Анатомия материнской платы: что такое чипсет, VRM и сокет
Ранее мы уже публиковали статьи про выбор материнских плат для конкретных нужд, но не рассматривали детально отдельные компоненты на них. В этой статье мы постараемся максимально раскрыть тему сокетов, чипсетов, VRM и прочих важных узлов.
Для большинства пользователей именно материнские платы являются наиболее туманным компьютерным компонентом: все они кажутся похожими друг на друга, а по спецификациям кажется, что одна материнская плата не так уж сильно отличается от другой.
Отчасти это связано с тем, что Intel и AMD перенесли несколько важных контролеров в центральный процессор, а ещё отчасти потому, что многие различия о качестве просто не указаны в описании материнских плат.
Модуль регулятора напряжения или VRM (Voltage Regulator Module) и его вспомогательные компоненты отвечают за стабильность подаваемого напряжения на отдельные узлы. Далее рассмотрим подробнее, как этот модуль взаимодействует с процессором и материнской платой.
Обычно процессор имеет напряжение питания в пределах 1,1 – 1,3 вольта, плюс/минус 25% для автоматических разгона и снижения частоты в простое. При напряжении питания свыше 1,3 вольт превышаются допустимые нагрузки на сам кремний, но улучшается стабильность работы при кратковременных экстремальных нагрузках, которые испытывает процессор, к примеру во время работы в режиме Turbo-boost.
Сам VRM питается напряжением 12 вольт от специализированного разъёма блока питания, но для того, чтобы можно было использовать этот источник, напряжение необходимо преобразовать в пригодное для процессора. Это достигается путём преобразования и фазирования питания.
Понижающий преобразователь напряжения состоит из нескольких фаз, которые призваны уменьшить вероятность просадки напряжения и обеспечить более плавное и стабильное питание. Просадка напряжения – это когда напряжение понижается ниже необходимого для питания ядра. В такие моменты может наблюдаться нестабильная работа всей системы, появления синего экрана смерти или-же BSOD или самопроизвольное отключение компьютера.
Таким образом, чем большее количество фаз преобразует входное питание, тем более ровное и стабильное напряжение получается на выходе для питания системы при экстремальных нагрузках. Модули регулятора напряжения встречаются не только в компьютерах, их также можно найти в радиоприёмниках, телевизорах, автомобилях и прочее. В любом случае, составные части такого модуля всегда остаются неизменны и как же он устроен, рассмотрим ниже.
Что входит в состав VRM
Существует некоторое заблуждение, что VRM – это какая-то отдельная деталь на материнской плате. На самом деле «VRM» — этот термин относится к связке микросхемы-драйвера, полевых ключей, катушек индуктивности, конденсаторов и прочего, которые совместно используются для преобразования и фазирования напряжения. Основные три компонента модуля:
- полевые транзисторы (и микросхема-драйвер), обычно расположены под радиаторами;
- конденсаторы;
- дроссели (катушки индуктивности).
Существует несколько вариантов построения силовой части, либо это 3 отдельных корпуса в виде 1 микросхемы-драйвера и 2 ключей верхнего и нижнего плеча, либо можно встретить микросборки, где в одном корпусе содержатся все эти 3 компонента. Большинство современных материнских плат используют именно такие микросборки. Такой подход не только экономит место на плате, но и создаёт дополнительные удобства для организации теплоотвода и проектирования питания.
Как работает VRM
Как мы указывали ранее, модуль регулятора напряжения физически понижает напряжение до нужного для питания ЦП. Вход для преобразователя расположен на материнской плате рядом с процессором, это 8-пин и/или 4-пин разъём, а иногда и пара таких недалеко от процессора.
Одна фаза работает в 2 такта: в первый такт открывается верхний ключ и начинает заряжать дроссель 12 вольтами. Во второй такт верхний ключ закрывается и открывается нижний ключ. Дроссель начинает разряжаться, возникает обратная ЭДС нужной напряжённости, которая сглаживается выходным конденсатором и питает процессор.
Переключением ключей и фазами управляет специальный контроллер. Контроллер переключает ключи несколько тысяч раз в секунду, соответственно, чем больше фаз, тем быстрее они переключаются, тем более стабильное напряжение на выходе.
Покупая материнскую плату, в описании, скорее всего, сможете найти информацию о количестве фаз. Схема питания обычно указывается как 4+1, 6+2, 8+3 и прочее. Число, которое стоит перед знаком плюс (в наших примерах это 4, 6 и 8), обозначает количество фаз, выделенных для процессора. Число, которое указано после плюса, указывает количество фаз, предназначенных для питания других компонентов, таких как оперативная память или встроенная графика.
