О регулировке вольтажа Vcore на современных видеокартах Nvidia

На современных видеокартах Nvidia (начиная с 2000-й серии) для регулировки напряжения Vcore используется схемотехника, немного отличающаяся от той, которая использовалась ранее. Вместо аналоговых ШИМ-контроллеров в энергоемких цепях питания все чаще используются цифровые, например, MP2888A, MP2884A, MP86957 и другие.

Благодаря использованию современных контроллеров, способных собирать телеметрические данные и исправлять выявленные ошибки, уменьшилось количество обвязочных электронных элементов, что положительно сказлось на надежности и снизило общее потребление видеокарт.

Параллельно увеличилось максимальное количество фаз по линии VCore, уменьшилась пульсация этого напряжения, улучшились частотные характеристики, что сделало работу GPU более стабильной.

Стал возможным больший разгон, так как чем больше фаз VRM содержится в системе питания, тем больший ток (мощность) она может выдавать, сохраняя приемлемую температуру:

Контроллер MP2888A (в правом нижнем углу) на печатной плате видеокарты Asus ROG Strix GeForce RTX 3060 Ti OC Edition (8 ГБ):

Типовая схема включения MP2888A в многофазной Intelli-Phase VRM:

Аналоговые PWM-контроллеры, широко использовавшиеся ранее для управления силовыми ключами подсистемы питания GPU поддерживают только протокол PWM-VID (Pulse-Width Modulation Voltage Identification), но не могут непосредственно работать с шиной управления питанием (PMBus, сокращение от Power Managment Bus).

Более современные ШИМ-ки, такие, как MP2888A, это умеют.

ШИМ-контроллер MP2888A производства Monolithic Power Systems Digital, широко использующийся в последние годы на видеокартах Nvidia:

Микросхема MP2888A выпускается в корпусе QFN-40, имеет размеры 5x5mm:

Это 10-фазный контроллер c шиной управления питанием (PMBus, сокращение от Power Managment Bus) и поддержкой протокола PWM-VID, (Pulse-Width Modulation Voltage Identification).

Блок-схема MP2888A:

Контроллер поддерживает частоты переключения ключей в дипазоне от 200kHz до 5MHz.

Контроллер MP2888A обходится всего одним пином для цифрового контроля PWM-VID:

Старые аналоговые контроллеры для этого используют четыре вывода (PWM-VID, REFAD, REFIN и VREF) плюс не менее семи высокоточных внешних компонентов:

В обвязке старых контроллеров обязательно присутствуют компенсационные RC цепи обратной связи. Их оптимизация достаточно сложна, требует выполнения множества операций/тестирования для подбора номинала дополнительных компонентов при работе в различных условиях (при высокой нагрузке и в покое).

Power-On sequence для MP2888A (нормальный режим работы):

Использование цифрового контроллера устраняет необходимость проведения монотонной и трудоемкой работы по настройке, делает этот процесс абсолютно беспроблемным и не требующим использования дополнительных деталей. Это достигается за счет использования контроллером автоматической кольцевой компенсации (automatic loop compensation), которая легко настраивается с помощью изменения значения регистров через шину PMBus.

Точная калибровка работы VRM под нагрузкой (loop compensation и load-line calibration) помогает стабилизировать работу GPU/CPU/ASIC при разгоне.

В схеме с микросхемой MP2888A для этого нужен всего один калибровочный резистор, соединяющий выводы VDIFF и VFB:

Аналоговый контроллер для этого требует намного больше внешних элементов обратной связи, монторинга и компенсации:

Значительное уменьшение числм внешних компонентов в устройствах с современными контроллерами позволяет уменьшить не несколько десятков процентов площадь печатной платы:

Типовые аналоговые ШИМ-контроллеры формируют один управляющий PWM-сигнал для управления одной фазой. При необходимости обеспечить очень большой ток требуется увеличение числа фаз больше предусмотренного техническими характеристиками микросхемы. Для решения этой проблемы ранее часто применялись дорогостоящие контроллеры с максимальным количеством контролируемых фаз плюс даблеры (phase-doublers). Последние удваивают количество фаз генерируя два чередующихся импульса для каждой фазы на основе оригинального сигнала.

Это значительно увеличивает сложность устройства, повышает количество вспомогательных элементов на плате, что увеличивает конечную стоимость изделия и снижает его надежность.

Цифровой контроллер, например, MP2888A может управлять парой фаз, используя один общий управляющий ШИМ-сигнал:

Таким образом отпадает необходимость в использовании удвоителей фаз, а также появляется возможность создать двадцатифазную систему питания, используя цифровой контроллер на 10 фаз.

Кроме того, применение цифрового ШИМ-контроллера значительно облегчает его программирование по протоколу OpenVReg. Например, для программной настройки MP2888A можно использовать Windows-программу MP2888A/MP2965/MP5023 Server Telecom Core Power Monitor:

Расчет емкости накопительного конденсатора и индуктивности на выходе импульсной фазы питания

При проектировании и ремонте многофазных высокотоковых цепей питания важно правильно подобрать выходные (накопительную) индуктивность L и емкость C.

Благодаря их правильному подбору можно добиться требуемой величины колебаний выходного напряжения (ΔIL), а также обеспечить необходимый КПД.

Если принять допустимую величину пульсаций ΔIL для каждой фазы порядка 20-40%, а целевую эффективность VRM (переменная η) на уровне 90%, то величина L будет равна:

где D — duty cycle, рассчитывающийся по формуле:

Для максимального напряжения фазы, равного 1.8 вольтам, при частоте работы ШИМ-контроллера, равной 500 kHz, величина накопительной индуктивности примерно равна 220 nH:

Установка выходного конденсатора необходимой емкости позволяет снизить уровень пульсаций выходного напряжения до 1% (18mV). Выходная емкость (COUT) в данном случае должна быть не менее 190 мКф. Она вычисляется по следующим формулам:

Фазы должны обеспечивать стабильное выходное напряжение при резком увеличении входного напряжения (VOVER) и снижении входного вольтажа (VUNDER).

|Способность VRM обеспечить работу при резком понижения вольтажа (VUNDER) можно вычислить по формуле:

где LEQ – это эквивалентная индуктивность фаз (например, для семифазной VRM она равна L/7), а DMAX  — это максимальный duty cycle.

Учитывая величину VUNDER, выходную емкость нужно увеличить до 652 мКф, согласно формуле:

Работоспособность VRM в условиях VOVER можно оценить по формуле:

Итоговая (суммарная) величина емкости COUT для семифазной VRM равна:

При установке электролитических конденсаторов нужно учитывать их ESR согласно формуле:

Учитывая формулы, приведенные выше, ESR не должна превышать величины 1.32 миллиОма:

Это очень малая величина, поэтому нужно использовать большое количество конденсаторов малой емкости, включенных параллельно. Это уменьшает суммарную величину ESR, параллельно наращивая общую накопительную емкость.

Шестнадцатифазная VRM видеокарты MSI GeForce RTX 2080 Ti Lightning Z 11 GB, управляемая микросхемой MP2888A состоит из накопительных индуктивностей величиной 220 nH и 820 мКф конденсаторов:

Увеличение количества фаз положительно сказывается на температурном режиме элементов VRM, снижает амплитуду входного тока (ток RMS – функцию от Duty Cycle и количества фаз):

Входная емкость у buck-конвертера выбирается в зависимости от допустимой величины колебаний входного тока, например, для ΔVIN= 240mV, величина CIN подбирается по формуле: