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.

Источник

Источник силы
Изучаем характеристики блоков питания

Когда-то давно, во времена первых «пентиумов», блоки питания считались среди пользователей чем-то простым и примитивным. Различия между моделями казались минимальными, да и вообще над правильным питанием комплектующих задумывались единицы, ведь почти все компьютерные корпуса изначально поставлялись с БП. Появление мощных процессоров и видеокарт изменило ситуацию. У одних пользователей система отказывалась стартовать без обновления БП. У других напрочь выгорала половина системного блока, прежде чем к ним приходило осознание, что вот этот 300-ваттник от безымянного производителя и мощный Pentium 4 Prescott не созданы друг для друга. Третьи подозревали о возможных проблемах и запасались продвинутым блоком питания заранее. Словом, БП начали уважать как отдельное устройство. Однако тогда же обыватели завели привычку определять степень «хорошести» блока питания лишь по его максимальной мощности. Увы, за прошедшие годы мало что изменилось: лишь малый процент пользователей осознает, что у этих устройств есть множество других, очень важных параметров. Чтобы людей «просвещенных» стало больше, мы подготовили этот материал.

Счастье — в ваттах?

Итак, мощность. Да, это самый важный параметр блоков питания: каким бы качественным ни был БП, он не потянет тяжеловесную игровую систему с парой Radeon HD 5870 на борту, если его предел составляет 400 Вт. Однако мало кто знает, что все тот же 400-ваттник может отказаться работать с системой, у которой суммарное энергопотребление отдельных компонентов как раз колеблется возле этой отметки. И дело здесь вовсе не в качестве БП. Заявленная мощность показывает, сколько энергии блок может отдавать всей системе в целом, но делать это он будет лишь в том случае, если нагрузки по всем силовым линиям будут соответствовать тем, что указаны в рабочих характеристиках.

Существует взаимная зависимость каналов от их совместной максимальной мощности. Если одна линия может выдавать до «X» Вт, а вторая — до «Y» Вт, то это вовсе не означает, что вместе они смогут обеспечивать «X+Y» Вт мощности. Как правило, чрезмерная нагрузка на одну линию приводит к снижению возможностей другой. Подробно такие нюансы рассматриваются в специальных таблицах, которые присутствуют на корпусе каждого БП.

Чтобы не быть голословными, мы взяли оказавшийся под рукой Ikonik Vulcan 1200 (сами догадайтесь какой мощности) и срисовали с него данные об условиях работы — они приведены в таблице 1. Рассмотрим их подробнее. Строка «AC Input» — это параметры входного тока. Здесь все ясно: блок может работать в диапазоне напряжений от 100 до 240 В, причем как в европейских (220 В/7,5 А), так и в американских (110 В/15 А) электросетях.

«DC Output» — это линии, обеспечиваемые блоком питания. Как видно, набор каналов полностью соответствует стандарту ATX, разве что линий +12 В здесь четыре. Сделано это из соображений безопасности: если бы мощность порядка киловатта подавалась по одной линии, то сила тока в ней достигла бы неприлично больших значений. По этой причине производители БП предпочитают разделять одну мощную линию +12 В на несколько виртуальных, причем на каждую из них устанавливается своя собственная система защиты: если сила тока на каком-либо из каналов превысит установленный предел, устройство отключится. Каждая из виртуальных линий привязана к своим разъемам. В данном случае первая +12 В питает материнскую плату, вторая ответственна за процессор, к третьей и четверной привязаны кабели PCIe, различающиеся цветом оплетки. Если не пренебрегать чтением инструкции, то равномерно распределить нагрузку на виртуальные линии не составит труда.

Впрочем, вернемся к нашей таблице. Третья строка — «Max Output Current» — показывает максимальные значения силы тока, которые может «потянуть» та или иная линия. А теперь самое интересное: попробуйте посчитать суммарную мощность устройства, исходя только лишь из значений «DC Output» и «Max Output Current». Поясним, как это сделать: для каждой из линий необходимо перемножить ее напряжение на максимальную силу тока, после чего сложить получившиеся результаты. Мы насчитали 1720 Вт, в то время как заявленная максимальная мощность блока составляет всего 1200 Вт. Причины такого несоответствия приведены в строке «Max Combined Wattage»: ввиду особенностей конструкции Ikonik Vulcan 1200 линии +5 В и +3,3 В суммарно не могут выдавать более 180 Вт, а сила тока для всех вместе взятых каналов +12 В не должна превышать 99 А. В целом же предел для мощных силовых линий составляет 1160 Вт. Таким образом, при выборе БП следует быть внимательным и обращать внимание на допустимые комбинации нагрузок по разным каналам. И уж точно эти данные окажутся намного полезнее, чем «голая» максимальная мощность.