Как и в случае с ЦП, большее значение фаз для ОЗУ обеспечивает более стабильное питание при разгоне, однако фазы для памяти оказывают значительно меньшее влияние, чем фазы для процессора.
Если информация о количестве фаз в документации не указана, то можно подсчитать количество дросселей рядом с сокетом, чтобы определить количество фаз для питания процессора.
PCH/Чипсет/мост – для чего нужен чипсет
Если мы заговорили про анатомию, то чипсет можно сравнить со спинным мозгом. Он служит центром почти всех транзакций и взаимодействий между устройствами, включая ввод-вывод, некоторую обработку графики, обмен данными и расширенные функции встроенного ПО BIOS.
В первых компьютерах типа ZX-Spectrum все устройства висели на одной шине, даже оперативная память. У каждого устройства был специальный сигнальный вход, чтобы процессор мог обратиться именно к нему, без этой команды сигналы на общей шине устройством игнорировались. Процессор выбирал нужное ему устройство опрашивал или записывал данные.
В наши дни компьютер состоит из отдельных систем. Шины Sata, PCI-e, USB, устаревшие шины типа RS-232, LPT, PS/2 – всё это отдельные объекты, которые обмениваются данными через полосы и каналы. Эти данные должны попасть в ЦП и быть обработаны инструкциями и запросами на прерывание.
За всю историю чипсетов произошло много изменений в терминологии. В настоящее время Intel называет свой набор микросхем «PCH» Platform Controller Hub (контроллер-концентратор платформы), в то время как AMD по-прежнему использует более традиционную терминологию северного и южного моста. Но как бы обе компании не называли свои современные чипсеты – это унифицированные однокристальные решения.
От выбранного чипсета напрямую зависит способность системы использовать различные функции, такие как разгон, конфигурации с несколькими графическими процессорами (посредством выделения линии PCI-e) или RAID. И Intel и AMD публикуют блок-схемы, показывающие различия между наборами микросхем. Если внимательно их изучить, можно сразу увидеть, какие функции присутствуют в этом экземпляре и найти те, которые действительно нужны и будут использоваться.
Сокет
Дословный перевод этого слова – «розетка». Но мы говорим про сокет материнской платы, ещё одно название – слот ЦП. Это разъём, который используется для соединения процессора с печатной платой без пайки, что позволяет упростить установку или замену ЦП на материнской плате. Сокеты для процессоров, обычно встречающиеся в ПК и серверах, являются полной противоположностью поверхностного монтажа ЦП в ноутбуках, которые экономят место за счет удобства установки или замены.
Общие типы сокетов ЦП включают матрицу классических контактов (PGA) и матрицу поверхностных контактов (LGA). Разница между ними заключается в том, что PGA размещает контакты-штырьки на процессоре, а отверстия — в сокете, тогда как LGA имеет сокет с контактами, на которые вы размещаете процессор. Количество и расположение контактов варьируются в зависимости от типа используемых ЦП, но, в глобальном понимании, большее количество контактов и их плотность позволяют быстрее передавать больше сигналов данных.
Существуют разные сокеты в зависимости от поддерживаемого процессора. Если возникает ситуация, когда ЦП и сокет несовместимы, в лучшем случае ЦП физически не подойдёт в сокет, а в худшем случае может быть нанесён непоправимый ущерб любой части системы.
К счастью, легко проверить, будет ли процессор, на который вы смотрите, работать с конкретной материнской платой. Обычно рекомендуется сначала выбрать процессор, изучить на какой сокет он рассчитан, что упростит выбор материнской платы.
В зависимости от геометрии, некоторые сокеты могут быть совместимы с несколькими поколениями процессоров. Например, сокет Intel LGA 1151, который официально поддерживает процессоры шестого и седьмого поколения, а неофициально еще и восьмого и девятого поколений. Но если процессор физически подходит в сокет, то он может быть несовместим с чипсетом. Без переделок процессоры 7-го поколения будут работать с чипсетами 100- и 200-серий , а процессорам 9-го нужен набор микросхем 300-серии.
Что такое VRM на материнской плате
Для работы большинства комплектующих компьютера необходимо питание. Для пользователя это означает лишь то, что нужно не забыть подключить блок питания к розетке, а вот на практике всё несколько иначе.
В блоке питания напряжение розетки преобразовывается с 220 В в 12 В. Прежде, чем добраться до процессора, видеокарты или другого устройства, питание проходит через специальные модули – VRM. Именно о том, что это такое, мы и расскажем в данной статье.
Что такое VRM?
Давайте разберемся что такое VRM на материнской плате. Аббревиатура VRM переводится как «модуль регуляции напряжения». Важно понимать, что это не один какой-то элемент устройства, а их совокупность. По умолчанию VRM включает в себя следующие компоненты:
- ШИМ-контроллер или PWM контроллер (салатовый); (оранжевый);
- дроссель (красный);
- конденсатор (синий).
