Для чего нужен vrm питания памяти

Что такое фазы питания VRM материнской платы?

VRM: важный в роли, но часто забытый

На каждой материнской плате есть цепь рядом с CPU, называемая модулем регулятора напряжения или VRM. Задача VRM состоит в том, чтобы сделать питание от блока питания пригодным для использования процессором и помочь, стабилизировать его. Если бы не VRM, ваш процессор даже не работал бы!

ОЗУ также имеет гораздо меньший, более простой VRM рядом со слотами оперативной памяти. Тем не менее, обычно фокусируется только на VRM процессора. Тяжёлый разгон ОЗУ выполняется немногими, и ОЗУ потребляет меньше энергии, чем ЦП, поэтому его часто игнорируют.

Технический материал: силовые фазы

В VRM есть две отдельные группы фаз питания. Один используется для ядер ЦП, а другой используется другими частями ЦП, например, встроенным графическим процессором. На типичной материнской плате фазы питания, используемые для ядер ЦП (те, которые нас интересуют больше всего), находятся слева от ЦП, в то время как другие находятся над ним, но это не всегда так, особенно для небольших материнских плат.

По мере увеличения количества фаз питания время, в течение которого данная фаза питания «работает», уменьшается. Например, если у вас есть две фазы питания, каждая фаза работает 50% времени. Добавьте третью, и каждая фаза работает только 33% времени, и так далее.

Если предположить, что используются одни и те же компоненты, то чем больше фаз вы добавите, тем круче будет работать каждая фаза, тем больше мощности сможет выдать VRM и тем стабильнее будет напряжение на процессоре. Чем больше энергии использует ваш процессор, тем горячее работает VRM. Работа кулера увеличивает срок службы VRM и снижает риск перегрева, что может стать проблемой для оверклокеров. Более высокая выходная мощность снижает риск перегрузки VRM, что может привести к выключению системы или замедлению работы процессора. Лучшая стабильность питания ЦП может в ограниченной степени снизить необходимое напряжение для стабильности разгона, повышения температуры ЦП и теоретического срока службы.

Качество фазы

Важно понимать, что большее количество фаз питания не обязательно означает лучший VRM. Фактический выбор компонентов во всем VRM имеет большое значение для рабочих температур и того, какую мощность способен выдержать VRM. Преимущество большего количества фаз заключается в стабильности напряжения, которое выдает VRM, в то время как температура и способность выходной мощности VRM находятся в воздухе.

Четыре фазы вполне могут быть лучшим выбором, чем восемь фаз, если компоненты достаточно лучше. С практической точки зрения, больше этапов, лучший выбор, но это не всегда так, поэтому лучше рассмотреть это в каждом конкретном случае.

Обманчивый маркетинг и дизайн

Довольно распространенная конструкция, используемая производителями материнских плат, заключается в удвоении количества компонентов, используемых в каждой фазе питания, без удвоения количества фаз питания. Те, кто не знает лучше, могут предположить, что вы можете подсчитать количество дросселей для подсчета количества фаз питания. Что возможно и более важно, производители материнских плат часто (но не всегда) используют эту конструкцию, одновременно требуя более высокого числа фаз. Хотя количество фаз питания не увеличивается, фактическое качество фаз все еще увеличивается, что значительно повышает выходную мощность VRM, а также рабочие температуры.

Эта практика вводит в заблуждение и не идеальна по сравнению с более актуальными фазами, но она все же помогает. ASUS Z390 Maximus XI Hero и MSI B450M Mortar (Titanium) считаются примерами такого дизайна, хотя и не являются обманчивым маркетингом. Тем не менее, Asrock Fatal1ty AB350 Gaming-ITX/ac, безусловно, считается примером притязательного подсчета количества фаз с использованием этой конструкции.

Производители материнских плат иногда выходят за рамки маркетинга двухкомпонентных фаз как дополнительные фазы, даже не удваивая все компоненты, но при этом требуют большего числа фаз. Они могут добавить еще один дроссель и, возможно, один транзистор (хотя и более важный, который обрабатывает большую часть мощности), чтобы создать видимость большего количества фаз, но не добавлять отдельные фазы. Это делает любую ложь о подсчете фаз еще более вопиющей и (в ограниченной, но не большой степени) уменьшает реальную выгоду. Gigabyte B450 Aorus M и Aorus Elite, Biostar B450MHC и ASUS TUF Z370-Pro Gaming являются примерами этого дизайна, хотя у них нет претензий по количеству фаз, связанных с ними.

Вывод

В конечном счете, в системах с процессорами последнего поколения беспокойство о VRM будет в основном актуально для тех, кто хочет достичь высоких разгонов, а не для обычных пользователей. До тех пор, пока производитель не укажет определенный процессор TDP как не поддерживаемый, вы можете использовать любой современный процессор на материнской плате с совместимым сокетом и запускать его без разгона и без проблем.

Основанное на доступных в настоящее время материнских платах, маловероятно, что вы столкнетесь с какими-либо существенными неудачами с любой приличной (фактической) четырехфазной материнской платой и четырехъядерным или шестиядерным процессором, а также с шестифазной материнской платой и восьмиъядерной центральный процессор (по крайней мере, до тех пор, пока его охлаждение не будет ужасным, как на ASRock Z390 Pro4). И если вы не пытаетесь побить рекорды разгона или используете процессор с 16+ ядрами, практические преимущества для виртуальных виртуальных машин высшего класса, которые могут иметь более восьми высококачественных фаз питания, невелики. Температура всегда может быть проблемой, но фактические температуры всегда будут варьироваться между пользователями и их оборудованием, в то время как какое-либо влияние на срок службы материнской платы неясно.

Все это говорит о том, что для большинства людей не стоит беспокоиться о VRM. Для нас, обычных пользователей, лучше сосредоточиться в основном на функциях и, возможно, эстетике, которую обеспечивает материнская плата. Но, зная это, вы можете сделать свой выбор более эффективно для ваших нужд.

Источник

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.

PWM-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.

Источник

Самые важные параметры преобразователей VRM материнских плат

Содержание

Содержание

Модуль регулятора напряжения материнской платы состоит из множества радиоэлементов: начиная от ШИМ-контроллера, который является центром управления, и заканчивая умножителями и мосфетами. Давайте разберемся, какие у них бывают технические характеристики и что это дает на практике.

В предыдущих статьях цикла мы уже выяснили, из чего состоит VRM. Также рассмотрели пять различных топологий, которые применяют производители плат. Перед прочтением материала рекомендуем сперва ознакомиться с этими публикациями.

ШИМ-контроллеры

Основной параметр контроллера — количество каналов управления.

Центральный процессор состоит из двух функциональных узлов, которые питаются через отдельные линии питания: VDD — это ядра процессора, а в SoC входят интегрированная графика и контроллер памяти. Получается, что ШИМ-контроллер состоит из двух контроллеров, которые работают независимо, но расположены в одном корпусе. Первая часть каналов используется для формирования напряжения питания VDD, а вторая — для SoC.

Сам преобразователь VRM тоже делится на два независимых канала. Они обозначаются в схеме питания как А + В, где А — количество каналов для формирования напряжения VDD; а В — количество для SoC.

Разберем на примерах. В материнской плате GIGABYTE A520M DS3H реализована схема питания 5 + 3. Пять каналов предназначены для VDD, три формируют напряжение для SoC. Применяемый в плате контроллер Renesas RAA 229004 способен работать и по схеме 6 + 2, все зависит от производителя. Топология преобразователя VRM классическая: один канал ШИМ-контроллера управляет одной фазой.

В GIGABYTE B550 AORUS Elite V2 используется контроллер Intersil RAA 229004 со схемой питания 12 + 2. Корректней будет записать ее (6 × 2) + 2. Шесть каналов контроллера через удвоители управляют 12 фазами питания VDD, еще два канала — двумя фазами, формирующими напряжение для SoC.

В материнской плате ASUS TUF Gaming Z590-Plus реализована схема 14 + 2 [корректней (7 × 2) + (1 × 2)]. Восьмиканальный ШИМ-контроллер ASP1900B использует семь каналов, которые через удвоители управляют 14 фазами питания VDD, а последний канал (тоже через даблер) выдает напряжение на SoC.

Умножители

Они предназначены для кратного увеличения количества фаз и увеличения результирующей мощности VRM. Подробнее читайте здесь.

Умножители распределяют импульсы поочередно, поэтому частота на каждом из выходов удвоителя (400 кГц) будет вдвое ниже частоты на входе (800 кГц).

А для учетверителя — в четыре раза ниже (200 кГц):

В материнской плате GIGABYTE Z490 Aorus Xtreme используются даблеры Renesas ISL 6617. Они удваивают восемь каналов ШИМ-контроллера Renesas ISL 69269 до 16 фаз.

