还有很多其他VR，尤其是CPU旁边的VRM，一般至少五组，CPU被它们的电容和电感仅仅包围，这些电容和电感的多寡和好坏也是众多DIY选择主板的重要依据：

第一代FIVR将五组VR集成到了CPU里面，只在主板上留下了为内存服务的VR：

而这个仅有的VR，也会因为DDR5在DIMM上引入了PMIC后而被整合。

需要澄清一下VR被整合到CPU中，并不是电源上面的12V电源直接连到CPU上了。实际上主板上VRM还是需要的，整个供电过程分为两步：第一步，主板上12V的电源通过VRM转换成1.8v，供给CPU；CPU里面的FIVR将1.8V转换成0.6V到1.3V不等的各种power rail供给CPU内部的不同部分。整个过程如下图：

所以在Icelake和Tigerlake的主板上，在CPU旁边我们还会看到不少显现的电容和电感（只不过少了一些），它们还是在孜孜不倦的为CPU提供干净稳定的电力：

看到这里不少同学可能有些疑问，“主板上硕大的电容和电感都整合到CPU中，可能吗？我怎么没看到呢？“

FIVR在哪里？

如我们前面所述，VRM至少包括三个部分，电压转换逻辑、电感和电容。在FIVR中，他们都被整合在CPU中，是不是很神奇？注意我们这里说CPU，实际上CPU是指整个CPU package，FIVR这三部分，分别分部在CPU的CPU Die中、CPU底座中和CPU底座上。

电压转换逻辑被整合在CPU Die中，采用最新的工艺，它能提供极快的切换效率。电感比较有意思，在CPU基板substrate中，Intel设计了各种金属构型，来达到不同的电感效果：

来源：参考资料

形状奇怪，有十数种之多。我们甚至可以在CPU下面看到它们，我们的题图CPU上就有：

红框中就是电感

而笔电CPU，为了更薄，一般的基板设计不了电感，还另外增加了一块：

是不是奇怪的知识又增加了？

FIVR的电容复杂一些，为了给快速切换频率时电压变化提供及时电流响应，在CPU的Die中，集成了MIM（metal-insulator-metal (MIM)）电容，它利用CPU Die中两层金属层，中间夹杂一层绝缘层来达到电容效果：

Intel eDRAM中的MIM电容

它和CPU下面的小块，也是电容（老狼：CPU底部的小块是干什么用的？为什么CPU这么多电源引脚？），加上主板上的电容，在三个层面上给CPU提供干净和流畅的电力。

FIVR的好处

FIVR显而易见的好处是能够节省整体BOM成本。尽管它让CPU成本变高，但FIVR让主板设计变简单，减少了主板上的元器件。那么那部分更多呢？据统计，CPU因为FIVR，成本上升1.5美金，而主板BOM成本下降4.5美金。整体拥有成本下降3美金！什么，3美金太少，你不差钱？当我没说。

电感被集成到CPU package的基板上，离CPU目标更近了：

来源：参考资料

注意我红框和绿框标出的部分。这调节电压部分离Die更近，变换电压更加迅速，有Performance的好处；同时转换效率更高，更加省电。

电容更是集成到了CPU Die中，加上最新制程的电压转换逻辑，让FIVR转换频率从传统的1MHz直接变成140MHz，直接提高了两个数量级。这让CPU在做主频转换的时候（PState、Turbo Mode），可以更快的切换主频，也就是升频更快，降频也更快，从而提高效率和省电。

FIVR还提供更多的Power rail，和更多的相位，和PCU结合，能够更好更细颗粒度的管理CPU的整体耗电。据Intel在Haswell统计，电源效率能够提高50%。

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