что такое vrm на видеокарте
Как работает VRM на материнской плате и видеокарте компьютера
Содержание
Содержание
Преобразователи напряжения используются везде и всюду. Будь то огромные многотонные трансформаторы на электроподстанциях, обычные 50-герцовые трансформаторы в домашней аппаратуре или сложные импульсные схемы с умными микроконтроллерами. Любой электроприбор имеет собственные требования к питанию, да и отдельные узлы в этом приборе тоже привередливы к значениям напряжений. Вопрос — почему? Из статьи вы узнаете, зачем вообще нужны преобразователи и как работает DC-DC регулятор напряжения VRM на материнских платах и видеокартах. А еще можно посмотреть материнские платы с мощными схемами питания в каталоге.
Никакого единства…
В розетке 220 вольт, у блока питания 12 вольт, у зарядки телефона 5 вольт. Может сложиться впечатление, что инженерам нравится играть с напряжением, сначала повышая его до миллионов вольт на линиях электропередач, а потом до единиц вольт для питания центрального процессора. Почему люди не придумали какое-то единое значение напряжения и не используют его везде?
Определенно, центральный процессор — да и вообще любой другой микрочип — питать высоким напряжением прямо из розетки нельзя. Двенадцать вольт после блока питания тоже не подойдут. Во-первых, на микроскопическом уровне даже лишние пара десятых вольта могут привести к утечкам тока и повлиять на стабильность схемы. Во-вторых, чем выше напряжение, тем большее энергии расходуется на работу процессора. Поэтому с уменьшением техпроцесса разработчики стараются снизить и рабочий вольтаж. Когда-то процессоры, например, древний Intel 8086 выпуска 70-х годов, питались от 5 вольт, а современные работают всего от 1-1,4 вольта.
Блоки питания с напряжением 1 вольт на выходе — тоже не вариант, так как сила тока будет чрезмерно высокой — от нескольких десятков до сотен ампер. Ведь, снижая напряжение, растет сила тока при той же мощности. Вычислить силу тока можно, поделив мощность на напряжение.
Большая сила тока вставляет палки в колеса при подборе проводников из-за их сопротивления. Сопротивление — эффект, когда структура проводника мешает беспрепятственному протеканию тока по нему. Заряженные частицы врезаются на полной скорости в атомы проводника, чем и вызывают сопутствующий нагрев, а сами частицы теряют энергию. Это как бег с препятствиями. Вы тоже потеряете энергию, если во время бега по густому лесу будете влетать в деревья.
Сопротивление любого провода не нулевое, причем оно увеличивается с ростом его длины. Толщина провода также влияет на сопротивление. Поэтому, чтобы передать большую мощность при низком значении напряжения и высокой силе тока, придется использовать довольно толстые провода.
К примеру, напряжение на ЛЭП специально увеличивают до сотен тысяч вольт после электростанции, чтобы передавать мегаватты электрической мощности на значительные расстояния с помощью относительно тонких проводов.
И последнее. У любой электроники свое значение рабочего напряжения, а у процессора оно еще и регулируется в зависимости от нагрузки и условий работы. Так что договориться и сделать единую энергосистему с одинаковым значением напряжения попросту нереально.
Нет, без преобразователей ну никак не обойтись.
Устройство DC-DC преобразователя
Для питания микроэлектроники от постоянного напряжения используются DC-DC преобразователи, основанные на принципах широтно-импульсной модуляции — ШИМ. Их еще называют регуляторами напряжения — VRM.
Как это работает? Возьмите обычный вентилятор. Что будет, если вы его включите? Правильно, он будет дуть с одинаковой силой.
Что произойдет, если с равной периодичностью дергать рубильник — включать вентилятор всего на полсекунды, а на следующие полсекунды выключать? Двигатель вентилятора не может мгновенно набрать максимальную скорость вращения, поэтому за такой небольшой промежуток времени он как следует не разгонится. Но и остановиться за то же время он не успеет, так как продолжит крутиться по инерции. Так что вентилятор продолжит дуть, но с гораздо меньшей мощностью. Попробуйте поэкспериментировать со своим домашним вентилятором.
Выходит, если включать и выключать питание вентилятора, то вместо постоянного напряжения мы получим прерывистые импульсы той же амплитуды.
