Железо,  Статьи

Как работает VRM материнских плат

В любом компьютере есть электрические цепи, ответственные за формирование нужных напряжений для процессора, видеокарты и других устройств. К наиболее важным из них относятся схемы регулировки напряжения VRM (voltage regulator modules).

В данной статье рассматриваются базовые особенности функционирования VRM на материнских платах. Знание особенностей работы подсистемы питания помогут обдуманнее относиться к выбору материнских плат и обеспечению их оптимального режима работы.

Для чего нужны цепи VRM на материнской плате?

VRM в компьютере понижают питающие напряжения от блока питания (3.3, 5, 12 вольт) до значений, нужных для электронных элементов питаемых устройств (обычно в пределах 0,5-1,5 вольт).

Место VRM в цепи питания процессора компьютера:

Основные элементы VRM на материнской плате компьютера:

Цепи VRM у видеокарт и материнских плат состоят из понижающих преобразователей постоянного напряжения (DC-to-DC buck power converters) с несколькими фазами. Они работают синхронно со сдвигом импульсов (смещением фаз) относительно друг друга.

Графики, иллюстрирующие включение/работу каждой из четырех фаз питания в зависимости от управляющих импульсов ШИМ-контроллера (PWM):

Основную токовую нагрузку фаз VRM принимают на себя полевые транзисторы, которые работают в качестве ключей – переключателей, пропускающих через себя импульсы тока от блока питания на выходной LC-контур.

Обычно чем больше фаз используется для обеспечения нужного напряжения, тем лучше. Это связано с уменьшением времени работы под нагрузкой элементов каждой фазы, что благотворно сказывается на температурном режиме, увеличивает суммарную отдаваемую мощность, время бесперебойной работы и общую надежность системы.

Например, при использовании двух фаз питания каждая из них работает 50% времени, а при использовании четырех – 25% ,что пропорционально увеличивает ресурс каждого элемента VRM.

Как работают фазы питания VRM?

Одна фаза VRM представляет собой совокупность драйвера, полевых транзисторов, дросселя и конденсатора.

Упрощенная блок-схема полноценной фазы питания:

Полноценная блок-схема одной фазы питания процессора:

Типовая электрическая схема одной фазы питания процессора:

Как видно из схемы, один из МДП-транзисторов (верхнее плечо) стоком подключен к шине питания +12 В, а второй (нижнее плечо) — истоком к массе.

В большинстве случаев в VRM используется запараллеливание нескольких фаз для выигрыша мощности и улучшения режима работы использующихся компонентов.

Упрощенная схема трехфазного VRM:

Каждая фаза питания VRM состоит из следующих электронных элементов:

  • двух полевых транзисторов (MOSFET-ов, Metal-Oxyd Semiconductor Field Effect Transistors) и драйвера управления;
  • дросселя (choke);
  • конденсатора (capacitor).

Полевые транзисторы фаз управляются ШИМ-контроллером (PWM chip), который формирует управляющие импульсы, открывающие (в нужное время) затворы силовых транзисторов через драйвер.

Функционально каждая фаза состоит из трех частей: цепей логики, силовой части и фильтра.

Логическая часть VRM состоит из контроллера напряжения (voltage controller) и ШИМ-контроллера (Pulse Width Modulator).

Задача контроллера ШИМ – отслеживать выходное напряжение и управлять драйверами и удвоителями (если последние есть в схеме). В зависимости от состояния питания на выходе VRM корректируется значение скважности управляющих ШИМ-импульсов, которые используются драйверами для открытия/закрытия затворов ключевых транзисторов.

Для стабилизации выходного напряжения используется изменение скважности импульсов ШИМ через цепь обратной связи, в которой происходит сравнение референсного и выходного напряжений:

Драйвера и удвоители (doublers) непосредственно соединены с MOSFET-ами и являются составными элементами силовой части VRM. Задача драйвера – создать управляющий транзистором сигнал нужного напряжения.

Драйвер осуществляет прямое управление процессами открытия-закрытия транзисторов с частотой, задаваемой ШИМ-контроллером.