Заметим, что на корпусах БП зачастую указывается не только заявленная мощность, но и пиковая. Она показывает тот максимум, который способно выдать устройство на непродолжительном интервале времени (не менее 17 секунд, согласно стандарту ATX последней версии). Однако если долгое время эксплуатировать блок питания под такой нагрузкой, то фейерверк неизбежен.

Работать надо качественно!

Мощность — это фактически количественная оценка возможностей блока питания. Однако существует и ряд параметров, показывающих, насколько качественно БП справляется с возложенными на него задачами. Первая из таких характеристик — КПД, или коэффициент полезного действия. Он измеряется в процентах и показывает отношение выходной мощности к потребляемой. Чтобы выдать 300 Вт по своим силовым линиям, блок питания должен получить на свой вход несколько большую мощность, ведь часть энергии будет потеряна в процессе преобразования сетевого напряжения в низковольтное. Именно КПД определяет, насколько велика будет разница этих мощностей.

У дешевых блоков питания КПД находится у отметки 70 процентов, в то время как дорогие модели могут достигать эффективности порядка 90 процентов. Соответственно, если противопоставить качественный и бюджетный БП одинаковой мощности, первый будет потреблять ощутимо меньше энергии. Кроме того, компоненты блока питания с высоким КПД будут греться намного слабее. Заметим, что эффективность преобразования варьируется в зависимости от нагрузки на устройство и наилучшие результаты БП демонстрируют при нагрузках в районе 50-70 процентов от максимальной мощности.

Чтобы отделить эффективные блоки питания от бестолковых, в 2007 году была создана добровольная система сертификации для производителей БП, известная как 80 PLUS. Чтобы устройство получило такой сертификат, оно должно иметь КПД не менее 80 процентов при нагрузках 20, 50 и 100 процентов. В 2008 году к стандарту были добавлены новые уровни сертификации: Bronze, Silver и Gold. Условия, необходимые для соответствия этим стандартам, приведены в таблице 2.

Еще один важный параметр блоков питания — коэффициент мощности (он же фактор мощности). Его значение определяет отношение полезной и полученной мощностей, и чем оно ближе к единице — тем лучше. Дело в том, что современные блоки питания потребляют ток короткими импульсами, совпадающими по времени с пиками синусоиды сетевого напряжения. Однако без дополнительной коррекции эти самые импульсы мало похожи на синусоиду, так что коэффициент мощности в данном случае не превышает 0,65, то есть треть мощности создает нагрузку на электропроводку, не производя при этом никакой полезной работы.

С точки зрения энергопотребления это не так уж и страшно, ведь квартирные электросчетчики учитывают только полезную мощность. Однако если речь идет о каком-нибудь крупном офисе со множеством компьютеров, то использование блоков питания с низким фактором мощности приводит к серьезной нагрузке на электропроводку. Кроме того, создаваемые такими БП помехи не лучшим образом сказываются на работе других устройств, подключенных к той же электросети.

Чтобы бороться с этими проблемами, в некоторых моделях БП распаивают специальные элементы, уменьшающие импульсивность потребляемого тока. Эти корректирующие схемы называются PFC («Power Factor Correction» или «Коррекция фактора мощности») и бывают двух видов: пассивные и активные. Пассивная PFC представляет собой обычный дроссель большой индуктивности, последовательно подключенный к блоку питания. Дроссель, безусловно, сглаживает импульсы тока, но польза от его использования невелика, ведь для эффективной коррекции его размеры должны значительно превосходить размеры БП, а это невозможно. Тем не менее использование пассивной PFC увеличивает коэффициент мощности до 0,75, а это уже что-то.

