что такое удвоители фаз
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 (ID). 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 (Pmax = ID 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.
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.
Различные виды VRM материнской платы — какие бывают топологии и что выбрать
Содержание
Содержание
Современные процессоры потребляют огромное количество энергии, а у новых поколений наблюдается тенденция к увеличению мощности. Производителям материнских плат приходится все больше наращивать параметры VRM, при этом сохраняя высокое качество питающего напряжения. В модулях регулятора напряжения используют различные топологии и технические ухищрения. Давайте разберем основные виды — оценим их преимущества и недостатки.
VRM является многоканальным импульсным преобразователем — его общая мощность делится равномерно между фазами, благодаря чему снижается нагрузка на каждую из них и облегчается температурный режим. Такая схема дает производителям карт-бланш на увеличение количества фаз, чтобы в конечном счете нарастить результирующую мощность. Подробнее об устройстве модуля регулятора напряжения и работе его функциональных элементов можно узнать в статьях «Из чего состоит VRM» и «Как работает VRM».
Классическая топология
В этой схеме количество фаз питания соответствует количеству каналов управления ШИМ-контроллера.
Каждый канал соединен с драйвером, а каждый драйвер — с парой электронных ключей (мосфетов). Последовательно с нагрузкой (процессором) и конденсатором С к средней точке ключей подключается индуктивность (дроссель) L.
ШИМ-контроллер формирует на выходах импульсы управления, смещенные по времени друг относительно друга (со сдвигом по фазе). В результате фазы питания VRM работают поочередно. Это приводит к кратному увеличению частоты пульсации, равной количеству фаз питания. При высокой частоте сглаживание происходит более эффективно:
Затем импульсы поступают на драйвер, который преобразуют их в два сигнала управления мосфетами. Для исключения сквозных токов (когда один ключ открывается, а второй еще не успел закрыться) сигналы управления формируются с небольшой задержкой (DeadTime). Электронные ключи поочередно подключают вход сглаживающего LC-фильтра к блоку питания или корпусу. На выходе все фазы соединяются в одну точку, где их токи суммируются в результирующий.
Классическая топология применяется в материнских платах, предназначенных для ЦП с умеренным энергопотреблением. Но если использовать качественную элементную базу (хорошие мосфеты с низким сопротивлением канала и быстрым временем переключения), то этот тип VRM подойдет и для высокопроизводительных процессоров.
Рассмотрим на практике. Модуль регулятора напряжения материнской платы GIGABYTE B450 I AORUS PRO состоит из четырех полноценных фаз питания процессора.
А в MSI B450I Gaming Plus AC применяются шесть «настоящих» фаз.
Топология с умножителями фаз питания
Идея заключается в том, что общее количество фаз питания VRM может быть в два, а то и в четыре раза больше количества управляющих каналов ШИМ-контроллера. Это достигается за счет применения умножителей фаз. В качестве примера разберем топологию с удвоителями (даблерами).
Сигнал управления сначала поступает на удвоитель, и только потом — на драйвера двух отдельных фаз питания. Импульсы следуют поочередно, а частота на каждом из выходов будет вдвое меньше частоты на входе.
Получается, что восьмифазный VRM с четырехканальным ШИМ-контроллером, работающим на частоте 800 кГц с удвоителями по всем параметрам соответствует восьмифазному VRM с восьмиканальным контроллером, работающим на частоте 400 кГц без удвоителей.
Из временной диаграммы видно, что в первом случае каждая фаза питания работает вдвое реже, а нагрузка на нее будет ниже. Это позволяет, с одной стороны, сэкономить на радиоэлементах — результирующая мощность та же, как и в случае классической топологии. А с другой стороны, увеличить нагрузку на каждую фазу и получить более высокие выходные параметры.
В материнской плате ASUS ROG STRIX B550-F GAMING используется шестиканальный контроллер, при этом четыре фазы утраиваются, а две — обычные. Суммарно получаем 14 фаз.
Топология с усиленными фазами питания
Существует не совсем честный способ умножения фаз питания VRM, в котором не используются даблеры. К каждому выходу канала ШИМ-контроллера параллельно подключаются два драйвера и две фазы питания — обычно их называют усиленной фазой. Преимущество в том, что из недорогих компонентов и менее производительных фаз простым увеличением их количества можно получить мощный модуль регулятора напряжения.
Некоторые производители реализуют именно такое решение. Например, компания ASUS применила усиленные фазы в материнской плате Z390 Maximus XI Hero.
Из диаграммы видим, что каждая пара цепей питания усиленной фазы работает одновременно, то есть без сдвига. Частота переключения мосфетов вдвое выше, чем в схеме с использованием даблеров. Поэтому эффективность работы модуля регулятора напряжения снизится, если применять мосфеты с невысоким быстродействием.
При выборе материнской платы неправильно считать общее количество фаз питания по количеству дросселей. Маркетологи в спецификациях часто указывают 16, 20 или более фаз, а ШИМ-контроллер оказывается восьмиканальным. На самом деле производители используют умножители или просто усиленные фазы, выдавая каждую линию за полноценную.
Топология 1N2L
Топология включения электронных ключей в этой схеме подразумевает использование в верхнем плече коммутатора одного, а в нижнем — двух параллельно соединенных мосфетов.
Чтобы понять, зачем вообще это нужно, разберем, какие процессы происходят в сглаживающем LC-фильтре.
Во время прямого хода преобразователя ток начинает протекать по цепи: «плюс» источника питания (12 В), открытый мосфет верхнего плеча, индуктивность L (дроссель), конденсатор и далее на «минус» источника питания.
Известно, что ток через индуктивность не может изменяться скачком. Он будет увеличиваться линейно, накапливая энергию в дросселе. Скорость нарастания зависит от напряжения, приложенного к дросселю. Это разница между напряжением источника питания (12 В) и выходной «напругой» сглаживающего фильтра (примерно 1,3 В). Запомним эту величину (10,7 В), она пригодится позже.
Во время обратного хода ток движется от «плюса» дросселя, через конденсатор и открытый мосфет нижнего плеча на «минус» дросселя.
Дроссель отключается от питания и сам становится источником тока. Полярность его ЭДС меняется на противоположную. По мере разряда (при этом энергия используется для питания нагрузки) ток постепенно спадает с дросселя. Величина ЭДС равна сумме выходного напряжения сглаживающего LC-фильтра (1,3 В) и падения напряжения на открытом мосфете нижнего плеча (примерно 1 В). Она составит 2,3 В — это значительно меньше, чем 10,7 В во время прямого хода.
Получается, что нижнее плечо мосфета проводит в открытом состоянии намного больше времени, чем верхнее (при одинаковых токах через них). Поэтому и тепловыделение на нем будет больше. Чтобы снизить потери и увеличить КПД, производители ставят в нижнее плечо два параллельно соединенных мосфета.
Глядя на график зависимости тока дросселя от времени, может показаться, что во время прямого хода количество энергии, накапливаемое дросселем, меньше, чем отдаваемое им во время обратного хода. Но рассматривать эту величину нужно не в аспекте тока, а по мощности, то есть произведению тока на напряжение. Короткому циклу накопления энергии соответствует большее приложенное напряжение. В результате мощность, поглощенная дросселем при заряде, будет равна выделенной им мощности при разряде.
Топология 1N2L применяется, например, в материнской плате GIGABYTE X570 GAMING X. В верхнем плече установлен один мосфет 4C10N с максимальным током 40 А, а в нижнем — два мосфета 4C06N с током до 69 А у каждого.
Даже в классической топологии 1N1L в нижнем плече всегда стоит более мощный мосфет. У платы MSI Z490-A PRO в верхнем плече установлен ключ 4CO29N с максимальным током 46 А, а в нижнем — 4CO29N с током до 78 А.
Топология 2N2L
Из названия понятно, что топология подразумевает использование двух параллельно соединенных мосфетов в обоих плечах.
В предыдущем разделе мы выяснили, что для эффективной работы фазы питания электронный ключ нижнего плеча должен быть мощнее верхнего. Поэтому применение в верхнем плече сразу двух мосфетов косвенно намекает на их плохие технических характеристики: малую мощность и высокое сопротивление канала в открытом состоянии. Такая топология дает производителю возможность сэкономить, используя недорогие компоненты.
Что такое VRM материнской платы
Содержание
Содержание
VRM (Voltage Regulator Module) является неотъемлемым и одним из важнейших элементов материнской платы, который отвечает за питание центрального процессора. Высокочастотные чипы, такие как ЦПУ компьютера, очень чувствительны к качеству питания. Малейшие неполадки с напряжением или пульсациями могут повлиять на стабильность работы всего компьютера. VRM представляет собой не что иное, как импульсный преобразователь, который понижает 12 вольт, идущие от блока питания, до необходимого процессору уровня. Именно от VRM зависит подаваемое на ядра напряжение.
