что такое vrm на материнской плате
Что такое VRM материнской платы
Содержание
Содержание
VRM (Voltage Regulator Module) является неотъемлемым и одним из важнейших элементов материнской платы, который отвечает за питание центрального процессора. Высокочастотные чипы, такие как ЦПУ компьютера, очень чувствительны к качеству питания. Малейшие неполадки с напряжением или пульсациями могут повлиять на стабильность работы всего компьютера. VRM представляет собой не что иное, как импульсный преобразователь, который понижает 12 вольт, идущие от блока питания, до необходимого процессору уровня. Именно от VRM зависит подаваемое на ядра напряжение.
Принцип работы VRM был описан в более ранней статье, а сейчас мы рассмотрим, из чего состоит подсистема питания процессора.
VRM состоит из пяти основных составляющих: MOSFET-транзисторы, дроссели, конденсаторы, драйверы и контроллер.
Транзисторы
«MOSFET» является аббревиатурой, которая расшифровывается как «Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor». Так что MOSFET — это полевой МОП-транзистор с изолированным затвором.
Дроссели
Дроссели — это катушки индуктивности, которые стабилизируют напряжение. Вместе с конденсаторами они образуют LC-фильтр, позволяющий избавиться от скачков напряжения и уменьшить пульсации. В современных материнских платах дроссели выглядят как темные кубики, находящиеся около МОП-транзисторов.
Конденсаторы
В современных платах твердотельные полимерные конденсаторы уже давно вытеснили электролитические. Это связано с тем, что полимерные конденсаторы имеют намного больший срок эксплуатации. Конденсаторы помогают стабилизировать напряжение и уменьшать пульсации.
Контроллер
Контроллер — чип, рассчитывающий, с каким сдвигом по времени будет работать та или иная фаза. Является «мозгом» всей VRM.
Драйвер
Драйвер — это чип, исполняющий команды контроллера по открытию или закрытию полевого транзистора.
Охлаждение — зачем оно нужно
Существует прямая связь между энергопотреблением процессора и нагревом VRM. Чем больше потребляет процессор, тем больше нагрузка на цепи питания, и, следовательно, больше их нагрев. MOSFET-транзисторы во время работы выделяют значительное количество тепла. Поэтому на них устанавливают пассивное охлаждение в виде радиатора, чтобы избежать перегрева и нестабильной работы. Производители материнских плат начального уровня часто экономят на этом, оставляя цепи питания без охлаждения, что, конечно, не очень хорошо, но не слишком критично, поскольку на подобные материнские платы обычно не ставят топовые процессоры с высоким TDP.
На транзисторы цепей питания можно не ставить охлаждение при условии, что температура во время нагрузки не будет превышать допустимых значений. Поэтому без охлаждения VRM очень нежелательно устанавливать «прожорливые» процессоры. На материнских платах, рассчитанных под оверклокинг, обязательно имеется охлаждение.
В самых топовых платах, помимо обычного радиатора, можно встретить испарительную камеру или водоблок для подключения к контуру СЖО.
Количество фаз
У неопытных пользователей именно эта характеристика зачастую становится ключевой при выборе материнской платы. Производители знают об этом и часто прибегают к различным уловкам. Чаще всего можно встретить использование двойного набора компонентов для одной фазы, что создает видимость большего количества фаз. Количество и характеристики фаз обычно не указываются производителями в расчете на то, что неопытный покупатель увидит много дросселей и купит плату, решив, что «больше — лучше».
Чтобы узнать реальное количество фаз и используемые компоненты, нужно посмотреть характеристики установленного на материнскую плату ШИМ-контроллера в технической спецификации. Количество дросселей далеко не всегда говорит о реальном количестве фаз. Кроме того, стоит учитывать, что некоторые драйверы способны работать в качестве удвоителя фазы. Это позволяет увеличить количество фактических фаз без использования более продвинутого ШИМ-контроллера.
Конфигурация фаз питания
В описаниях материнских плат часто можно увидеть такие обозначения, как 8+2, 4+1, и т. п. Эти цифры означают количество фаз, отведенных на питание ЦПУ и остальных элементов. Например, 8+2 означает, что 8 фаз отведено на питание ядер процессора, а оставшиеся 2 рассчитаны на контроллер памяти.