Так и работает простейший ШИМ-регулятор. Но вместо человека с выключателем используется транзистор — он то открывается на некоторое время (ВКЛ), то закрывается (ВЫКЛ). Только делает это с частотой не два раза в секунду (2 Гц), а десятки тысяч раз (10 кГц). Вы так точно не сможете. Такой транзистор называется «ключевым».
Кто-то может возмутиться: «Но, погодите, нам нужно получить напряжение в 1 вольт, а тут хоть и прерывистые, но те же 12 вольт, что и на входе! Кажется, нас обманывают!»
Действительно, таким образом питать процессор по-прежнему нельзя. Так что к ключевому транзистору (VT1) понадобятся еще несколько элементов: катушка индуктивности (L), конденсатор (C) и синхронный транзистор (VT2). Катушка и конденсатор образуют LC-фильтр.
Технически можно разделить цикл преобразования на две стадии: накачка энергии в катушку с конденсатором и стадию разряда.
Первая стадия — накачиваем энергию
Когда транзистор VT1 открыт, его собрат — синхронный транзистор VT2 — закрыт. В катушке L накапливается энергия, плавно нарастает ток и заряжается конденсатор C.
Вторая стадия — стадия разряда
Транзистор VT1 закрывается, открывается синхронный VT2 — он нужен, чтобы соединить вход катушки с отрицательным выводом нагрузки, создавая замкнутую цепь питания. Пусть мы и разорвали на этот краткий миг связь с источником питания, но катушка никуда не делась. Накопленная в катушке энергия теперь играет роль источника питания и поддерживает силу и направление тока, а конденсатор разряжается и питает нагрузку.
Затем транзистор VT1 снова открывается, а VT2 закрывается, и цикл начинается заново. Причем для наибольшей эффективности циклы повторяются с довольно высокой частотой — у современных компьютерных комплектующих миллионы раз в секунду (измеряется в мегагерцах, МГц).
Благодаря этому процессу мы получаем постоянное напряжение на нагрузке ниже, чем входное до ключевого транзистора. Импульсы как бы сглаживаются, образую близкую к прямой линию напряжения.
То, что линия напряжения не совсем прямая — это нормально. В реальных условиях идеальных LC-фильтров не бывает, и всегда присутствуют небольшие пульсации напряжения. И главное, подобрать параметры катушки и конденсатора таким образом, чтобы они не успевали разрядиться полностью к концу цикла. Тогда ток становится неразрывным.
К слову, ток на всей цепи примерно равен. А так как синхронный транзистор VT2 открыт несоизмеримо дольше — работать ему приходиться, что называется, за троих.
Как настраивается преобразователь
Уровень напряжения на нагрузке будет зависеть от длительности первой и второй стадий в рамках одного цикла. Ведь чем дольше открыт транзистор VT1, тем больше энергии успевает накопить катушка и тем выше будет по итогу напряжение после LC-фильтра.
Если мы поделим время первой стадии на длительность полного цикла, то получим коэффициент заполнения (D) от 0 до 100 %.
Чтобы узнать выходное напряжение (U out), нужно коэффициент заполнения умножить на входное напряжение (U in).
А чтобы узнать коэффициент заполнения, делим U out на U in.
Простой пример: чтобы получить типичное для центрального процессора напряжение в 1,2 вольта, то, поделив на входные 12 вольт (напряжение на выходе блока питания), получим D=0,1.
1,2 / 12 = 0,1 * 100 % = 10 %
Это значит, что первая стадия (накачки энергии) займет всего 10 % времени от общей длительности цикла, а оставшиеся 90 % времени уйдут на стадию разряда.
Когда одной фазы недостаточно
В мощных преобразователях часто используется не один канал с парой транзисторов, одной катушкой и одним конденсатором, а несколько параллельно подключенных каналов.
Как мы уже выяснили, любой проводник имеет ненулевое сопротивление и нагревается. Транзистор в ключевом режиме — тоже проводник, как обычный выключатель. И сопротивление (Rds) между его входом и выходом (сток-исток) не равно нулю. Значит, чем выше ток, тем сложнее будет электронам пробиться через него, что приведет к потерям энергии и нагреву. Чтобы минимизировать этот эффект и применяются несколько фаз — нагрузка распределяется между ними поровну.
Еще один интересный способ повысить эффективность: синхронный транзистор VT2 открыт примерно в семь-восемь раз дольше чем VT1, поэтому VT2 часто дублируют и стараются подобрать более продвинутую и дорогую модель с низким Rds.