Всё вместе это и называется «модулем регулятора напряжения». Такие модули есть на материнских платах и видеокартах. В первую очередь такой модуль преобразовывает напряжение, подаваемое от блока питания к комплектующим. Комплектующим, как правило, не нужны все 12 В. К примеру, процессоры используют лишь 1,5 В. Вторая важная задача для VRM – подавать это напряжение стабильно, без скачков и перепадов.
Указанную выше совокупность элементов принято также называть фазой питания. Проходя через такую фазу, питание передаётся устройству в виде импульса. Это значит, что в какой-то момент времени происходят скачки напряжения. Они негативно сказываются на работе оборудования. Дабы такие скачки свести к минимуму, принято использовать не одну фазу питания, а несколько. Их импульсы смещаются друг относительно друга таким образом, чтобы на выходе получалось «ровное» значение напряжения. Взгляните на изображение ниже. В нём схематически изображена работа VRM, состоящая из 4-х фаз питания.
На сегодняшний день в VRM принято использовать в среднем от 4 до 8 фаз. Чем их больше, тем стабильнее будет напряжение. Кроме того, от их количества зависит и максимальная мощность, которую может получить процессор. Последний параметр особо важен в случаях, когда планируется его разгон.
Выводы
Теперь вы знаете что такое VRM. Это весьма важный элемент, на который пользователи зачастую не обращают внимания. Данный модуль бывает как на материнских платах, так и на видеокартах. Чем больше количество фаз в VRM, тем стабильнее будет работать оборудование.
Материнская плата устройство и принцип работы. Что такое VRM, сокет, чипсет, BIOS, немного про контроллеры и разъёмы
Материнская плата — важная часть компьютера (ЭВМ) , так как это основная плата, к которой подключаются все основные компоненты, такие как процессор, оперативная память, видеокарта и накопители.
Она обеспечивает взаимодействие всех подключаемых к ней устройств, а представляет из себя многослойную печатную плату, на которой тонким слоем нанесены дорожки и установлены различные радио-элементы и разъёмы.
Лишь небольшая часть проводников находится снаружи, большая их часть скрыта внутри самой платы, так как она состоит из множества слоев, и включает в себя слой заземления, несколько силовых и сигнальных слоёв. Снаружи плата покрыта диэлектрическим лаком, который защищает дорожки от короткого замыкания и внешних воздействий.
Сбоку платы находится 24-контактный разъём ATX, через него от блока питания, плата получает основные напряжения 12, 5 и 3,3 вольта, эти напряжения получают различные компоненты на самой материнской плате и подключённые через разъёмы, например USB или PCI Express
Чуть выше центра платы находится сокет, это разъём для установки процессора, состоящий из большого массива контактов и прижимной пластины.
(Определенные процессоры могут работать только с определенным типом сокетов.)
Рядом с сокетом располагается 4(ATX12V) или 8(EPS12V) контактный разъём для питания процессора. На материнских платах предназначенных для установки мощных CPU, устанавливаются несколько таких разъёмов.
Но через них подаётся 12 вольт, а современные процессоры работают с напряжением чуть выше 1 вольта и это не фиксированное напряжение, в зависимости от нагрузки, оно может немного меняться, например: в простое, для экономии энергии и уменьшения нагрева, на процессор подаётся менее 0,8 В, а когда все ядра полностью загружены, оно возрастает до 1,4 в.
Поэтому вокруг процессорного сокета находятся модули регулирования напряжения или сокращённо VRM, они нужны для преобразования 12 вольт в напряжение необходимое процессору.
Один такой модуль или фаза, состоит из конденсатора, дросселя, двух мосфетов и драйвера. В современных платах драйвер и два мосфета объединены в один корпус.
Драйвер управляет процессами открытия-закрытия транзисторов с частотой, задаваемой ШИМ-контроллером, а катушка и конденсатор сглаживают напряжение с транзисторов.
Для получения более стабильного напряжения на процессор используют несколько фаз питания, импульсы которых смещены друг относительно друга. Управляет ими ШИМ-Контроллер, который находится рядом.
Обычно устанавливают от 4 до 8 реальных фаз, так как используют столько же фазный ШИМ-контроллеры. Если на плате установлено к примеру 16 фаз, то производитель использует делители, то есть сигнал с одного канала ШИМ-контролера распределяется на два драйвера.
Физически фаз больше, но работают они синхронно и поэтому они не сглаживают пульсации, а лишь позволяют установить более мощный процессор и уменьшить тепловыделение элементов.
Так же рядом с процессорным сокетом размещаются слоты для установки модулей оперативной памяти. У современных модулей рабочее напряжение 1.1 в, поэтому рядом со слотами тоже есть цепи питания, которые преобразовывают напряжение, но для DRAM используют одну или две фазы.