От количества фаз зависит уровень пульсаций, действующих на процессор. Чем больше фаз, тем меньше пульсаций тока. Большее количество фаз означает большее количество MOSFET-транзисторов в цепи, что положительно сказывается на температурных показателях. Кроме того, чем больше транзисторов, тем легче будет поставить высокое напряжение на ядра, что позитивно скажется на оверклокинге. В большом количестве фаз, по большому счету, имеются только плюсы. Главным и единственным недостатком, пожалуй, является лишь высокая цена.
Различные виды VRM материнской платы — какие бывают топологии и что выбрать
Содержание
Содержание
Современные процессоры потребляют огромное количество энергии, а у новых поколений наблюдается тенденция к увеличению мощности. Производителям материнских плат приходится все больше наращивать параметры VRM, при этом сохраняя высокое качество питающего напряжения. В модулях регулятора напряжения используют различные топологии и технические ухищрения. Давайте разберем основные виды — оценим их преимущества и недостатки.
VRM является многоканальным импульсным преобразователем — его общая мощность делится равномерно между фазами, благодаря чему снижается нагрузка на каждую из них и облегчается температурный режим. Такая схема дает производителям карт-бланш на увеличение количества фаз, чтобы в конечном счете нарастить результирующую мощность. Подробнее об устройстве модуля регулятора напряжения и работе его функциональных элементов можно узнать в статьях «Из чего состоит VRM» и «Как работает VRM».
Классическая топология
В этой схеме количество фаз питания соответствует количеству каналов управления ШИМ-контроллера.
Каждый канал соединен с драйвером, а каждый драйвер — с парой электронных ключей (мосфетов). Последовательно с нагрузкой (процессором) и конденсатором С к средней точке ключей подключается индуктивность (дроссель) L.
ШИМ-контроллер формирует на выходах импульсы управления, смещенные по времени друг относительно друга (со сдвигом по фазе). В результате фазы питания VRM работают поочередно. Это приводит к кратному увеличению частоты пульсации, равной количеству фаз питания. При высокой частоте сглаживание происходит более эффективно:
Затем импульсы поступают на драйвер, который преобразуют их в два сигнала управления мосфетами. Для исключения сквозных токов (когда один ключ открывается, а второй еще не успел закрыться) сигналы управления формируются с небольшой задержкой (DeadTime). Электронные ключи поочередно подключают вход сглаживающего LC-фильтра к блоку питания или корпусу. На выходе все фазы соединяются в одну точку, где их токи суммируются в результирующий.
Классическая топология применяется в материнских платах, предназначенных для ЦП с умеренным энергопотреблением. Но если использовать качественную элементную базу (хорошие мосфеты с низким сопротивлением канала и быстрым временем переключения), то этот тип VRM подойдет и для высокопроизводительных процессоров.
Рассмотрим на практике. Модуль регулятора напряжения материнской платы GIGABYTE B450 I AORUS PRO состоит из четырех полноценных фаз питания процессора.
А в MSI B450I Gaming Plus AC применяются шесть «настоящих» фаз.
Топология с умножителями фаз питания
Идея заключается в том, что общее количество фаз питания VRM может быть в два, а то и в четыре раза больше количества управляющих каналов ШИМ-контроллера. Это достигается за счет применения умножителей фаз. В качестве примера разберем топологию с удвоителями (даблерами).
Сигнал управления сначала поступает на удвоитель, и только потом — на драйвера двух отдельных фаз питания. Импульсы следуют поочередно, а частота на каждом из выходов будет вдвое меньше частоты на входе.
Получается, что восьмифазный VRM с четырехканальным ШИМ-контроллером, работающим на частоте 800 кГц с удвоителями по всем параметрам соответствует восьмифазному VRM с восьмиканальным контроллером, работающим на частоте 400 кГц без удвоителей.
Из временной диаграммы видно, что в первом случае каждая фаза питания работает вдвое реже, а нагрузка на нее будет ниже. Это позволяет, с одной стороны, сэкономить на радиоэлементах — результирующая мощность та же, как и в случае классической топологии. А с другой стороны, увеличить нагрузку на каждую фазу и получить более высокие выходные параметры.
