Vrm что это

Различные виды VRM материнской платы — какие бывают топологии и что выбрать

Достаточно давно на материнской плате появился дополнительный разъём питания, помимо большого стандартного ATX. Рядом с процессором можно увидеть небольшую группу от 4 до 8 контактов, а иногда и даже пару таких. Как раз это и есть питание для VRM – системы стабилизации и питания процессора. В современных материнских платах особо компоненты не рассмотреть: они почти всегда спрятаны за радиаторами.VRM – одна из самых важных составляющих, ведь от него полностью зависит питание процессора, и насколько оно качественное, будет зависеть стабильная работа всей системы.

Как устроен VRM

Voltage Regulator Module представляет собой импульсный преобразователь постоянного напряжения, более привычное название DC-DC конвертер. Основная его часть – катушка индуктивности, режим работы которой регулируется двумя ключами с конденсатором на выходе для сглаживания пульсаций.

Работу можно разделить на 2 такта: сначала открывается один транзистор, заряжая энергией сердечник катушки индуктивности. На втором такте дроссель отключается от входного напряжения и сердечник начинает отдавать энергию, возникает электродвижущая сила, которая на выходе дросселя образует нужное напряжение обратной полярности и собирается в конденсаторе.

Достаточно простая схема позволяет понизить напряжение и увеличить силу тока, к тому же с большим КПД, 90-95%. Использование импульсной технологии позволяет максимально сделать схему миниатюрной.

Таких одиночных модулей на материнской плате обычно несколько, точное количество обычно указывается в документации к материнской плате в значении количества фаз питающей системы процессора. Причём эти модули действительно управляются специальным контроллером со сдвигом по времени. Чем больше фаз – тем более стабильное напряжение на выходе и тем больший ток VRM материнской платы может обеспечить, соответственно тем более мощный процессор можно будет использовать в готовой сборке. Максимальная мощность процессора указывается в документации к материнской плате, но как мы уже писали ранее, к официальной она отношение имеет слабо и может не соответствовать реальной.

Зачем такие сложности

VRM питается 12 вольтами, обычно именно этот показатель является основным для компьютерных блоков питания. Это самое большое напряжение, которое есть в компьютере. Со школьных уроков физики нам известно, что мощность – это сила тока, умноженная на напряжение, и если процессор имеет мощность 120 Вт, то по линии 12 В итоговое потребление находится на уровне 10 ампер, соответственно можно использовать достаточно тонкие провода.

А вот сам процессор уже питается напряжениями около 1-1,4 вольта, соответственно потребляет сотни ампер и с такими значениями провода к нему больше бы напоминали комплект для сварочного аппарата. На самом деле так и есть, только всё это выполнено на материнской плате в виде дорожек, а в сокете процессора несколько ножек предназначены именно для питания, создавая необходимую площадь сравнимую с сечением проводника на сотни ампер.

Как достигается большое количество фаз VRM

Контроллеры для VRM редко имеют отличное от 4 количество фаз, а сама система питания процессора – это сложное сбалансированное устройство. Достигать больших выходных значений путём увеличения мощности самих компонентов – это самое простое решение проблемы. Но в таком случае VRM будет достаточно горячая, а лишнее тепло в компьютере – это вечная головная боль. Поэтому нехватку в линиях управляющего контроллера производители материнских плат научились решать несколькими способами.

Самый простой способ – усиление одной фазы двумя модулями, то есть из 4 линий мы получаем 8 линий, но они не совсем честные. По факту – это всё тот же четырёхфазный VRM, просто каждая линия теперь имеет большую мощность за счёт дополнительного модуля с дросселем. И некоторые производители даже не стесняются выдавать такое решение как дополнительные фазы, но это не так.

Другой способ увеличения и мощности и количества фаз – установка промежуточной микросхемы удвоителя частоты между дополнительными модулями, а не напрямую, как в прошлом примере. В таком случае мы действительно получаем систему с увеличенным количеством фаз, пусть даже это и не настоящие выходы контроллера. Но такое решение является честным и позволяет на выходе VRM получить более линейное напряжение, к тому же тепловыделение такой системы будет ниже: большее количество дроссельных модулей работают поочерёдно, а соответственно будут выделять меньше тепла.

Будет не лишним изучить какие транзисторы используются в обвязке катушки индуктивности. Нередко здесь производители тоже пытаются экономить. Мы помним, что дроссель заряжается большим напряжением, соответственно меньшим током, а снимается с него небольшое напряжение, но больший ток, поэтому транзисторы могут быть разной мощности, это достаточно распространённое и эффективное решение. Иногда второй более мощный транзистор заменяется на два, причём это даже не выглядит как попытка сэкономить. Всё же 2 транзистора по итогу будут меньше греться, и не только потому, что через них будет протекать ток, разделённый пополам между ними. Общее сопротивление двух транзисторов будет меньше, чем одного, то есть это тоже один из способов борьбы с тепловыделением.