Количество слотов на материнской плате, зависит от контроллера памяти, который находится в процессоре или в северном мосте. Обычно это двухканальный контроллер, то есть шина памяти у него разделена на два канала, что позволяет осуществлять доступ к памяти не один раз за такт контроллера, а два.
На каждый канал можно установить до двух модулей DRAM, что даёт возможность установить 4 модуля оперативной памяти, если на материнской плате есть для них слоты. (Многие контроллеры памяти позволяют осуществлять доступ к памяти не один раз за такт контроллера, а два. Двухканальный режим означает, что два канала памяти будут работать параллельно, это повышает производительность)
В более мощных системах используется четырёхканальный контроллер и к плате можно подключить 8 модулей.
Есть несколько вариантов разводки шины DRAM: обычно используется Прямая, T-образная топология или Daisy Chain.
Прямая топология используется в ITX платах с двумя слотами памяти. С ней можно добиться высоких частот памяти при заполнении 2 слотов. (Электрические характеристики наилучшие)
Т-образная, оптимизированна для заполнения всех слотов памяти, у неё длина проводников до двух модулей одинаковая и с ней можно добиться хороших частот памяти при заполнении всех слотов, но стабильность работы при заполнении 2 слотов будет хуже.
Daisy Chain оптимизированна для установки одного модуля на канал, у неё длина проводников меньше чем с Т-образной и с ней можно добиться больших частот памяти, но стабильность работы при заполнении всех слотов, хуже.
Ниже слотов памяти, в левой части платы размещают разъемы PCI Express. Эти разъёмы предназначены для установки плат расширения.
Они бывают несколько типов, с разным количеством выделенных линий. X16 используются в основном для установки видеокарт, а остальные слоты для установки других плат расширения, например звуковых карт.
Маломощные карты получают питание от самого слота. В качестве силовых линий используются выводы на левой части разъема. Через них подключаемое устройство получает +12 и +3.3 вольта.
С помощью контактов на правой стороне происходит обмен данными. 8 контактов формируют одну линию PCI-E. 2 контакта используются на приём, два на передачу и 4 контакта земли. (Обмен сигналами производится с помощью дифференциальных сигналов по двум проводам, за один цикл передается 1 бит данных. При этом одновременно используется два сигнальных пина и два контакта земли.)
Скорость передачи данных через слот зависит от количества задействованных линий и версий PCIe. Их существует 5 версий и все они полностью совместимы. То есть при установке устройства с интерфейсом PCI Express 5.0 в плату с версией 4.0 устройство будет работать, но на скорости старой версии.
(Чем больше выделенных линий тем больше высокоскоростных устройств можно подключить к плате.)
Так же, рядом с разъемами PCI Express, иногда устанавливают разъём PCI — он нужен для подключения старых плат расширения и сейчас практически не используется.
Ещё на плату устанавливают один или несколько разъёмов М. 2(NGFF). Этот разъём используется для подключения специальных SSD и карт расширения. Их бывает 2 типа, с «B» и «M» ключом.
Правее, находится главный элемент материнской платы, это чипсет. Именно от него зависит какой процессор и какой тип оперативной памяти можно установить, сколько устройств можно подключить и как быстро, и стабильно все они будут работать.
Если посмотреть на блок схему, то видно что чипсет, состоит из двух микросхем: Северного моста и Южного.
Северный мост обеспечивает работу самых быстрых узлов компьютера. Он управляет работой шины процессора, контроллера ОЗУ и шины PCI Express. Именно он определяет какой тип памяти можно установить, её максимальный объём и в каких режимах она может работать. В некоторых случаях северный мост может содержать встроенный графический процессор.
(Во многих случаях именно параметры и быстродействие северного моста определяют выбор реализованных на материнской плате шин расширения (PCI, PCI Express) системы
Северный мост соединён с южным мостом посредством специальной шины или через несколько каналов из шины PCI Express.)
Южный мост обеспечивает работу медленных устройств: накопителей, портов ввода/вывода, сетевых интерфейсов и многих других. Он управляет связью между медленными компонентами
Северный и южный мост это классическая схема, в современных системах функции северного моста переносят в центральный процессор, из-за чего уменьшаются задержки и увеличивается производительность всей системы.
Поэтому чипсет в новых платах представлен одной микросхемой — южным мостом.
Так же важна микросхема BIOS. BIOS — это базовая система ввода-вывода, программа записанная во флэш-память, которая отвечает за проверку работоспособности контроллеров, встроенных в материнскую плату и большинства подключённых к ней устройств. Именно BIOS устанавливает базовые параметры работы, например, частоту работы системной шины, контроллера памяти, процессора.