Но это еще не все. Такие каналы не просто так называют «фазами». Процесс переключения транзисторов в разных каналах происходит не одновременно, а с небольшим сдвигом по фазе.
На выходе после LC-фильтров все фазы объединяются в одну, и амплитуда пульсаций становится значительно ниже, чем было бы у каждой фазы в отдельности.
Так что даже несколько десятков каналов в преобразователе на материнской плате неправильно называть «избытком». Ведь это не только меньшие потери, но и лучшее качество напряжения. Меньше пульсаций напряжения — меньше выбросов во внутренние узлы процессора — выше стабильность всей схемы, особенно при разгоне.
Те же принципы справедливы и для графического чипа видеокарты, процессора смартфона и любой другой «тонкой» электроники. Но в этом случае разработчики уже за нас рассчитали потребляемую мощность и количество необходимых узлов. А вот при выборе материнской платы пользователь должен сам определить, что ему нужно, учесть потребляемую мощность процессора. Тем более, если в планах серьезный разгон.
Обзор компактной MSI GeForce GTX 1660 SUPER AERO ITX и влияние модификаций на охлаждение видеокарты
После серьёзного апгрейда компьютера непосредственно перед снижением беспошлинных лимитов до 200 евро в моём системном блоке царила гармония. Однако установка впоследствии затянувшей меня игры «Kingdom Come: Deliverance» показала неспособность младшей видеокарты в серии обеспечить приемлемый FPS даже при «средних» настройках, настойчиво требуя более мощный видеоускоритель. Ввиду ограниченного бюджета и скромной мощности блока питания на 400Вт выбирать пришлось лишь среди GeForce GTX 1660Ti/Super.
Установленная в компьютер материнская плата Gigabyte b450m s2h имела неприятную особенность: в случае использования двухвентиляторного ускорителя им перекрывались востребованные мною SATA-разъёмы. К сожалению, чего-то похожего на кабели CP11 от SilverStone у меня тогда под рукой не оказалось.
После первых же секунд работы видеускорителя в требовательных играх стало ясно, что система охлаждения у него очень посредственная. Несмотря на скромные 125 Вт лимита мощности BIOS, из которых на видеочип приходилось около 90, температуры кристалла у новинки доходили до 79 градусов при ревущем на фоне тихого системного блока вентиляторе. Впрочем, это всё-таки ниже чем у ASUS GeForce GTX 1660 Super Phoenix с простейшим алюминиевым радиатором, оснащённым медным сердечником.
По сравнению с двухвентиляторной «родственницей» MSI 1660S VENTUS XS, куллер которой так же оснащён единственной тепловой трубкой, в Aero ITX её диаметр уменьшен с 8 мм до 6 мм, да и сама алюминиевая конструкция по полезной площади и массе намного скромнее.
Радиатор VRM относительно небольшой: ширины хватает в аккурат чтобы закрыть собой через термопрокладку мосфеты, расположенные по 3 штуки в ряд.
Память GDDR6 производства Samsung разгоняется со штатных 14 ГГц до частот свыше 16 ГГц, но при этом ощутимо греется. В то же время горячий радиатор закрывает через термопрокладки чипы памяти, ещё больше ухудшая условия их работы. Из-за этого с предустановленным кулером малейший разгон видеопамяти при нагреве видеокарты приводил к появлению мерцающих артефактов розового цвета.
Недолго думая, было решено заменить штатную систему охлаждения. Первым делом был установлен раритетный универсальный кулер для видеокарт Arctic Accelero Twin Turbo II. Несмотря на полученные температуры около 60 градусов, шум родных вентиляторов с подшипниками качения и несуразный внешний вид вынудили его отвергнуть.
Далее был опробован карманный монстр с 6-ю тепловыми трубками Ice Hammer IH-900B, на котором пришлось сместить крепление и установить тихий узкопрофильный вентилятор Noctua NF-A12x15 PWM chrоmax.black.swap.
Из-за отсутствия обдува пространства под блоком рёбер и разъёмом PCIe x16 там застаивался горячий воздух, нагревающий чипсет b450 до 50 градусов. Так же из-за огромного теплосъёмника отсутствовала возможность предусмотреть охлаждение чипов памяти, а поток воздуха от вентилятора практически не обдувал расположенный сбоку радиатор VRM.
Поэтому от применения «Ледяного молота» я быстро отказался и вернулся к использованию более эффективного радиатора от Arctic Accelero Twin Turbo II. Для начала решено было снять с него кожух с вертушками и выкрасить крайнюю пластину в чёрный цвет под стиль установленного процессорного кулера Thermalright Macho 120 rev.A:
Из имевшегося обрезка алюминиевого профиля был изготовлен радиатор VRM, впрочем не без недостатков: с одной из сторон его основания слегка нехватало, чтобы закрыть мосфеты полностью. Хоть это и не бросалось в глаза под термопрокладкой Arctic Thermal Pad, но вызывало чувство незавершённости.
Для обдува был использован всё тот же узкопрофильный вентилятор Noctua, закреплённый за рёбра импровизированными захватами из полиамидных стяжек DKC.
Несмотря на бросающуюся в глаза недостаточность данного решения для полноценного обдува радиатора, температуры получились на уровне шеститрубочного Ice Hammer IH-900B. Кроме этого, благодаря циркуляции воздуха за блоком рёбер со стороны разъёма PCIe x16 упали температуры чипсета b450. Впрочем обдув радиатора VRM всё равно был слабым.
В качестве более эффективной альтернативы кулеру Noctua и с целью лучшего охлаждения текстолита с мосфетами и чипами памяти было опробовано применение 14-сантиметрового вентилятора от Thermalright. За счёт более высокого воздушного потока температуры видеочипа действительно опустились до 60 градусов, однако создаваемая вентилятором вибрация и особенно повышенный на фоне системного блока уровень шума не позволили рассматривать этот вариант в качестве финального.
Требовало изменений и штатное крепление Arctic Accelero Twin Turbo II, не позволявшее установить какие-либо радиаторы на видеопамять.
Вместо него было решено использовать тандем металлических уголков, закреплённых на паре винтов с каждой стороны вместо единственного у штатной рамки
После установки нового крепежа стал заметен небольшой изгиб текстолита под ним.
После обработки надфилем приложил заготовку к фотоплёнке со старым рентгеновским снимком и по контуру вырезал из неё диэлектрическую прокладку
Окончательно подогнал размеры бэкплейта для исключения касания SMD-элементов и закрепил его
Наконец, было решено вернуть австрийскую 120-миллиметровую вертушку, поместив сбоку над радиатором VRM и поставить ему в помощь 92-миллиметрового собрата Noctua NF-A9x14 HS-PWM chromax.black.swap:
Теперь блок рёбер продувался полностью и выходя за пределы текстолита на габарит вентилятора, делал видеокарту похожей на представителя линейки RTX30X0.
Но такое решение показало слабую эффективность, отражаясь во всё ещё горячей температуре этой области видеоускорителя. Также на фото ниже можно заметить прогиб текстолита под чипами памяти, который из-за наличия SMD-элементов с обратной стороны не мог был устранён применением металлической backside-пластины, требуя иного решения.
Для установки нового радиатора VRM было задействовано всё доступное место на текстолите от дросселей до I/0 панели, что вместе с более внушительным межрёберным расстоянием по сравнению с предыдущей версией изделия должно было улучшить теплоотдачу.
Радиатор чипов памяти доработанного исполнения обзавёлся выступающим за пределы текстолита гребнем рёбер, значительно повысившим эффективную площадь. Кроме этого, для предотвращения выгибания текстолита давлением на чипы памяти, винты были оснащены пластиковыми прокладками высотой чуть менее чем у микросхем памяти с «подушками» из Arctic Thermal Pad.
Вид в сборе со стороны текстолита:
Вид со стороны вентиляторов:
В таком исполнении видеокарту решено оставить: теперь система охлаждения MSI GTX1660S Aero ITX меня полностью устраивает.
Кроме этого, работа видеопамяти на частоте 16 ГГц вместо штатных 14 при любом уровне нагрузки более не вызывает появления розовых артефактов. Вместе с этим, даунвольтинг видеокарты совместно с низкими температурами чипа позволяет держать в играх частоту ядра более 2 ГГц без упора в лимит мощности, ограниченный bios на отметке 125Вт.
Ну и конечно шумовые характеристики компьютера вернулись в норму, чего никак нельзя было сказать о ситуации с использованием MSI GTX1660S Aero ITX в заводском исполнении.
Всем спасибо за внимание! И помните, что подобные манипуляции производятся на свой страх и риск, естественно приводя к потере гарантии.