В материнской плате ASUS ROG STRIX B550-F GAMING используется шестиканальный контроллер, при этом четыре фазы утраиваются, а две — обычные. Суммарно получаем 14 фаз.
Топология с усиленными фазами питания
Существует не совсем честный способ умножения фаз питания VRM, в котором не используются даблеры. К каждому выходу канала ШИМ-контроллера параллельно подключаются два драйвера и две фазы питания — обычно их называют усиленной фазой. Преимущество в том, что из недорогих компонентов и менее производительных фаз простым увеличением их количества можно получить мощный модуль регулятора напряжения.
Некоторые производители реализуют именно такое решение. Например, компания ASUS применила усиленные фазы в материнской плате Z390 Maximus XI Hero.
Из диаграммы видим, что каждая пара цепей питания усиленной фазы работает одновременно, то есть без сдвига. Частота переключения мосфетов вдвое выше, чем в схеме с использованием даблеров. Поэтому эффективность работы модуля регулятора напряжения снизится, если применять мосфеты с невысоким быстродействием.
При выборе материнской платы неправильно считать общее количество фаз питания по количеству дросселей. Маркетологи в спецификациях часто указывают 16, 20 или более фаз, а ШИМ-контроллер оказывается восьмиканальным. На самом деле производители используют умножители или просто усиленные фазы, выдавая каждую линию за полноценную.
Топология 1N2L
Топология включения электронных ключей в этой схеме подразумевает использование в верхнем плече коммутатора одного, а в нижнем — двух параллельно соединенных мосфетов.
Чтобы понять, зачем вообще это нужно, разберем, какие процессы происходят в сглаживающем LC-фильтре.
Во время прямого хода преобразователя ток начинает протекать по цепи: «плюс» источника питания (12 В), открытый мосфет верхнего плеча, индуктивность L (дроссель), конденсатор и далее на «минус» источника питания.
Известно, что ток через индуктивность не может изменяться скачком. Он будет увеличиваться линейно, накапливая энергию в дросселе. Скорость нарастания зависит от напряжения, приложенного к дросселю. Это разница между напряжением источника питания (12 В) и выходной «напругой» сглаживающего фильтра (примерно 1,3 В). Запомним эту величину (10,7 В), она пригодится позже.
Во время обратного хода ток движется от «плюса» дросселя, через конденсатор и открытый мосфет нижнего плеча на «минус» дросселя.
Дроссель отключается от питания и сам становится источником тока. Полярность его ЭДС меняется на противоположную. По мере разряда (при этом энергия используется для питания нагрузки) ток постепенно спадает с дросселя. Величина ЭДС равна сумме выходного напряжения сглаживающего LC-фильтра (1,3 В) и падения напряжения на открытом мосфете нижнего плеча (примерно 1 В). Она составит 2,3 В — это значительно меньше, чем 10,7 В во время прямого хода.
Получается, что нижнее плечо мосфета проводит в открытом состоянии намного больше времени, чем верхнее (при одинаковых токах через них). Поэтому и тепловыделение на нем будет больше. Чтобы снизить потери и увеличить КПД, производители ставят в нижнее плечо два параллельно соединенных мосфета.
Глядя на график зависимости тока дросселя от времени, может показаться, что во время прямого хода количество энергии, накапливаемое дросселем, меньше, чем отдаваемое им во время обратного хода. Но рассматривать эту величину нужно не в аспекте тока, а по мощности, то есть произведению тока на напряжение. Короткому циклу накопления энергии соответствует большее приложенное напряжение. В результате мощность, поглощенная дросселем при заряде, будет равна выделенной им мощности при разряде.
Топология 1N2L применяется, например, в материнской плате GIGABYTE X570 GAMING X. В верхнем плече установлен один мосфет 4C10N с максимальным током 40 А, а в нижнем — два мосфета 4C06N с током до 69 А у каждого.
Даже в классической топологии 1N1L в нижнем плече всегда стоит более мощный мосфет. У платы MSI Z490-A PRO в верхнем плече установлен ключ 4CO29N с максимальным током 46 А, а в нижнем — 4CO29N с током до 78 А.
Топология 2N2L
Из названия понятно, что топология подразумевает использование двух параллельно соединенных мосфетов в обоих плечах.