Самые мощные VRM с их точной настройкой используются производителями в материнских платах для разгона, созданные специально для удовлетворения всех потребностей энтузиастов и оверклокеров. Естественно, для раскрытия всего потенциала системы, будет нужен процессор с разблокированным множителем.

Заключение

Производители сами заинтересованы в качестве своей продукции, конечно же топовые игровые материнские платы комплектуются более качественными системами питания, которые поддерживают разгон, а в разогнанном состоянии процессору необходимо более качественное и стабильное питание. От недорогих бюджетных плат такого не требуется и системы питания на них значительно скромнее. В большинстве случаев, в документации к материнской плате содержится вся необходимая информация и списки поддерживаемых процессоров.

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.

Что такое VRM на материнской плате? Рассказываем простыми и не очень словами

В этой статье вы узнаете все про VRM материнских плат ваших компьютеров. Она будет разделена на два раздела: для новичков в компьютерном железе и для продвинутых пользователей. В первом мы рассмотрим все основные пункты и примерно подскажем, сколько нужно фаз материнской плате. А во втором уже подробно рассмотрим саму работу VRM.

Содержание статьи:

Немного про VRM;
Сколько фаз надо?

ШИМ-контроллер;
Даблер/квадрер;
Драйвер;
MOSFET-транзисторы;
LC-фильтр;
Работа двух MOSFET-транзисторов и LC-фильтра.

Раздел 1. Для новичков

Немного про VRM

VRM – модуль регулирования напряжения, в составе которого находятся MOSFET-транзисторы, дроссели, конденсаторы, драйверы и контроллер. Основной задачей модуля является обеспечение питания процессора и контроллера памяти. Простыми словами, VRM просто понижает 12-вольтовое напряжение, идущее от блока питания, на значение, которое необходимо процессору (например, 1.35 В).

Существует мнение, что чем больше MOSFET-транзисторов (далее – цепей питания), тем лучше. Но так происходит не всегда. Дело в том, что зачастую VRM делится на две части: CPU и остальные части материнской платы, такие как контроллер памяти и т.д. Из-за этого конфигурации могут быть различными.

Чем больше расположено цепей питания в зоне CPU, тем лучше. Если у вас на материнской плате, допустим, расположено 6+2, то это будет лучше, чем 4+4 при разгоне процессора. Также учтите, что первое число – количество цепей CPU, а второе – количество цепей остальных элементов.

Дело в том, что зона VRM при том же разгоне процессора начинает греться. Вспомним курс школьной физики и приведем небольшой пример, почему все же первое число в конфигурации VRM должно быть больше, чем второе.

У вас есть условный процессор, который вы решили разогнать. Когда вы повышаете его частоту, вам также надо увеличить напряжение для стабильности. При повышении напряжения соответственно растет и сила тока, вспомните формулу I=U/R. Когда растет сила тока, повышается и нагрузка на фазы питания, из-за чего они и начинают перегреваться. Больше фаз питания – меньше нагрев, из-за распределения между ними: сила тока на один MOSFET-транзистор уменьшается.

Количество цепей питания на другие элементы материнской платы в целом вообще не важны, так как их всегда хватает для рядового пользователя (даже при разгоне той же оперативной памяти), из-за этого большинство отдают предпочтение именно первому числу в конфигурации 6+2.

Производители материнских плат зачастую устанавливают «удвоители» фаз питания (рассматривается подробнее во втором разделе). Они попросту виртуальные, а делается это для увеличения пропускаемой силы тока через MOSFET, из-за чего снижается нагрев. Узнать фактическое количество фаз питания на материнской плате можно несколькими способами:

посмотрев обзоры на материнскую плату, в которых они могут быть указаны
поискав на соответствующих форумах
прочитав datasheet (техническую документацию) определенного драйвера в вашей материнской плате, далее сопоставив количество фаз, указываемых производителем, и поддерживаемых драйвером.

Также желательно выбирать материнские платы с охлаждением на цепях питания во избежание перегрева.

Сколько цепей питания надо?

Однозначно ответить на вопрос, на какую материнскую плату обращать внимание, мы не сможем, однако попробуем ответить на вопрос о количестве фаз. Мы подготовили таблицу. Рекомендуется не нагружать отдельную цепь током более 30 А, из этого выходит следующее:

Количество цепей (без даблера)	Максимальная сила тока	Выходящая мощность I_max×U
3	90 А	117 Вт
4	120 А	156 Вт
6	180 А	234 Вт
8	240 А	312 Вт

Примечание:
при напряжении на процессор 1.3 В

Стоит все же отметить, что данная информация носит рекомендательный характер. Невозможно точно сказать без проверки по техническим документам, на какую силу тока можно нагружать MOSFET-транзисторы на конкретно вашей материнской плате.

