Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 1

Что такое vrm на материнской плате

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):

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.

Изменение стандартных параметров плана электропитания

Для начала поговорим о стандартных параметрах планов электропитания. Как известно, в ОС можно настроить сразу несколько профилей, чтобы быстро переключаться между ними. Сейчас мы разберем только текущий план, а вы, отталкиваясь от увиденных инструкций, сможете точно так же настроить и другие профили, изменяя только значения пунктов, чтобы создать необходимое питание для процессора.

  1. Откройте меню «Пуск» и перейдите оттуда в «Параметры», щелкнув по значку в виде шестеренки.

Здесь вас интересует категория «Система».

Через панель слева переместитесь в «Питание и спящий режим».

Отыщите надпись «Дополнительные параметры питания» и кликните по ней левой кнопкой мыши.

Вы будете перемещены в соответствующий раздел Панели управления. В нем выберите необходимую схему и нажмите по кликабельной надписи «Настройка схемы электропитания».

В открывшемся окне щелкните ЛКМ по «Изменить дополнительные параметры питания».

Теперь в появившемся списке вам нужно выбрать раздел «Управление питанием процессора», развернув его.

Обратите внимание на находящиеся здесь три пункта «Минимальное состояние процессора», «Политика охлаждения системы» и «Максимальное состояние процессора». Первый параметр отвечает за минимальную производительность процессора в процентах. Например, если какое-то приложение будет запущено, то для него выделятся все мощности комплектующего, чтобы быстро выполнить задачу. Полной противоположностью является третий параметр, ведь в нем вы устанавливаете максимально допустимую нагрузку, ограничив тем самым производительность.

Что касается изменения состояния, то вы самостоятельно задаете процентное значение, вписывая цифры в специально отведенное поле.

Пункт «Политика охлаждения системы» позволит установить, будут ли вентиляторы ускорять свою работу при замедлении быстродействия центрального процессора.

Все остальные настройки плана электропитания в Windows 10 не имеют никакого отношения к процессору, поэтому мы их пропустим. Однако если вы хотите их изменить, сначала наведите курсор на пункт, чтобы отобразилась всплывающая подсказка. Там вы сможете узнать, за что отвечает конкретный параметр.

Информация из обзоров

Ряд важных параметров, влияющих на выбор качественного БП, не указывается ни на коробке, ни на сайте производителя. Возможно, только кратко и не детально в виде маркетинговой рекламы – «использование японского конденсатора».

Данные характеристики можно узнать только из подробных обзоров конкретных моделей в сети, в том числе и на нашем ресурсе.

Стабильность напряжений

По требованиям стандарта ATX12V отклонение напряжений должно укладываться в 5%. Например, для линии +12 В стабильным считается напряжение при различных нагрузках в пределах от +11.4 до +12.6 В. У качественно выполненной схемотехники отклонения укладываются в 1-2%, и это значение иногда указывается на сайте производителя.

В последнее время даже в бюджетных БП отказываются от групповой стабилизации напряжений, применяя DC-DC преобразователи. Это положительно влияет на стабильность напряжений по всем линиям. Аббревиатура DC-DC на упаковке дает некую гарантию.

Схемотехника

Фото вскрытого блока питания только в редких случаях можно увидеть на упаковке или на сайте производителя. В основном это фрагменты в виде упомянутой выше платы DC-DC преобразователя или японского конденсатора, который может быть единственным во всей схемотехнике.

Давайте рассмотрим типичную схемотехнику:

Фильтр электромагнитных помех в виде конденсаторов и дросселей. Если он отсутствует, а такое возможно в очень бюджетных моделях, то такой БП не следует рассматривать к покупке. Часть фильтра распаивается непосредственно на розетке.
Для защиты БП от короткого замыкания или импульсов напряжения устанавливается варистор и плавкий предохранитель

Они также могут отсутствовать, часто экономят именно на варисторе. 
Выпрямитель тока в виде одной или двух диодных сборок, могут быть на радиаторе или без. 
Корректор мощности APFC присутствует во всех современных БП, его задача обеспечивать работу в широком диапазоне входных напряжений – от 100 до 250 В.
Высоковольтный конденсатор – именно его часто ставят японского производства, но это не столь важно, если прочие комплектующие низкого качества. 
Главный преобразователь. Топологии различаются: это может быть прямоходовой преобразователь (Forward), мостовой преобразователь (Bridge)

В более дорогих БП используется LLC-преобразователь, о чем производитель непременно указывает на упаковке. Его можно распознать по дополнительному дросселю и конденсатору колебательного контура.
Основной трансформатор. С него снимается напряжение +12 В. При групповой стабилизации также и +5 В.
Трансформатор дежурного питания. К дежурному питанию относиться ШИМ-контроллер и конденсаторы. К ним повышенные требования, так как они работают при выключенном ПК и вентилятор при этом не крутится. 
Выпрямитель вторичной цепи. Может быть на основе диодов Шоттки в бюджетных вариантах или на основе синхронных выпрямителей в виде мосфетов, что предпочтительнее.
Групповую стабилизацию можно определить по двум дросселям – групповой стабилизации и насыщаемого дросселя. 
Как мы говорили выше, все чаще используют преобразователь DC-DC. В этом случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением +12 В, а напряжения +5 В и +3,3 В получают, уже преобразуя постоянный ток. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.
Выходной фильтр. Его задача сглаживать пульсации напряжений. В состав выходного фильтра входит дроссель и конденсаторы, в том числе и твердотельные. Экономия на данном фильтре, уменьшение количества конденсаторов и их емкости меньше 2000 мкФ приводит к большей амплитуде пульсаций, что сказывается на качестве напряжений. 
В модульных БП также имеется вертикальная плата с разъемами. В современных моделях питание на нее подается по шине, в бюджетных вариантах — по проводам.
Для охлаждения силовых элементов используются металлические радиаторы. Комплектующие с большими тепловыми потерями требуют крупных радиаторов, более эффективные могут охлаждаться и небольшими радиаторами. 
Защита БП. За нее отвечает специальный контроллер – супервизор. Стандарт ATX12V предусматривает основные виды защиты, но на практике они не всегда реализованы. Важно наличие защиты от короткого замыкания по всем линиям. По спецификации установленного супервизора можно определить, какие виды защиты он поддерживает.

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:

⇡ Несколько слов об апгрейде

Сборки в «Компьютере месяца» рассчитаны не только на работу в режиме по умолчанию. В каждом выпуске я рассказываю о возможностях разгона некоторых компонентов (или о бессмысленности оверклокинга в случае с некоторыми процессорами, памятью и видеокартами), а также о возможностях последующего апгрейда. Существует аксиома: чем дешевле системный блок — тем больше в нем компромиссов
. Компромиссов, которые позволят использовать ПК здесь и сейчас, но желание заполучить что-то более производительное, тихое, эффективное, красивое или комфортное (нужное — подчеркнуть) вас все равно не покинет. Капитан Очевидность подсказывает, что в таких ситуациях блок питания с хорошим запасом по ваттам очень даже пригодится.

Приведу наглядный пример апгрейда стартовой сборки.

Я взял платформу AM4. рекомендовались 6-ядерный Ryzen 5 1600, Radeon RX 570 и 16 Гбайт оперативной памяти DDR4-3000. Даже при использовании штатного кулера (системы охлаждения, которая продается в комплекте с ЦП) наш чип можно спокойно разогнать до 3,8 ГГц. Допустим, я поступил радикально и сменил СО на заметно более эффективную модель, которая позволила мне поднять частоту с 3,3 до 4,0 ГГц при загрузке всех шести ядер. Для этого мне потребовалось поднять напряжение до 1,39 В, а также установить четвертый уровень Load-Line Calibration материнской платы. Такой разгон, по сути, превратил мой Ryzen 5 1600 в Ryzen 5 2600X.