В предыдущем разделе мы выяснили, что для эффективной работы фазы питания электронный ключ нижнего плеча должен быть мощнее верхнего. Поэтому применение в верхнем плече сразу двух мосфетов косвенно намекает на их плохие технических характеристики: малую мощность и высокое сопротивление канала в открытом состоянии. Такая топология дает производителю возможность сэкономить, используя недорогие компоненты.
Из чего состоит VRM материнской платы
Содержание
Содержание
VRM или модуль регулятора напряжения — это важнейший функциональный узел материнской платы, который преобразует 12 В от блока питания в стабилизированное низкое напряжение для процессора и оперативной памяти. Он состоит из пяти базовых функциональных элементов, которые мы подробно разберем.
Подробнее узнать о работе VRM можно в специализированном материале.
PWN-контроллер
Это центр управления всего VRM, который координирует количество энергии, передаваемой от линии 12 В и проходящей через фазы питания на процессор. Pulse-Width Modulation переводится как «широтно-импульсная модуляция», поэтому его еще называют ШИМ-контроллер.
Управление происходит путем изменения ширины импульсов, формируемых контроллером, которые через драйверы поступают на мосфеты (о них расскажем в следующих разделах). Ширина импульсов зависит от количества энергии, необходимой процессору в данный момент времени. Если вычислительная нагрузка возросла, то возрастает и потребляемая мощность, а напряжение питания процессора при этом уменьшается. ШИМ-контроллер через цепь обратной связи фиксирует это и увеличивает ширину управляющих импульсов, тем самым увеличивая количество энергии, поступающее через фазы питания на процессор. Напряжение восстанавливается до исходного значения.
Из блок-схемы видно, что VRM устроен довольно сложно. Казалось бы, зачем городить огород, используя ШИМ-контроллер, драйверы, мосфеты и сглаживающие фильтры? Ведь достаточно применить линейный стабилизатор, который отлично сглаживает выходное напряжение и очень просто устроен. Давайте разберемся.
Линейный стабилизатор состоит из делителя, на вход которого подается напряжение. Стабилизация происходит путем изменения сопротивления регулирующего элемента (РЭ).
Представим, что такой стабилизатор используется для преобразования напряжения блока питания (12 В) в напряжение питания процессора (1,2 В). Ток потребления ЦП с рассеиваемой мощностью 120 Вт при 1,2 В составит 100 А (100 А × 1,2 В = 120 Вт). Он проходит через регулирующий элемент. При этом на последнем выделяется излишек напряжения, равный разнице на входе и выходе (12 – 1,2 = 10,8 В). Рассеиваемая мощность на регулирующем элементе составит внушительные 1080 Вт (100 А × 10,8 В = 1080 Вт), что соответствует мощности среднего обогревателя! Система охлаждения такого модуля питания была бы настоящим монстром и имела колоссальную стоимость. А КПД — всего 10 % (120Вт / 1200Вт = 0,1 × 100 % = 10 %).
Именно поэтому для питания процессоров применяются импульсные стабилизированные источники питания, в частности VRM. Его мосфеты работают импульсно, периодически открываясь (режим насыщения) и закрываясь (режим отсечки). В первом случае сопротивление очень мало, в среднем до 0,004 Ом. Для примера возьмем те же 100 А. Мощность — это ток в квадрате, умноженный на сопротивление: (100 А)2 = 10 000 × 0,004 = 40 Вт. А теперь сравните эту цифру с выделяемой мощностью на линейном стабилизаторе.
Умножитель фазы (даблер)
ШИМ-контроллер имеет ограниченное количество каналов управления и может управлять таким же количеством фаз питания VRM. Чтобы обойти это, применяют умножители фаз, которые увеличивают их в 2-4 раза. Чаще применяется удвоение, поэтому такие элементы называют даблерами.
В схеме VRM сигнал с выходов ШИМ-контроллера подается сперва на даблер. Затем от него два отдельных сигнала идут на драйверы фаз питания.
Умножитель фазы формирует управляющие импульсы со сдвигом по времени, при этом их частота на выходе будет вдвое меньше частоты на входе.
Драйвер
Этот функциональный элемент предназначен для управления парой полевых транзисторных ключей (мосфетов). Он согласует низковольтные сигналы, поступающие с ШИМ-контроллера или даблера с необходимыми управляющими напряжениями.
Переключение ключей из открытого состояния в закрытое (и наоборот) приводит к кратковременному переходу в активный режим работы. В таком режиме у любого транзистора резко увеличивается тепловыделение, поэтому драйвер должен минимизировать этот промежуток. На частотах переключения в районе 500 кГц реализовать это не так уж и просто. Мощные мосфеты обладают достаточно большой емкостью затвора (свыше 100 пФ) — для быстрого переключения драйвер должен очень шустро перезаряжать паразитные емкости.
Кроме того, при одновременном переключении ключей верхнего и нижнего плеча возникает ситуация, когда один ключ еще не успел до конца закрыться, а другой уже открывается. В этом случае через них протекает сквозной ток по цепи 12 В — ключ верхнего плеча — ключ нижнего плеча — корпус. Мосфеты при этом сильно нагреются.
Чтобы подобного не происходило, в задачи драйвера входит формирование задержки между сигналами управления ключей. В этом случае появление сквозных токов сводится к минимуму. Функциональное устройство подробно разбирать не будем, это тема для отдельной статьи.
Мосфеты
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, в переводе «полупроводниковый полевой транзистор на основе оксида металла») — это мощный низковольтный электронный ключ. Такие силовые ключи применяются парами в фазах питания VRM. Ключ верхнего плеча подключается между источником питания 12 В и входом сглаживающего LC-фильтра, а нижнего плеча — между фильтром и корпусом.
При поступлении управляющих сигналов с драйвера на затворы, они поочередно подключают вход сглаживающего фильтра к источнику питания 12 В или к корпусу, обеспечивая необходимые по направлению и по величине токи протекания.
Мосфеты изготавливают на основе кремниевых полупроводников типов N и P.
Полупроводники N-типа выполняют на основе легированного кремния. Это значит, что в него добавлены атомы других химических элементов, которые имеют один лишний электрон по отношению к кремнию. Атомы встраиваются в кристаллическую решетку — в результате образуются излишки, которые и являются основными носителями заряда.
В полупроводниках Р-типа основой тоже выступает кремний, но в него легированы атомы химических элементов, в которых не достает одного электрона. В результате в кристаллической решетке образуются «дырки», которые также являются носителями заряда.
В качестве примера рассмотрим мосфет с N-каналом. Он состоит из подложки P-типа, по краям которой располагаются участки полупроводника (Сток и Исток). Между ними размещается металлическая пластина, называемая Затвором. Она изолирована от подложки диэлектрическим слоем из оксида кремния.
При отсутствии напряжения на Затворе энергии электронов Истока не хватает, чтобы преодолеть энергетический барьер и сформировать канал через подложку к Стоку. Ток не будет протекать через транзистор.
Если подать на затвор отпирающее положительное напряжение, то появится электрическое поле, которое начнет оттеснять основные носители заряда («дырки») вглубь подложки и станет притягивать к себе электроны, образуя канал электропроводимости между Истоком и Стоком. Через транзистор потечет ток.
При увеличении напряжения на затворе, в один момент ток через транзистор достигнет максимального значения и больше расти не будет. Этот режим называется насыщением. Именно в такой режим и входят мосфеты VRM при их открытии.
Фильтры
Сглаживающий фильтр состоит из индуктивности L, подключенной последовательно с нагрузкой, и емкости C, подключенной параллельно. Поэтому иногда его называют LC-фильтром.
Он преобразует короткие импульсы амплитудой 12 В в постоянное низковольтное напряжение питания процессора (1–1,4 В). Процесс проходит в два этапа.
При открытии ключа верхнего плеча через индуктивность начинает протекать ток. Энергия накапливается, заряжая при этом конденсатор.
После того, как напряжение на конденсаторе достигнет установленного значения, ключ верхнего плеча закрывается и открывается нижний. Индуктивность обладает свойством поддерживать неизменным направление и величину тока, поэтому возникшая в ней ЭДС еще некоторое время сохраняет их.
Запасенная энергия расходуется на питание нагрузки, помогая конденсатору. После исчерпания энергии в индуктивности ток через нее прекращается и цикл повторяется снова.