Принцип работы VRM был описан в более ранней статье, а сейчас мы рассмотрим, из чего состоит подсистема питания процессора.
VRM состоит из пяти основных составляющих: MOSFET-транзисторы, дроссели, конденсаторы, драйверы и контроллер.
Транзисторы
«MOSFET» является аббревиатурой, которая расшифровывается как «Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor». Так что MOSFET — это полевой МОП-транзистор с изолированным затвором.
Дроссели
Дроссели — это катушки индуктивности, которые стабилизируют напряжение. Вместе с конденсаторами они образуют LC-фильтр, позволяющий избавиться от скачков напряжения и уменьшить пульсации. В современных материнских платах дроссели выглядят как темные кубики, находящиеся около МОП-транзисторов.
Конденсаторы
В современных платах твердотельные полимерные конденсаторы уже давно вытеснили электролитические. Это связано с тем, что полимерные конденсаторы имеют намного больший срок эксплуатации. Конденсаторы помогают стабилизировать напряжение и уменьшать пульсации.
Контроллер
Контроллер — чип, рассчитывающий, с каким сдвигом по времени будет работать та или иная фаза. Является «мозгом» всей VRM.
Драйвер
Драйвер — это чип, исполняющий команды контроллера по открытию или закрытию полевого транзистора.
Охлаждение — зачем оно нужно
Существует прямая связь между энергопотреблением процессора и нагревом VRM. Чем больше потребляет процессор, тем больше нагрузка на цепи питания, и, следовательно, больше их нагрев. MOSFET-транзисторы во время работы выделяют значительное количество тепла. Поэтому на них устанавливают пассивное охлаждение в виде радиатора, чтобы избежать перегрева и нестабильной работы. Производители материнских плат начального уровня часто экономят на этом, оставляя цепи питания без охлаждения, что, конечно, не очень хорошо, но не слишком критично, поскольку на подобные материнские платы обычно не ставят топовые процессоры с высоким TDP.
На транзисторы цепей питания можно не ставить охлаждение при условии, что температура во время нагрузки не будет превышать допустимых значений. Поэтому без охлаждения VRM очень нежелательно устанавливать «прожорливые» процессоры. На материнских платах, рассчитанных под оверклокинг, обязательно имеется охлаждение.
В самых топовых платах, помимо обычного радиатора, можно встретить испарительную камеру или водоблок для подключения к контуру СЖО.
Количество фаз
У неопытных пользователей именно эта характеристика зачастую становится ключевой при выборе материнской платы. Производители знают об этом и часто прибегают к различным уловкам. Чаще всего можно встретить использование двойного набора компонентов для одной фазы, что создает видимость большего количества фаз. Количество и характеристики фаз обычно не указываются производителями в расчете на то, что неопытный покупатель увидит много дросселей и купит плату, решив, что «больше — лучше».
Чтобы узнать реальное количество фаз и используемые компоненты, нужно посмотреть характеристики установленного на материнскую плату ШИМ-контроллера в технической спецификации. Количество дросселей далеко не всегда говорит о реальном количестве фаз. Кроме того, стоит учитывать, что некоторые драйверы способны работать в качестве удвоителя фазы. Это позволяет увеличить количество фактических фаз без использования более продвинутого ШИМ-контроллера.
Конфигурация фаз питания
В описаниях материнских плат часто можно увидеть такие обозначения, как 8+2, 4+1, и т. п. Эти цифры означают количество фаз, отведенных на питание ЦПУ и остальных элементов. Например, 8+2 означает, что 8 фаз отведено на питание ядер процессора, а оставшиеся 2 рассчитаны на контроллер памяти.
От количества фаз зависит уровень пульсаций, действующих на процессор. Чем больше фаз, тем меньше пульсаций тока. Большее количество фаз означает большее количество MOSFET-транзисторов в цепи, что положительно сказывается на температурных показателях. Кроме того, чем больше транзисторов, тем легче будет поставить высокое напряжение на ядра, что позитивно скажется на оверклокинге. В большом количестве фаз, по большому счету, имеются только плюсы. Главным и единственным недостатком, пожалуй, является лишь высокая цена.