(Иногда используют две микросхемы, для хранения текущей версии и резервная)
Рядом находится 3х вольтовая батарейка, она питает схему часов и память CMOS. Без неё бы сбрасывалось системное время и параметры работы некоторых устройств.
(CMOS-энергозависимая память с настройками BIOS)
На правом краю платы размещают SATA порты, они служат для подключения накопителей с интерфейсом SATA. Обычно с помощью чипсета реализуют 4 порта, а остальные с помощью внешних дополнительных контроллеров.
(Существует три версии SATA, это SATA 1.0, SATA 2.0 и SATA 3.0. Все эти версии полностью совместимы и отличаются только скоростью передачи данных. Для SATA 1.0 скорость составляет 1.5 Гбит/с, для SATA 2.0 – 3 Гбит/с, а для SATA 3.0 – 6 Гбит/с.)
На левом краю материнской платы размещают Мультиконтроллер (Super i/o).
Он следит за состоянием платы, мониторит напряжения, следит за показаниями температурных датчиков и задает скорость вращения подключенных вентиляторов. В некоторых платах отвечает за устаревшие порты ввода-вывода, такие как COM порт и PS/2.
Под мультиконтроллером обычно находится звуковая подсистема состоящая из аудиокодека, резисторов и твердотельных конденсаторов. Кодек содержит в своём корпусе ЦАП и АЦП, что позволяет воспроизводить и принимать звук всего одной микросхемой.
VRM. Что такое, зачем? Фазы и цепи питания.
В современном мире GPU и CPU кристаллы потребляют довольно много энергии, при этом они требуют питание с довольно низким напряжением, что создаёт очень серьезную проблему, связанную с большой силой тока которую передать от блока питания без потерь довольно сложно. Передача больших токов — это вообще значительная проблема и в любых электросетях.
Допустим на электростанциях специально выводят линии высокого напряжения, чтобы передавать большие мощности малыми токами. И уже только вблизи потребителя устанавливаются трансформаторные подстанции понижающие напряжение до бытовых 230 Вольт на фазу, если говорить про российские стандарты.
Именно для того чтобы так это всё работало и не приходилось вести толщенные медные кабели от электростанций и существуют все эти преобразования. По этой же причине мы используем переменный ток. Законы природы подарили нам прекрасное свойство электромагнитных излучений, при котором наведённые ЭДС сильно зависят от того чем они наводятся и на что они наводятся. Поэтому достаточно просто подобрать катушки с нужным числом витков и почти без потери мощности можно трансформировать питание изменяя как нам удобно ток и напряжение. Собственно эти устройства для преобразования переменного тока называются трансформаторами. А нужно нам преобразования чтобы получить нужное питание.
Простейший трансформатор
И тут встаёт вопрос в том, что чипам графики и процессора нужно довольно низкое напряжение — менее полутора вольт. И это создает проблемы. Допустим, видеокарта может потреблять 350 и даже более Ватт. Учитывая, что напряжение питания на чип составляет порядка 1,35 Вольт, то получается, что ток в подводящих кабелях должен быть около 260 Ампер. И для передачи такого тока с малыми потерями на 1 метр от блока питания до видеокарты вам нужно будет хотя бы провод сечением в 120-150 квадратных мм. Это должен быть кабель толщина которого примерно как у большого пальца на руке, плюс изоляция и выходит штуковина в почти два сантиметра диаметром. И это всё из меди. Даже отбрасывая вопросы того какими должны быть клеммы для того чтобы они не плавились встают вопросы гибкости такого кабеля, а также токоподводящие кабели будут в несколько раз дороже тех блоков питания, что сейчас продаются.
В общем проблема точно такая же как и с электростанциями. Поэтому требуются компромиссы при которых часть задач по преобразованию отводится в блок питания, а часть остаётся за материнской платой (более того часть отводится сейчас самим процессорам, которые одно входное напряжение трансформируют в несколько более низких уже внутри себя).
Если нам надо использовать VRM, почему весь блок питания нельзя разместить на материнской плате?
