Железо

О роли блокировочных конденсаторов фаз питания видеокарт

Стабильность работы видеопроцессора во многом зависит от качества питающего напряжения. За его формирование отвечают фазы питания, размещающиеся на плате видеокарты, которые (в основном) используют линию +12 вольт от блока питания компьютера. В связи с этим напряжение по двенадцативольтовой линии от БП должно быть высокого качества, иначе фазы питания GPU, работающие в стесненных малой площадью видеокарты условиях, не справятся со своей задачей.

Некоторые вопросы функционирования фаз питания видеокарт рассматривались в статье «Как работает VRM на видеокартах на примере GeForce GTX 1080».

Проблемы, возникающие при неисправности фильтрующих конденсаторов в цепях питания видеокарт AMD Radeon, рассматривались в статье «Устранение типичной неисправности в цепи питания Sapphire Radeon RX400/500-й серий».

В данной статье рассматриваются особенности работы фаз питания с точки зрения фильтрации НЧ/ВЧ паразитных помех. Особое внимание уделяется назначению керамических и танталовых фильтрующих конденсаторов на выходе фаз питания.

Место блокировочных конденсаторов в цепях питания видеокарт

Для начала стоит рассмотреть практическую реализацию цепей VRM на примере часто использующихся видеокарт.

Упрощенная четырехфазная схема питания, часто использующаяся у GPU уровня AMD Radeon RX470/570:

На выходе каждой фазы имеется конденсатор C, отвечающий за накопление электрической энергии во время рабочего цикла фазы и за отдачу тока во время отключения полевым транзистором питающего напряжения.

В качестве контроллера у видеокарт по цепи питания ядра используется ШИМ-контроллер, например, в GPU AMD серии RX – это микросхема фирмы International Rectifier IR3567. Она может управляться программно через интерфейс I2C ,что позволяет осуществлять даунвольтинг или разгон видеокарты согласно предпочтениям пользователя прямо из операционной системы.

Плата референсной видеокарты Радеон RX480 с 6+1 фазами питания, стрелкой показан voltage controller IR3567:

Обратная сторона видеокарты АМД Радеон RX480 с 6+1 фазами питания

Упрощенная схема фазы питания, управляющейся ШИМ-контроллером IR3567 с драйвером CHL8515:

У видеокарт AMD серии RX в цепях формирования напряжений ядра и памяти в качестве ключей обычно используются MOSFET-транзисторы фирмы Magna: MDU1514 – верхнее плечо, MDU1517/MDU1511 – нижнее.

Транзисторы MDU1514 и MDU1511 фазы питания видеокарты Radeon RX 480:

Элементы цепей питания видеокарты Sapphire’s RX 460 Nitro  с 4+1 фазным VRM (ШИМ – контроллер Vcore NCP8022):

В районе фаз питания любой видеокарты есть большое количество керамических конденсаторов разных номиналов (на фотографии ниже они находятся справа):

Эти конденсаторы не показаны на упрощенной схеме фаз питания, так как они не являются обязательными. Схема будет работать и без них, хотя и не так качественно.

Производители видеокарт часто экономят, не устанавливая некоторые эти конденсаторы и другие детали на плату, а иногда полностью выбрасывая из схемы целые фазы питания.

Фотография платы видеокарты GTX 1080 Founder’s Edition с недостающими деталями (конденсаторы, дросселя и полевые транзисторы) в цепях питания:

Возникает резонный вопрос, а зачем вообще нужны эти маленькие конденсаторы на выходе фаз питания?

Зачем нужны дополнительные фильтрующие конденсаторы на выходе фаз питания?

Даже при отсутствии фильтрующих керамических или танталовых конденсаторов малой емкости видеокарта будет продолжать работать, но стабильность ее работы, а также разгонный потенциал будут меньшими.

Напряжение на выходе понижающего buck-конвертера видеокарт имеет множество пульсаций из-за импульсного характера работы этого преобразователя.

Выходное напряжение на выходе фазы без выходного сглаживающего электролитического конденсатора большой емкости (сотни микрофарад) имеет импульсную форму с частотой, определяемой ШИМ-контроллером:

Графический чип не может работать с таким напряжением. Улучшить форму выходного тока и уменьшить его импульсный характер можно так:

  • путем добавления фаз, работающих со сдвигом;
  • увеличением частоты управляющего ШИМ-сигнала;
  • увеличением индуктивности катушки LC-контура;
  • установкой электрической емкости на выход фазы питания.

При добавлении электролитического сглаживающего конденсатора выходное напряжение принимает форму постоянного, но имеет сильные ВЧ и НЧ пульсации с наибольшей амплитудой во время переходных процессов: в момент нарастания и спада управляющих импульсов ШИМ:

Электролитические конденсаторы не могут обеспечить фильтрацию этих пульсаций из-за их высоких паразитных ESR/LSR. Они возникают из-за наличия сопротивления у электролита и алюминиевой ленты, которой намотаны обкладки конденсаторов.

Несмотря на это, установка дополнительных электролитических конденсаторов вполне оправданна. Она способна обеспечить более стабильную работу цепей питания при низкой частоте ШИМ-контроллера и уменьшенном выходном напряжении.

Это увеличивает возможности даунвольтинга, а также разгонный потенциал GPU и поэтому иногда используется при моддинге видеокарт:

Но, так как электролитические конденсаторы не фильтруют высокочастотные и низкочастотные помехи, то при снижении формируемого фазами питающего напряжения они (помехи) оказывают все большее негативное влияние на стабильность работы видеокарт.

Напряжение, формируемое каждой фазой VRM, имеет высокий уровень ВЧ-помех, вызванных резонансными явлениями в выходном LC-контуре:

Это связано с тем, что частота ВЧ пульсаций и их амплитуда связаны с резонансом выходного LC-контура, который остается неизменным при уменьшении частоты ШИМ. Тактовая частота ШИМ-контроллера мало влияет на амплитуду помех, так как они появляются на восходящих и спадающих фронтах управляющего сигнала. Поэтому в многофазной системе таких помех будет даже больше из-за суммирования помех на фронтах фаз, работающих со сдвигом.

При уменьшении напряжения на выходе фазы, отношение амплитуды ВЧ и НЧ помех к величине формируемого питающего напряжения возрастает. Из-за этого уменьшается стабильность работы GPU, и, при малой фильтрации ВЧ-помех, невозможно опустить напряжение на ядре ниже определенного, порогового значения.

Как уменьшить уровень низкочастотных и высокочастотных помех на выходе фаз питания?

Высокочастотные пульсации можно значительно уменьшить с помощью добавления на выход фаз дополнительных конденсаторов, работающих на высоких частотах.

Обычно для этого используют керамические блокировочные конденсаторы малой емкости, устанавливаемые как можно ближе к выводам питания GPU/памяти/процессора, а также керамические/танталовые конденсаторы большей емкости на расстоянии нескольких сантиметров от микросхем. Для фильтрации приходится использовать несколько параллельно включенных конденсаторов разных номиналов из-за разницы в их параметрах ESR и ESL.

В приведенной ниже схеме конденсатор на 10 мкф (дальний) фильтрует низкочастотную составляющую, а второй конденсатор на 0,1 мкф (ближний) справляется с ВЧ-помехами:

Изменение формы выходного напряжения на осциллографе при использовании блокировочных конденсаторов (слева – без фильтрующих ВЧ конденсаторов, справа – с ними):

Практическая реализация фильтрации паразитных колебаний на выходе фаз питания VRM видеокарты на примере Radeon HD6770:

Как видно из схемы, на выходе +VDDC стоит 10 пар фильтрующих SMD-конденсаторов на 10 мкф в корпусе 0805 для фильтрации НЧ-составляющей и пара строенных конденсаторов на 100 нф,15нф и 390 пикофарад для устранения ВЧ-пульсаций.

Заключение

Блокировочные/фильтрующие конденсаторы являются важными компонентами импульсных источников питания. Так как они работают на высоких частотах, их нужно устанавливать как можно ближе к выводам питания чипов. Это нужно чтобы свести к минимуму индуктивность проводников от конденсаторов до питаемых компонентов. Конденсаторы большей емкости нужно ставить дальше, а меньшей – как можно ближе к GPU/процессору.

При майнинге на высоких температурах нужно учитывать, что при нагреве керамические конденсаторы теряют емкость. Это снижает фильтрацию и ухудшает устойчивость работы GPU. В связи с этим в жару приходится понижать разгон майнинг ферм, так как система теряет устойчивое состояние.

Для увеличения эффективности работы блокировочных керамических/танталовых конденсаторов стоит использовать конденсаторы с меньшим корпусом, так как они имеют меньшую паразитную эквивалентную последовательную емкость (ESL).

Зависимость ESL от размера конденсатора:

Размер SMD-корпуса конденсатора

Индуктивность, пГн

Керамические конденсаторы

0603

850

0805

1050
1206

1250

1210

1020

Танталовые конденсаторы

0805

1600
1206

2200

1210

2250
2312

2800

Для обеспечения стабильности питающего напряжения при высокой нагрузке (майнинг) нужно наращивать емкость электролитических конденсаторов VRM. При этом желательно использовать конденсаторы с ультранизким ESR, например, японские твердотельные конденсаторы Solid CAP.

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