Наконец, вместо Ryzen 5 1600 можно взять Ryzen 2700X, который после выхода семейства чипов AMD третьего поколения заметно подешевел. Его разгонять особой нужды нет. В результате мы видим, что в обоих случаях предложенного мной апгрейда энергопотребление системы увеличилось больше чем вдвое!

Это всего лишь пример, и действующие лица в описанной ситуации могут быть совершенно иными. Однако этот пример, на мой взгляд, наглядно показывает, что даже в стартовой сборке совершенно не помешает блок питания с честной мощностью в 500 Вт, а лучше даже 600 Вт.

Маркетинговые «фишки» производителей

На что только не идут производители материнских плат, дабы привлечь к своей продукции внимание покупателей и мотивированно доказать, что она лучше, чем у конкурентов! Одна из таких маркетинговых «фишек» — увеличение фаз питания регулятора напряжения питания процессора. Если раньше на топовых материнских платах применялись шестифазные регуляторы напряжения, то сейчас используют 10, 12, 16, 18 и даже 24 фазы

Действительно ли нужно так много фаз питания, или это не более чем маркетинговый трюк?

Конечно, многофазные регуляторы напряжения питания имеют свои неоспоримые преимущества, но всему есть разумный предел. К примеру, как мы уже отмечали, большое количество фаз питания позволяет использовать в каждой фазе питания компоненты (MOSFET-транзисторы, дроссели и емкости), рассчитанные на низкий ток, которые, естественно, дешевле компонентов с высоким ограничением по току. Однако сейчас все производители материнских плат применяют твердотельные полимерные конденсаторы и дроссели с ферритовым сердечником, которые имеют ограничение по току не менее 40 A. MOSFET-транзисторы также имеют ограничение по току не ниже 40 A (а в последнее время наблюдается тенденция перехода на MOSFET-транзисторы с ограничением по току в 75 А). Понятно, что при таких ограничениях по току на каждой фазе волне достаточно применять шесть фаз питания. Такой регулятор напряжения теоретически способен обеспечить ток процессора более 200 А, а следовательно, энергопотребление более 200 Вт. Понятно, что даже в режиме экстремального разгона достичь таких значений тока и энергопотребления практически невозможно. Так зачем же производители делают регуляторы напряжения с 12 фазами и более, если питание процессора в любом режиме его работы способен обеспечить и шестифазный регулятор напряжения?

Если сравнивать 6- и 12-фазный регуляторы напряжения, то теоретически при использовании технологии динамического переключения фаз питания энергоэффективность 12-фазного регулятора напряжения будет выше. Однако разница в энергоэффективности будет наблюдаться только при высоких токах процессора, которые на практике недостижимы. Но даже если и удается достичь столь высокого значения тока, при котором будет различаться энергоэффективность 6- и 12-фазного регуляторов напряжения, то эта разница будет столь мала, что ее можно не принимать в расчет. Поэтому для всех современных процессоров с энергопотреблением 130 Вт даже в режиме их экстремального разгона волне достаточно 6-фазного регулятора напряжения. Применение 12-фазного регулятора напряжения не дает никаких преимуществ даже при использовании технологии динамического переключения фаз питания. Зачем же производители начали делать 24-фазные регуляторы напряжения — остается только гадать. Здравого смысла в этом нет, видимо, они рассчитывают произвести впечатление на технически неграмотных пользователей, для которых «чем больше, тем лучше».

Кстати, нелишне будет отметить, что сегодня не производится 12- и тем более 24-канальных PWM-контроллеров, управляющих фазами питания. Максимальное количество каналов в PWM-контроллерах равно шести. Следовательно, когда применяются регуляторы напряжения с количеством фаз более шести, производители вынуждены устанавливать несколько PWM-контроллеров, которые работают синхронно. Напомним, что управляющий PWM-сигнал в каждом канале имеет определенную задержку относительно PWM-сигнала в другом канале, но эти временные смещения сигналов реализуются в пределах одного контроллера. Получается, что при применении, к примеру, двух 6-канальных PWM-контроллеров для организации 12-фазного регулятора напряжения фазы питания, управляемые одним контроллером, попарно объединены с фазами питания, управляемыми другим контроллером. То есть первая фаза питания первого контроллера будет работать синхронно (без временного сдвига) с первой фазой питания второго контроллера. Динамически переключаться фазы будут, скорее всего, тоже попарно. В общем, получается не «честный» 12-фазный регулятор напряжения, а скорее гибридная версия 6-фазного регулятора с двумя каналами в каждой фазе.