Если представить что все вопросы по трансформации брали бы на себя материнские платы, то это бы вызвало ряд проблем. Во первых питание у нас идёт 230 Вольт переменного напряжения. То есть прямо на материнской плате пришлось бы разводить и часть включающую в себя переменное напряжение. А это тоже проблема, и проблема в наводках. Корпуса блоков питания металлические по двум причинам. Первая — это вопрос пожарной безопасности, то есть в случае возникновения открытого горения внутри блока питания — огню через какое-то время будет нечего жечь, корпус при этом не пропустит огонь наружу и горение прекратится. А вторая причина — корпус блока питания металлический и заземлён и он экранирует наводки от переменного напряжения. То есть если бы у нас преобразование происходило на материнской плате, то и в динамиках у нас постоянно бы фонили 50 Герц от розетки и было бы намного больше ошибок записи и чтения данных, особенно на устройствах которые либо записывают и читают изначально по аналоговому (например жёские диски), либо имеют много градаций логических уровней, или требуют точных зарядок и разрядок каких-то элементов, то есть это SSD диски, оперативная память и тому подобное. Всё это бы было плохо электромагнитно совместимо с той частью материнской платы которая бы получала переменное напряжение. Вторая проблема — напряжение 230 Вольт достаточно большое, чтобы пробивать через живые ткани человека, поражая электрическим током пользователя который будет недостаточно аккуратен. А это, помимо прочего, и законодательные проблемы. То есть нельзя будет сертифицировать для розничной продажи отдельные комплектующие, можно было бы в таком случае продавать только полностью собранные компьютеры в корпусе без доступа к его содержимому пользователей. И это тоже проблема.
Поэтому такая штука как отдельный блок питания и существует. И она занимается тем чтобы получать из розетки переменное напряжение, а выдавать несколько наиболее потенциально востребованных выходных постоянных напряжений, но достаточно высоких, чтобы токи были не очень большими, и можно было использовать провода адекватных сечений, но при этом напряжение должно быть не настолько высокое, чтобы пользователя могло ударить током, и чтобы в целом свести возможности случайных замыканий и пробоев к минимуму. И в настоящий момент такое напряжение — это напряжение 12 Вольт. Блок питания выдаёт и другие напряжения, но для самых требовательных компонентов по мощности используются именно 12 Вольтовые линии, так как обеспечивают наименьшие потери при передаче тока.
А всё остальное — то есть преобразование 12 Вольт в более низкое напряжение — это уже выполняется на материнской плате или на плате видеокарты в непосредственной физической близости к самим кристаллам.
Как преобразовать напряжение в более низкое?
И тут возникает главное НО. Дело в том, что переменный ток трансформировать с малыми потерями в мощности довольно просто. Надо намотать катушки с нужными пропорциями витков и поместить их в общий замкнутый магнитный контур и всё. С постоянным напряжением, выходящим из блока питания, трансформатор будет работать только как кипятильник, ничего преобразовывать он не будет.
И тут на помощь приходит импульсный понижающий преобразователь напряжения. Чаще всего мы все эту область называем как VRM.
А характеризуются VRM возможным преобразуемым током и создаваемыми пульсациями. Но эти цифры никто не указывает, а указывают как правило только число фаз питания или число цепей питания. А максимальный ток вообще производители не указывают, потому что иногда меняют элементы в VRM на получше, если первые версии показали проблемы и выходы из строя или на похуже, если производитель хочет сэкономить в ущерб запасу по передаваемой мощности. И чтобы понять что такое фазы, а что такое цепи или линии питания и в чём разница между цепями и фазами нужно для начала понять общий смысл работы импульсного преобразователя напряжения.
Представьте, что у вас есть питание в 12 Вольт, а вам надо 2 вольта.
Кто хорошо помнит школьный курс физики тот может вспомнить, что можно разбить нагрузками цепь так, что в нужных частях вы получите меньшее напряжение. В таком случае альтернативная ветвь либо должна выполнять какую-то другую полезную работу, либо просто рассеивать мощность в тепло.
Данных вид понижающих преобразователей существует и называется линейным регулятором напряжения и бывают случаи когда применяют именно такой метод, но у нас с вами значительная мощностная нагрузка и нам надо очень сильно снизить напряжение, то есть мы берём малую долю от исходных 12 Вольт. В случае использования линейного преобразователя напряжения КПД такого снижения был бы очень низким. Вдобавок у нас процессор и видеокарта потребляют всегда разное количество мощности, а значит и другая нагрузка должна постоянно меняться чтобы напряжение всегда создавалось правильное. То есть это не будут просто резисторы как на схеме, нужна управляемая нагрузка, которую, как правило, ещё и тоже нельзя перегревать, то есть создаётся много проблем.
Этот метод нам не подходит.
В нашем случае куда лучше подойдёт импульсный преобразователь, чтобы понять общий смысл его работы приведу пример. Допустим если у нас за секунду первую 1/6 времени будет 12 Вольт, а оставшихся ⅚ секунды 0 Вольт, то в среднем у нас будет 2 Вольта, которые нам и надо получить.
С точки зрения математики всё прекрасно, мы получили из 12 Вольт — 2 Вольта с КПД 100%, но с точки зрения техники у нас всё равно 12 Вольт вперемешку с отсутствием питания и работать это не будет. Благо есть методы позволяющие частично решить эту проблему. Существует такое электротехническое решение как LC фильтр применяемый в куче разных мест.