Раздел 2. Информация для продвинутых пользователей

Итак, мы закончили с простыми объяснениями. Если у вас уже закипела голова, можете не продолжать читать, потому как далее пойдет физика, но, к счастью, с нашей инфографикой.

Приведем схему условной VRM для лучшего понимая дальнейшего текста:

PWM расшифровывается как Pulse-Width Modulation, что на русском обозначает Широтно-Импульсная Модуляция. PWM-контроллер или ШИМ-контроллер является координатором количества энергии, которая пройдет через фазы на процессор. Он управляет этим, изменяя ширину импульсов, которая зависит от количества энергии, требуемой процессору.

Тот самый даблер или квадрер. Но начнем мы не с них. Для начала разберемся в некоторых очень важных вещах:

Цепь питания состоит из MOSFET-транзисторов и LC-фильтра. Большее количество цепей увеличивает силу тока, проходящую через VRM.
Фаза питания находится непосредственно на ШИМ-контроллере. Из одной фазы питания на ШИМ-контроллере ток выходит в драйвер (или даблер, если таковой имеется). Количество фактических (без даблера) фаз влияет на уменьшение пульсаций. То есть больше фаз – меньше пульсаций. Неспроста, к слову, фазы питания так называют, потому что переключаются транзисторы не в одно время, а с небольшим сдвигом по фазе:

Для лучшего понимания вышесказанного вернемся к той самой инфографике в начале:

Даблер может увеличивать количество цепей питания вдвое, при этом используя только одну фазу. Квадрер же – вчетверо. Однако зачастую устанавливаются в материнских платах именно даблеры.

Дело в том, что ШИМ-контроллер ограничен количеством каналов управления и управляет таким же количеством фаз. Для обхода его и используют. Зачем это нужно? Для того, чтобы увеличить силу тока, проходящую через VRM, без использования лучшего контроллера. Отметим, что при увеличении максимальной пропускной способности силы тока и неизменном потреблении питания процессора уменьшатся и температуры MOSFET-транзисторов.

Рассмотрим сначала блок-схему VRM без даблера:

Переходим к простому даблеру. Он формирует импульсы со сдвигом по времени, уменьшая их частоту на выходе.

На схеме VRM он устанавливается между самим ШИМ-контроллером и драйвером.

В заключении покажем блок-схему VRM с даблером:

Драйвер управляет двумя MOSFET-транзисторами: согласует сигналы с низким напряжением, поступающие с ШИМ-контроллера или удвоителя, с необходимыми напряжениями. Драйвер также устраняет промежуток между переключением транзисторов из открытого состояния в закрытое.

Иногда происходит такое, что один транзистор не до конца закрывается, а другой уже открывается. В такой ситуации через них протекает сквозной ток 12 В, из-за чего транзисторы начинают сильно нагреваться. Это тоже устраняет драйвер, создавая задержки между сигналами управления транзисторами.

MOSFET расшифровывается как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (полупроводниковый полевой транзистор на основе оксида металла). Это нечто иное, как обычный МОП-транзистор. Работа полевого транзистора кроется в том, что у него есть возможность управлять протекающим током с помощью электрического поля.

Кремниевая подложка. Может быть двух типов: p и n. В подложках типа p преобладают положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решетки кремния. В n-типовой подложке, наоборот, преобладают отрицательно заряженные атомы.
Области полупроводника n+. Эти области обогащены свободными электронами, к ним подключаются электроды стока-истока.
Диэлектрик. Он выполняется из оксида кремния SiO2. Целью его является изоляция электрода затвора от подложки из кремния. К поверхности диэлектрика подключается электрод затвора.

Сглаживающий фильтр включает в себя катушку индуктивности (L), которая подключается последовательно с нагрузкой, и конденсатор (C), который подключается параллельно.

Его предназначение кроется в преобразовании 12-вольтовых импульсов в постоянное низковольтное напряжение питания процессора.

Работа двух MOSFET-транзисторов и LC-фильтра

Работу двух транзисторов можно представить в двух тактах:

Далее цикл повторяется на определенной частоте, зачастую в мегагерцах (миллион раз в секунду и более)

Далее импульсы сглаживаются LC-фильтром, образуя почти прямую на графике:

Почему не прямая? Дело в том, что идеальных LC-фильтров не бывает, всегда будут присутствовать небольшие пульсации.

После этих действий все фазы объединяются в одну, вследствие чего пульсации уменьшаются: