VRM. Что такое, зачем? Фазы и цепи питания.

Зачем нужен VRM?

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.

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. 

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.

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.