Данная конструкция не даёт происходить любым изменениям очень резко, то есть все переходные процессы становятся заторможенными во времени. В том числе размываются и наши включения/выключения.
Красный — импульсы до сглаживания, синий — импульсы после сглаживания
И в итоге на выходе мы получаем некое подобие постоянного напряжения и некое подобие относительно высокого КПД. Естественно это не 100%, но куда выше, чем в линейном преобразователе.
Проблема только в том, что мы всё равно не получаем постоянное напряжение как в линейном преобразователе потому что есть пульсации напряжения.
И если супер критично отсутствие этих пульсаций то и применяется линейный преобразователь напряжения. Для процессора эти пульсации тоже критичны. Дело в том, что процессор работает на частотах выше, чем происходит пульсирующее включение питания, а значит в отдельные такты он будет менее стабильным, так как получает недостаточное напряжение для питания, то есть для стабильной работы придется завышать напряжение, так чтобы в моменты падений между импульсами было достаточно стабильности, то есть среднее напряжение должно быть излишним, что ухудшит энергоэффективность работы. Помимо этого — высокие пульсации — это ещё и наводки, то есть помехи при работе.
Но проблема эта не единственная. Есть вторая сложность, которая заключается в том, что процессор потребляет довольно много энергии.
Как работает VRM?
И тут уже стоит перейти к тому как же всё таки происходит генерация этих самых импульсов напряжения, чтобы понять почему высокие токи — это проблема.
В классическом исполнении мы для подачи импульсного питания ставим сборку из двух MOSFETов которые в данном случае чаще называют ключом (по русски мосфетами в данном случае называются МДП транзисторы с изолированным каналом N типа).
Суть таких транзисторов заключается в том, что он состоит из трёх областей кремния с разным лигированием, так что заряды просто так не могут преодолеть центральную часть, то есть центральная часть отталкивает от себя заряды подаваемые в крайние области. То есть по умолчанию он работает как диэлектрик не пропуская ток. Но если чуть-чуть помочь зарядам преодолеть малую область пространства центральной части, то заряд пройдёт. Собственно если подать напряжение на затвор, то есть к электроду у центральной части, то создаваемое электромагнитное поле поможет подровнять в центральной области потенциальную яму, которую не могут преодолеть заряды, и образуется в центральной области переход по которому между крайними частями начинает идти ток, а если с центрального электрода опять убрать заряд, то ток опять перестаёт идти через центральную часть.
И эти переключения режимов могут происходить часто и быстро.
Но сами по себе транзисторы не могут открываться и закрываться, затворами нужно управлять. Для того чтобы это происходило правильно нужен драйвер который и отвечает за управление базой.
Но проблема в том, что в задачи драйвера входит только управление затворами. Он не знает на сколько их надо открывать по времени. Нагрузка, то есть потребление процессором, постоянно меняется, и это проблема, потому что от увеличения нагрузки может происходить просадка напряжения и эти драйверы должны не бездумно включать и выключать течение тока, а делать это на необходимое время. И это необходимое время включения драйверу сообщает контроллер.
Контроллер в режиме реального времени отслеживает состояние питания и быстро корректирует требуемые изменения скважности импульсов, этим требованиям подчиняется драйвер который уже управляет затворами транзисторов.
Но вернёмся к двум ранее высказанным проблемам. Первая — это высокие токи, а вторая — это пульсации.
Начнём с высоких токов.
Дело в том, что геометрические размеры перехода для тока в транзисторах значительно ограничены, то есть у нас получается место с малым сечением проводника в транзисторе, а это значит что в этом месте есть сопротивление и как следствие нагрев. Обычно применяются мосфеты способные передать через себя от 20 до 60 Ампер. С ними есть ещё одна неприятная особенность, что их характеристики зависят от температуры. Кроме того в момент переходного процесса между работой как диэлектрик и проводник — транзистор также является далеко не идеальным проводником, то есть несмотря на то что мы их используем как ключи постоянно закрывая и открывая с высокой частотой — это не самый их любимый режим работы. И эти характеристики портятся от роста температур. То есть при приближении силы тока к заявленным пределам — происходит повышенный нагрев выше 80 градусов, который ещё ухудшает характеристики перехода, отчего нагрев происходит интенсивней, от чего ещё сильнее ухудшаются характеристики от чего нагрев становится ещё выше, от чего характеристики ещё ухудшаются и… вы поняли.
Решается вопрос с недостатком пропускной способности по току довольно просто. Ставится просто несколько цепей питания (не путать с фазами питания, об этом будет чуть позже).
Допустим надо обеспечить пропускание 300 Ампер через VRM, производитель, берёт, допустим, 50 Амперные транзисторные сборки, делит 300 А на 50 А и получает — 6. Именно столько цепей питания потребуется. А если взять 30 Амперные, то надо поставить 10 цепей питания (300/30=10). Ни то ни другое не является худшим или лучшим решением в плане передачи тока. Худшим решением является когда производитель железки заказывает разработку VRM, скажем на 100 Ампер, а маркетологи пишут, что на это можно поставить i9 9900ks и называют плату оверклокерской.
А вот со второй проблемой — пульсациями — всё сложнее.
Если просто так поставить много цепей питания — это не решит вопрос пульсаций ровным счётом никак.
Но и тут есть целых два варианта уменьшения пульсаций.
Первый — более очевидный. Если делать импульсы пропорционально чаще и при этом короче по длине, то будет гораздо короче промежуток времени на котором происходит сглаживание.
И этот метод отлично работает и применяется довольно широко, особенно в оверклокерских материнских платах. Проблема только в том, что режим переключения далеко не самый любимый для транзисторов. То есть при увеличении частоты увеличивается нагрев и падает КПД VRM. Но метод этот всё равно применяется очень активно. Допустим лет 5 назад оверклокерские платы давали возможность делать переключения в лучшем случае по 500 тыс раз в секунду, то есть 500 КГц. Сейчас уже вполне себе средние платы имеют частоту 500 КГц, есть множество видеокарт с частотой даже выше. А топовые оверклокерские материнские платы имеют частоту переключений в 1 МГц. Но это всегда был метод в тупую и вспомогательный. Он работает и очень хорош, но имеет минусы в ухудшении эффективности.
Есть методы и не в тупую. Не в тупую потому что не приносят ухудшений в КПД и в разы снижают пульсации.
В реальности, я напомню, у нас цепей питания не одна, а больше. И это важно не только для того чтобы увеличить максимальный преобразуемый ток.
В теории возможно одновременное управление этими цепями питания, то есть управление таким образом, что все импульсы включения будут совпадать во всех цепях.
Но если промежутки включения в каждой из цепей сместить, равномерно распределив по всему периоду времени, то пульсаций станет меньше, при этом мы не получаем никаких отрицательных эффектов, виртуально частично имитируя более высокую частоту. Цепи питания со смещением импульсов друг относительно друга называются уже не просто цепями питания, они называются фазами питания.
Каждый из драйверов управляется контроллером со смещением.
И тут начинается путаница. дело в том, что иногда число фаз и цепей равны друг другу, а иногда эти числа разные. То есть если все цепи питания разнесены друг относительно друга по фазам срабатывания импульсов, то число фаз и число цепей равно, и каждая цепь имеет уникальную фазу в работе. А если, допустим, есть 4 цепи питания, но две пары из них синфазны, то есть имеют совпадающие фазы, то в таком случае это будет 4 цепи питания, но при этом две фазы питания. С точки зрения первой проблемы — передачи большого тока это будут именно 4 цепи питания и они ничем не хуже, чем такие же цепи, но не синфазные, но с точки зрения уменьшения пульсаций, это будет две фазы.
Теперь разберёмся кто же отвечает за смещение фаз.
И тут не всё просто.
Напомню, что у нас есть контроллер, есть драйвер и пара транзисторов с фильтром.
Задача распределить открытие цепей питания по разным фазам ложится на плечи контроллера. Одна из характеристик контроллеров — это число выходных каналов для управления драйверами. Соответственно если таких каналов 8, то такой контроллер может управлять драйверами так чтобы те обеспечили 8 разных фаз питания. Если 6, то 6 и т.д.
И несколько лет назад — на этом бы рассказ и закончился. То есть контроллер управляет драйверами каждый со своим смещением по фазе, те управляют транзисторами со смещением по фазе и так это и работает. А если цепей питания больше, чем максимально может выдать фаз контроллер, значит часть цепей работает синфазно, то есть, допустим, цепей питания 8, а фаз питания — 4.
Но сейчас — это уже не так. Дело в том, что часть задач по разбитию на фазы взяли на себя драйвера. То есть драйвер может получить от контроллера сигнал со своим смещением по фазе и уже сам драйвер может обслуживать более 1-ой цепи питания, самостоятельно разделяя эти цепи на фазы.
В текущий момент драйвера уже умеют разбивать одну фазу на свои 4 подфазы, но в процессорных VRM используется сейчас либо фазы с чистым управлением от контроллера либо фазы полученные драйверами удвоителями, называемых даблерами, квадреры, то есть драйвера делящие одну фазу на 4 до материнских плат ещё не добрались, а вот в видеокартах они периодически встречаются.
Выводы
Теперь вы уже должны понимать разницу между цепями и фазами. Ну и то что количество цепей и максимальный ток на транзисторах описывает возможный передаваемый ток, а количество фаз описывает как хорошо происходит борьба с пульсациями.