Удвоитель делит на два частоту сигнала от ШИМ и распределяет полученные управляющие импульсы по виртуальным фазам. Он создает нужное для полевого транзистора управляющее напряжение, а время открытия и закрытия транзисторов определяет ШИМ.

Блок-схема двух виртуальных фаз питания, полученных с помощью дублирования сигнала ШИМ-контроллера:

Пример использования удвоителя для получения12 виртуальных фаз с шестиканальным контроллером ШИМ:

Использование удвоителей позволяет снизить требования к максимальному току через транзисторы силовых ключей. При этом в жертву приносится форма выходного напряжения. Это происходит из-за уменьшения вдвое частоты следования управляющих ШИМ-импульсов на виртуальных фазах.

Управляющие импульсы от ШИМ-контроллера в схеме с удвоителями делятся на две фазы:

Выходные импульсы с удвоителя имеют уменьшенную вдвое частоту по сравнению с исходным сигналом от ШИМ-контроллера:

В фильтрующей части VRM с помощью конденсаторов производится сглаживание и фильтрация выходного напряжения от помех.

Блок-схема четырехфазной схемы VRM процессора:

Схема восьмифазного VRM материнской платы:

Процессы, происходящие в VRM во время рабочего цикла

Для управления ключевыми транзисторами в импульсных регуляторах напряжения применяются импульсы широтно-импульсной модуляции:

Каждый управляющий импульс от ШИМ инициирует переключение полевых транзисторов верхнего и нижнего плеча, что обеспечивает пропускание тока в выходной контур VRM:

Когда транзистор верхнего плеча открыт (переключатель сток-исток замкнут), напряжение в точке А однофазной схемы равно 12 вольтам.

При этом начинает проходить ток через катушку индуктивности, рост напряжения в точке B (выход дросселя) происходит с замедлением из-за падения напряжения в катушке индуктивности, вызванного индукцией электромагнитного поля. По мере увеличения напряженности магнитного поля, падение напряжения на реактивном сопротивлении катушки уменьшается, и вольтаж на ее выходе достигает 12 вольт.

Чем больше индуктивность катушки, тем больше время, за которое напряжение на ее выходе станет равным 12 вольтам и, соответственно, она накопит больше магнитной энергии.

Когда ключ верхнего плеча размыкается (транзистор закрыт), напряжение в точке A становиться равным нулю. Катушка индуктивности при этом начинает терять накопленный магнитный заряд, что вызывает генерацию тока в точке B (за счет явления электромагнитной индукции), которая является выходом VRM на процессор.

Таким образом, в точке B появляется напряжение от катушки индуктивности L. Для его гашения в цепи обычно используется обратноходовой диод (flyback diode), изображенный на схеме:

В связи с тем, что диоды имею низкую эффективность, обусловленную падением напряжения на p-n переходе (подробнее в статье «Увеличение КПД выпрямителей импульсных блоков питания»), в этот момент замыкается ключ, образованный стоком-истоком транзистора нижнего плеча. Благодаря этому ток в большей мере течет через полевой транзистор, имеющий меньшее сопротивление, чем диод, что увеличивает эффективность схемы.

Для регулировки выходного напряжения на процессор (обычно 1,2 вольт) используется периодическое отключение заряда катушки индуктивности в момент, когда напряжение на точке B становиться равным 1,2 V.

При этом некоторое время нужное напряжение отдают катушка индуктивности и конденсатор, но все равно, через некоторое время начинается падение выходного напряжения ниже уровня 1,2 вольт. Через цепь обратной связи производится повторное замыкание верхнего плеча и повторение процесса заряда-разряда LC-контура. Этот цикл повторяется снова и снова под управлением широтно-импульсной модуляции, частота которой автоматически устанавливается так, чтобы обеспечить выходное напряжение заданного номинала.

Таким образом, транзисторы фаз понижают входное напряжение от блока питания (+12 В) до нужных значений с помощью периодической коммутации цепи LC к земле и +12 В. Управляя скважностью (отношением периода к длительности импульса) импульсов ШИМ, можно стабилизировать формируемые выходные напряжения при разном токе нагрузки.