Активная PFC — решение более эффективное, но и намного более дорогое. По сути, оно представляет собой повышающий преобразователь, стабилизирующий напряжение на уровне несколько большем, чем максимальное напряжение в электросети. Использование активной PFC позволяет довести фактор мощности до 0,98 при полной нагрузке. Кроме того, дополнительный преобразователь эффективно борется со скачками напряжения в сети. Диапазон входного напряжения у БП с активной PFC, как правило, составляет 100-240 В, за что их очень ценят жители домов с перегруженными электросетями.

Наконец, качество работы блоков питания определяется максимальными отклонениями напряжения в силовых линиях. Если по какому-то из каналов подать слишком низкое напряжение, то питаемое устройство начнет работать со сбоями. Слишком высокое напряжение приводит к быстрому износу компонентов ПК или, еще хуже, к их скоропостижной кончине. Список максимально допустимых отклонений согласно стандарту EPS 2.91 приведен в таблице 3. Если БП не укладывается в эти рамки — ждите беды. К сожалению, очень малое число производителей блоков питания указывает максимальные отклонения напряжения для своих продуктов, так что в большинстве случаев эти параметры можно узнать лишь опытным путем или из специализированных обзоров.

Надежность, комфорт, совместимость

Вот мы и подошли к разбору характеристик, которые не оказывают непосредственного влияния на процесс питания комплектующих. Эти параметры уже не столь важны, как перечисленные выше, но рассмотреть их мы обязаны.

Перед покупкой блока питания неплохо было бы знать, какими схемами защиты он обладает. Во всех моделях, соответствующих стандарту ATX, обязательно должны присутствовать системы защиты от перегрузки по току OCP (Over Current Protection), от перенапряжения OVP (Over Voltage Protection) и от короткого замыкания SCP (Short Curcuit Protection). А вот защита от перегрева OTP (Over Temperature Protection) не обязательна, хотя в жаркую погоду очень актуальна. Так что если вы заботитесь о надежности системы, то лучше подыскать БП, адекватно реагирующий на перегрев.

Также важна рабочая температура компонентов устройства. В общем случае рецепт эффективного охлаждения прост: массивные радиаторы + большой вентилятор. На вентиляторах производители не экономят, а вот качественные радиаторы в дешевых БП встречаются редко. Как следствие, такие модели больше подвержены износу и оттого менее надежны. Кстати, качественная элементная база также позволяет снизить рабочие температуры, так что простенькие радиаторы встречаются и в дорогих блоках питания, однако тяжелые модели все же внушают больше доверия. «Тяжесть — это хорошо. Тяжесть — это надежно».

Уровень шума, издаваемого блоком питания, зависит от качества вентилятора и его схемы управления. Идеальный вариант — массивная 140-мм вертушка с автоматической регулировкой скорости вращения. Худший вариант — 120-мм вентилятор, постоянно работающий на максимальных оборотах. Для безымянных БП — не такая уж и редкость.

Не каждая модель подойдет для сборки того или иного компьютера, даже если ее мощности с лихвой хватает на всю начинку. Во-первых, БП может не подойти по габаритам. Конечно, существует стандарт, описывающий размеры типового блока питания, но модели с мощностью в киловатт и более, как правило, не вписываются в заданные рамки. Нестандартным корпусам, вроде Lian Li PC-A05N, это может не понравиться. Опять-таки, различные Full Tower с нижним расположением БП очень требовательны к длине силовых кабелей. Легко может возникнуть ситуация, когда разъем питания процессора или материнской платы не сможет дотянуться до нужного гнезда. Если у вас как раз такой корпус, убедитесь, что у приглянувшегося вам блока питания кабели имеют достаточную длину.

Не стоит забывать о существовании модульных БП, у которых ненужные провода можно просто отстегнуть и положить в укромное место. С точки зрения удобства — отличный вариант, но за такой функционал приходит ощутимо доплачивать.

Ну и, конечно же, нельзя не учитывать то, какой именно набор кабелей предоставляет блок питания: если вы собираете систему с парой видеокарт на борту, то будет нелепо приобрести модель с одним-единственным разъемом PCIe.

Как видим, блок питания — это весьма непростое устройство, и выбрать идеально подходящую для той или иной конфигурации модель порой бывает очень непросто. Мы искренне надеемся, что полученный вами багаж знаний позволит избежать тех ошибок, что совершает большинство начинающих сборщиков, когда речь заходит о питании.

Источник