Также в ее VRM применяется интересное техническое решение. Для питания функциональных узлов процессора используются разные ШИМ-контроллеры. На VDD напряжение формирует восьмиканальный Renesas ISL 69269, а для SoC — одноканальный Richtek RT9018B.

Мосфеты

Ключевым параметром мосфета является Rds (Resistanse drain to source, в переводе «сопротивление сток — исток»). От него зависит, какая мощность будет выделяться на корпусе в виде тепла. Эти потери определяют КПД всего функционального узла, в котором используется мосфет. Чем ниже Rds — тем лучше. Подробнее об устройстве и работе полевого транзистора читайте здесь.

Разберем на примере. Выделяемая мощность — это произведение квадрата протекаемого тока на его сопротивление: P = I 2 × R. Если последнее велико (примем 0,1 Ом), то при токе 20 А мощность составит 40 Вт (20 2 × 0,1 = 40). Это довольно большая величина, которая способна вывести мосфет из строя. Чтобы предотвратить подобное, нужно уменьшить ток. То есть, при большом сопротивлении максимальный ток ограничивается мощностью рассеивания, даже если кристалл мосфета способен пропускать гораздо больше.

Хорошим значением Rds считается диапазон от 0,001 до 0,003 Ом. В таком случае мощность составит от 0,4 Вт до 1,2 Вт.

Мосфеты обладают положительным коэффициентом сопротивления, что является негативным фактором. Это значит, что при увеличении их температуры Rds тоже увеличивается.

Еще один параметр, о котором стоит упомянуть — максимальный ток мосфета (I_D). Это величина, которую полевой транзистор способен пропустить через себя, работая в ключевом режиме на предельной температуре кристалла. При известном значении Rds этот ток определяет максимальную рассеиваемую мощность (P_max = I_D 2 × Rds).

Третья важная характеристика — максимальная частота. Чтобы о ней поговорить, сперва нужно разобраться, какие бывают сборки мосфетов.

Сборка в одном корпусе с драйвером

В 2004 году Intel разработала технологию DrMOS. Название составили из начальных частей слов Driver и MOSFET. Инженеры компании упаковали в одном корпусе микросхемы сразу несколько элементов: драйвер и оба силовых ключа (верхнего и нижнего плеча).

Элементы в такой схеме располагаются очень компактно. Длина соединительных линий стала меньше, что привело к уменьшению паразитных индуктивностей и емкостей. В результате частота переключения мосфетов, при которой сохраняются требуемые параметры по тепловыделению и КПД, увеличилась до четырех раз. Помимо этого, удалось добиться наилучшего согласования выходных параметров драйвера с входными характеристиками мосфетов.

Экономия площади текстолита — еще одно достоинство, что особенно актуально для материнских плат формата mATX. Но есть и недостаток. Если дискретный силовой ключ или драйвер выйдут из строя, то можно перепаять их отдельно. В случае DrMOS придется менять всю микросхему, что значительно дороже.

DrMOS используют большинство производителей. Например, компания ASUS применила их для VRM материнской платы ROG STRIX B550-F GAMING.

Сборка в одном корпусе, но драйвер отдельно

В такой гибридной компоновке два силовых ключа соединяют в единый коммутатор, а драйвер располагают отдельно.

Мосфеты подбираются с параметрами, которые обеспечивают сбалансированную работу в паре. С одной стороны, экономится площадь материнской платы, а с другой — немного увеличивается ремонтопригодность (в сравнении с DrMOS).

Дискретная компоновка

Несмотря на то, что эта схема самая «древняя» и кажется устаревшей, до сих пор выпускается множество материнских плат с раздельными мосфетами и драйвером.

Главный недостаток — невысокая скорость переключения силовых ключей. Из-за длинных связей между элементами, паразитные индуктивности здесь гораздо больше. Поэтому максимальная частота переключения мосфетов значительно ниже, чем у DrMOS. Она составляет примерно 0,5 МГц, тогда как совместная сборка с драйвером позволяет поднять ее вплоть до 2 МГц:

Недостатки и преимущества обратны DrMOS. С одной стороны, хорошая ремонтопригодность. Но с другой, используется бо́льшая площадь текстолита платы.

Компоновка VRM с дискретными ключами и драйверами применяется, например, в материнской плате MSI MAG B560M MORTAR.

Источник