Например, чтобы добиться выходного напряжения, равного 1,2 вольтам, нужно уменьшить время цикла до 10%. Это даст десятикратное уменьшение напряжения на выходе преобразователя по сравнению с питающими 12 V:

В многофазной системе аналогичные процессы происходят параллельно:

Пример электрической схемы трехфазного VRM процессора:

Благодаря сложению импульсов, формируемых каждой фазой, улучшается форма выходного напряжения (в нем становиться меньше пульсаций):

Пульсации выходного напряжения снижаются пропорционально увеличению количества фаз и уменьшением времени их рабочего цикла:

Форма результирующего выходного напряжения на выходе четырехфазного VRM:

Управляющий сигнал от ШИМ-контроллера поступает на затворы, открывая и закрывая их в соответствии с частотой подаваемых сигналов. Чем выше рабочая частота ШИМ, тем меньше уровень пульсаций выходного напряжения, но, в то же время, меньше КПД, и больше нагрев электронных элементов.

При параллельном включении нескольких синхронно работающих фаз, выходное напряжение очень стабильно, и имеет мало пульсаций. Суммарный выходной ток в многофазном VRM кратен току через все параллельные фазы, каждая из которых работает в наиболее эффективном щадящем (экономичном) режиме.

График зависимости эффективности полевых транзисторов зоны VRM материнской платы Gigabyte Z97X-SOC Force (8 фаз на мосфетах IR3553 с восьмиканальным ШИМ-контроллером IR3580):

Как видно из графика, наименьшие потери у полевых транзисторов этой материнской платы наблюдаются при протекающем токе порядка 10 ампер. При увеличении проходящего тока увеличивается нагрев транзистора, что приводит к значительному падению его эффективности.

Для продления жизни электронных компонентов стоит всячески бороться за снижение температуры их эксплуатации, что полезно как для увеличения заложенного в них ресурса, так и для уменьшения счетов за электричество. Это оправданно и для видеокарт, и для процессоров.

Какие электронные элементы используются в цепях VRM?

В цепях VRM процессора (и других) обычно используются следующие электронные элементы:

  • диоды (Diodes) – обеспечивают прохождение токов VRM в нужном направлении;
  • резисторы (Resistors) – обеспечивают снижение напряжения на участке цепи до нужной величины за счет трансформации излишнего тока в тепло;
  • полевые транзисторы с МОП-структурой (MOSFETs) – полупроводниковые элементы, имеющие внутреннюю структуру метал-оксид-проводник. Благодаря МОСФЕТ-ам возможна точная регулировка напряжений.
  • дроссели (Chokes) – обеспечивают стабилизацию выходного напряжения от полевых транзисторов.
  • конденсаторы (Capacitors) – обычно имеют две функции: обеспечивают прохождение импульсного тока на нужные участки и сглаживают пульсации питающего напряжения.
  • ШИМ-контроллеры (PWM Controllers) – управляют работой фаз питания, имеют ограничения на количество максимально поддерживаемых реальных фаз;
  • драйверы (drivers) – отдельные микросхемы или интегрированные модули в контроллере напряжения, микросхеме DrMOS или чипе удвоения фаз;
  • микросхемы DrMOS – представляют собой сборку из пары полевых МОП-транзисторов (нижнего и верхнего плеча) и драйвера в одном корпусе;
  • удвоители фаз (Phase Doublers) с интегрированными драйверами – чипы, которые из 1-й реальной фазы делают 2 виртуальные, преодолевая ограничение ШИМ-контроллера на количество максимально поддерживаемых фаз.

Пример расположения основных компонентов VRM на материнской плате:

Изображение конденсаторов и катушек индуктивности, использующихся в VRM:

Образцы различных ШИМ-контроллеров:

Изображение полевых транзисторов, использующихся в преобразователях VRM:

Изображение различных драйверов и удвоителей:

Часто в одном корпусе интегральной схемы находятся ШИМ-контроллер, драйверы, транзисторы, а также другие элементы. Это уменьшает габариты и стоимость таких изделий.

Четырехфазный VRM с чипами IR3555, которые включают в одном корпусе интегрированный драйвер, диод Шоттки и два MOSFET-а:

На что нужно обращать внимание при выборе материнской платы?

Чем больше реальных фаз питания у материнской платы или видеокарты, тем надежнее ее система питания и качественнее само изделие. Кроме того, на высококачественных моделях зона VRM обязательно имеет собственное охлаждение.

При выборе материнской платы стоит обращать внимание на реальное количество фаз и драйверов, а не просто считать катушки индуктивности в зоне VRM.

Три сдвоенные фазы питания на материнской плате ASRock Fatal1ty AB350 Gaming (на первый взгляд кажется, что используется 6 фаз, так как отчетливо видно 6 дросселей, выделенных зеленым цветом):

Например, на плате ASRock Fatal1ty AB350 Gaming с якобы шестью фазами питания используется ШИМ-контроллер Intersil ISL95712, который может управлять 4+3 фазами. При этом для первых четырех имеется всего два интегрированных драйвера, и еще один на три других фазы. Таким образом, для получения виртуальных 6 фаз питания на процессор используется дублирование силовых компонентов, управляемых всего тремя драйверами, что не есть гуд.

Какие схемотехнические решения VRM лучше избегать?

Схемы с удвоением сигнала ШИМ улучшают эффективность работы VRM за счет снижения качества выходного напряжения. В связи с этим при одинаковом количестве фаз на плате лучше выбрать такую, у которой они реальные, без удвоителей.

Недобросовестные производители используют упрощенные схемы VRM, в которых используется один ШИМ-сигнал для управления двумя разными цепями без удвоителя:

В этом случае используется один драйвер на две фазы, что значительно уменьшает надежность работы VRM и еще больше ухудшает качество выходного напряжения.

Блок-схема имитационных фаз питания, полученных за счет дублирования силовых компонентов при использовании одного драйвера:

Такая схема дает увеличение выходного тока, а также улучшение температурного режима ключевых транзисторов, но выходное напряжение имеет большие провалы, чем при использовании реальных и даже виртуальных фаз.

В связи с этим не стоит использовать материнские платы с VRM, в которых используется меньше драйверов, чем число использующихся фаз.

Всегда ли наличие большого количества фаз питания на плате гарантирует высокое качество изделия?

Наличие большого количества фаз питания не всегда гарантирует высокое качество изделия, так как при использовании некачественных элементов, плохо продуманной компоновке и отсутствии радиаторов многофазная система питания хоть и будет обеспечивать нужное напряжение, но будет перегреваться, что, в конце концов, приведет к ее поломке.

Кроме того, иногда лучше использовать четырехфазную систему питания с качественными компонентам и радиаторами, чем плохо исполненную восьмифазную безрадиаторную схему.

При покупке той или иной материнской платы/видеокарты нужно всегда внимательно изучать практическую реализацию схемы VRM, наличие радиаторов, обдув и т.д.

Недобросовестные производители иногда сознательно вводят в заблуждение покупателей, устанавливая фейковые фазы питания, декоративные радиаторы, некачественные конденсаторы и резисторы.

Noname-производители, а порой и и звестные бренды иногда имитируют на плате большое количество фаз, скромно умалчивая об установке удвоителей, параллельном использовании силовых элементов вместо применения реальных фаз.

Хотя такие решения уменьшают нагрузку на часть электронных компонентов, а также увеличивают максимальный допустимый ток через транзисторы, все-таки лучше поискать материнские платы с полноценными фазами питания, которые обеспечивают меньший уровень пульсаций, имеют хорошую балансировку VRM, что уменьшает риск их выхода из строя.

Для сравнения далее приводятся данные по материнским платам с примерно одинаковым числом фаз питания процессора:

  • Asrock Fatality B450 Gaming ITX b Asrock Fatality X470 Gaming ITX – имеют по 6 фейковых фаз питания с мосфетами Onsemi FDPC5030 или Sinopower SM7341EH (три реальных фазы со сдвоенными компонентами VRM), которые сильно перегреваются при работе под мощной нагрузкой типа Ryzen 3900X;
  • Gigabyte B450I Aorus – имеет 4 реальных фазы с интегрированными схемами IR3556 ,что недостаточно для мощных процессоров, хотя эта четырехфазная VRM работает лучше, чем фейковая шестифазная от Asrock;
  • Asus ROG STRIX B450-I Gaming – имеет 6 реальных прекрасно работающих фаз питания на IR3556;
  • Asus ROG STRIX X470-I Gaming – имеет VRM, аналогичный B450-I;
  • MSI B450-I Gaming Plus – 6 реальных фаз на IR3555.

Исходя из эффективности и температуры VRM этих плат, они имеют следующий рейтинг:

  1. MSI B450I Gaming;
  2. Обе платы Asus;
  3. Плата Gigabyte;
  4. Обе платы Asrock.

В качестве негативных примеров с точки зрения VRM можно привести материнские платы:

  • ASUS TUF Z370-Pro Gaming – некачественный VRM, 4 фазы;
  • BIOSTAR B450MHC – поддельные 8 фаз (реально 4+2);
  • ASUS Z390 Maximus XI Hero – 4 сдвоенные фазы с имитацией 8 фаз;
  • Asrock Fatal1ty AB350 Gaming-ITX/ac – фейковые 6+2 фазы (реально 3+2) и другие.

При покупке качественной платы нужно учитывать, что не существует ШИМ-контроллеров на больше чем 8 фаз. Для увеличения их количества используются удвоители (doublers). Платы с 12,!6 и даже 24 фазами питания используют именно удвоители фаз в своих VRM.

Изображение VRM материнской платы ASUS P6X58D-E с 16 виртуальными фазами:

В этой плате для увеличения количества фаз используются EPU chip ASP0800 в паре с PEM чипом ASP0801, каждый из которых обеспечивает работу дополнительных 4 фаз, синхронизированных с реальными 8 фазами от ШИМ-контроллера.

Для еще большего увеличения количества рабочих фаз используют учетверители ШИМ-сигнала:

Кроме того, производителями используются и другие ухищрения для увеличения количества фаз, например:

  • дублирование сигнала ШИМ с использованием двойных драйверов в одной интегральной схеме:

  • учетверение ШИМ в одной интегральной схеме:

  • использование двойного драйвера в одном чипе. При этом каждая фаза имеет свой собственный управляющий сигнал ШИМ:

  • использование аналогового переключения:

Обеспечение оптимального температурного режима зоны VRM

При установке на материнскую плату мощных многоядерных процессоров, майнинге на CPU, зона VRM должна обязательно иметь радиаторы. В крайнем случае, на полевики материнки можно наклеить термопроводящим скотчем маленькие радиаторы, купленные на Алиэкспресс. При этом нужно обязательно периодически контролировать температуру MOSFET-ов, так как при выходе их из строя может сгореть и дорогостоящий процессор.

Для контроля температуры можно использовать программы типа HWiNFO, либо бесконтактные инфракрасные измерители температуры/тепловизоры. Температура самых горячих компонентов зоны VRM не должна превышать 80 градусов. Кратковременно они могут выдерживать и сто градусов по Цельсию, но в режиме 24/24 это быстро приведет к их выходу из строя. Кроме VRM нужно контролировать температур чипсета (на нем должен быть установлен маленький радиатор), и, естественно, самого процессора.

Поддержание оптимальной температуры положительно сказывается не только на продолжительности бесперебойной работы, но и на экономичности, так как транзисторы работают с большей эффективностью, что немаловажно при майнинге.

В летнее время для уменьшения температуры зоны VRM стоит уменьшить количество ядер процессора, задействованных в майнинге, либо вообще отключать его во время полуденной жары. Если не удается понизить температуру VRM на материнской плате ниже 70 градусов, стоит установить дополнительный вентилятор, обдувающий эту зону.

Один комментарий

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Chinese (Traditional) ZH-TW English EN French FR German DE Russian RU Spanish ES