Сергей Пахомов, мой коллега из Компьютер-Пресс; 8-2009

  • Нравится

Понравилась публикация? Почему нет? или подпишись на feed и получай список новых статей автоматически через feeder.

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.

Выводы

Собственно, выход из строя ИМС ШИМ-контроллера VRM, выход из строя транзисторов преобразователя или вздутие (и как следствие потеря ёмкости) электролитических конденсаторов («бочек») в цепях питания VRM – это чаще всего встречающийся отказ материнских плат. Проявляется в виде того, что плата не стартует, не подавая признаков жизни или же стартует и выключается.

Применяемые в большинстве системных плат алюминиевые электролитические конденсаторы емкостью 1200 мкФ, 16 В или 1500 мкФ, 6,3 и 10 В обладают рядом недостатков, один из которых это высыхание по истечении времени. Следствием этого является потеря ими емкости, выход компонента из строя, появление аппаратных ошибок в цепях. Риск увеличивается при использовании подобных конденсаторов в тяжелых температурных условиях, например, в корпусе системного блока компьютера температура может доходить до 50-60° С.

Танталовые конденсаторы обладают большей надежностью, чем электролитические (нет эффекта высыхания), они более компактны и имеют меньшее значение параметра ESR, увеличивающее эффективность их применения в цепях фильтрации источников питания.

В последнее время вместо часто вздувающихся электролитических конденсаторов именитые производители плат стали использовать твердотельные конденсаторы

В схемах питания новой платы ASUS M3A79-T DELUXE на чипсете AMD 790FX используются высококачественные детали, в частности, транзисторы с низким сопротивлением в открытом состоянии (RDS(on)) для уменьшения потерь при переключении и снижения тепловыделения, дроссели с ферритовыми сердечниками, и, что очень важно, твердотельные полимерные конденсаторы от ведущих японских производителей (гарантийный срок службы модуля VRM – 5000 часов). Благодаря применению таких компонентов достигается максимальная эффективность энергопотребления, низкое тепловыделение и высокая стабильность работы системы

Это позволяет получить высокие результаты разгона и увеличить срок эксплуатации оборудования.

Твердотельные конденсаторы на плате MSI 880GMA-E45

Такие же элементы используются например в материнской плате Gigabyte GA-P35T на чипсете P35. Правда, и твердотельные конденсаторы взрываются, как правильно, в следствие повышенного напряжения или просто некачественных элементов (да, такое тоже встречается!):

Взорвавшиеся конденсаторы

VRM на обычных электролитических конденсаторах имеет MTBF всего около 3000 часов.

По возможности необходимо выбирать те материнские платы, которые используются 4-фазный импульсный регулятор. В цепях фильтра VRM предпочтительно должны стоять твердотельные, а не алюминиевые электролитические конденсаторы, дроссели должны иметь ферритовый сердечник. Кроме того, на грамотно спроектированной плате, конденсаторы фильтра не должны стоять вплотную к кулеру процессора и к дросселям, чтобы не происходило их перегрева.

В идеальном варианте, необходимо выбирать те платы, которые имеют отдельный независимый регулятор напряжения для CPU, памяти и шины видеокарты. В этом случае, вы сможете отдельно регулировать напряжение на каждом из компонентов, не вызывая роста напряжения на других!

  • Нравится

Понравилась публикация? Почему нет? или подпишись на feed и получай список новых статей автоматически через feeder.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации