Stranky ve vyvoji
HW guru koutek – VRM, neboli napájecí kaskády

HW guru koutek – VRM, neboli napájecí kaskády

VRM – Princip napájecích kaskád.
Kolovalo zde mnoho mýtú a legend na téma napájecích kaskád a tak se vám všem pokusím trochu objasnit téma a principy VRM, resp. Voltage regulator module.
Ve skutečnosti se jedná o zcela konvenční DC-DC menič tipu Buck convertor, který vyžaduje k základní funkci jen 5 součástek, mosfet, dioda, cívka, kondenzátor a samozřejmě driver. V praxi se u motherboardu nesetkáme s diodami a tak máme pár mosfetú, zbytek však v zásadě zůstává.

91ab741ec3219e7f6eda328862154cd0

Princip:
driver, resp. řídič, je funkční člen, který nám generuje frekvenci a reguluje střídu (šířku pásma) dané frekvence a zároveň získává feedback z výstupu kaskády pro regulaci, kterou provádí změnou střídy.
Frekvence s regulovanou střídou nám nejprve vstupuje do prvního mosfetu, budeme mu ríkat otevírací mosfet, který nám po dobu kladné části průběhu vstupního signálu generovaného driverem ( 😀 promiňte :D) otevře celý přívod 12V větve. Takže v uzlu za mosfetem máme střídavě +12V, avšak představte si, že jsme pozastavili čas přesně v okamžiku, kdy je otevírací mos-fet právě otevřen a propouští oněh +12V. Právě v tomto okamžiku se nám indukuje, nebo chcete-li nabíji cívka. Cívka, je jak známo, se ve stejnosměrném obvodě chova jako obyčejný vodič, avšak ve střídavém obvodě se jedná o induktivní zátěž, což zde nikoho nezajímá, takže popojedeme dál. Posuňme čas na okamžik, kdy se nám zavírá otevírací mos-fet. Cívka je nabytá na požadovanou hodnotu a na řadu vstupuje mos-fet další, budeme mu říkat mos-fet zkratovací. Ten má za úkol otevírat (v našem případě zkratovat) jen a pouze v okamžiku, kdy je zrovna zavřený mos-fet otevírací. Takže nachazíme se v dobe průběhu, kdy se průběh obdélníkového signálu zavírá, v tento okamžik nám vypne mos-fet otevírací a sepne mos-fet zkratovací, tím nám umožní vybít naindukovanou energii v cívce, což je přesný princip DC-DC měniče. Výsledné napětí je pulsní, aby byl výstup plynulý, což je pro stabilitu naprosto rozhodující, přichází na řadu kondenzátor, který funguje jako téměř ideální baterie s velmi malou kapacitou. Kondenzátor se nám v každé z výstupních pulzú nabijí na jeji maximum a v tomto režimu setrvává, resp. pomalu se vybíjí, avsak jen o pár % do okamžiku, než jej další výstupní puls nabije.

770e2fe2e2fbe5271b01e24de89339e4

Uff, základní princip byl popsán, avšak mnozí si ríkají, jak je mozne, že mám na výstupu 12V? Heh, teď začíná ta sranda. Driver řídí celou napájecí kaskádu, ať už 3-fazovou low-end až po 8-mi a více fázových kaskád. Tento driver dostane patřičné parametry od zbytku MB k požadovanému výstupnímu napětí, ten si jej pak hlídá jednoduše tak, že má jeden ze svých vstupú napojený na výstup celé kaskády, tzv feedback. Výstupní napětí pak řídí šířkou pásma, resp střídou. Pokud je výstupní napětí moc malé, driver rozšíří střídu (otevirací mos-fet je déle otevřen) a tudiš se výstupní napětí zvedne, pokud je naopak výstupní napětí vysoké, driver okamžitě ´zuží´ střídu a tím se na výstupu napětí sníží. Tyto cykly se ďejí velice rychle, průměrný motherboard dává mos-fetům okolo 300khz PWM, což dává rychlost regulace 300 000x/1s.
Ted by bylo zřejmě vhodné zmínit, že frekvence není vycucaná z prstu, výrobce přesně počítá hodnoty aby naladil ideální rezonanci s cívkou v nejčastěji použitelném pásmu, proto se nedá jednoznačně určit, která cívka je správná a která ne. Jdeme dál.

Více fázové VRM
876e6fd90a4df3aac9fbe06759dfc143
Již jsme zmínili, že mozkem celého VRM je driver, ten nám generuje patřicný průběh pro všechny fáze, avšak dle dostupných informací se u většiny desek nespoustí nikdy 2 faze zároveň. (odborná porota snad promine, že jsem neměřil svou sabertooth na potvrzení zdroje) driver nam bude postupně aktivovat jednu fázi po druhé, dokud nezaktivuje vsechny aby se mohl proces opět opakovat. Pošle kladný puls do první fáze kaskády a vyčká do okamžiku jejího výstupu, teprve poté aktivuje druhou fázi a tak dále a tak dále. Vše se děje velice rychle, naladěno přesně na danou frekvenci aby byla rezonance ideální a aby to stíhalo krmit výstupní kondenzátory. Duvod tohoto je zřejmě rychlejší a hlavně jemnější regulace výstupního napětí, nižsí záťež na kaskádu a menší proudová zatižitelnost vstupu.
218599b87bac36ad3ef93d76d892da12
Avšak u serveru, které měli např. Jen 4 fáze jsem se setkal s párem kaskád paralelně, jde o návrh konstrukce, nelze jednoznačně obecně určit zda tak či tak.

Jak poznat, zda je kaskáda na desce dobrá či ne?
739e4ee4112d2f2b16f56e81eae43177
Na první zhlédnutí lze určit, kolik má dotyčná deska (grafika atd) fází, to poznáme podle počtu cívek, protože jak již víme, každá cívka je jedna větev káskady. Zde platí jednoduché pravidlo, kvantita je priorita, né kvalita. Např. deska XX od XX má 4fáze, nálepku xtreme, killer a cenovku nad konkurenční deskou od XX která nemá žádné pozlátko, avšak shledali jsme 8fázi.
Která bude lepší? Celkem jednoznačně se dá určit, že lepší kaskádu bude mít deska s 8mi fázemi, protože rozdíl kvality kaskád je mezi výrobci velmi malý a prakticky se nesetkáte, aby kvalitnější větev kvalitnějšího výrobce snesla více než 1,5x proudu levnějšího výrobce. Tudiš se dá celkem s klidným svědomím říci, že v 99% případu bude schopna 8-fázová kaskáda přenést minimálně o 50% vyšší proud než kaskáda 4-fázová.
Další věc, a to celkem důležitou je stabilita napájení. Při zátěži CPU vznikne velký požadavek na proud (bez problému nad 100A) přičemž nám vznikne pokles napětí na výstupu, který nejsou kondenzátory schopny pokrýt. Driver samozřejmě zareaguje zvednutím střídy a tím nám napětí opet dorovná ale zcela 100% se dá říci, že čím více fází, tím plynulejší regulace a čistší průběh napětí na výstupu. Zkrátka, čím více fází, tím vícekrát je dodáván proud na jednotku 1sec, tím plynulejší je regulace napětí, tím je čistší výstup. Všechno ruka v ruce se stabilitou systému.
Spousta výrobcú se dnes snaží vydělat na hlouposti a proto vymýšlí extra názvy a bájné schopnosti jejich zcela moderních digitálních napájecích větví, ve skutečnosti se princip nezměnil už 20 let, vše je řízeno driverem skrze PWM-pulzně šířkovou modulací-regulací střídy. Neexistuje v zásadě nic nového, vše vychází z konceptu Buck DC-DC menicu.
d4b08e0a8fa1163b34a40bc594c9ac91
-Kalibrace napájecího napětí
DC-DC měnič je velmi mekký zdroj proudu, pokud bychom jej neregulovali, dá se říci, že by byl naprosto nepoužitelný. Ze striktně řednastavených 1,5V bez feedback nám při zátěži vznikne třeba jen 0,5V, což se stává naprosto nepoužitelným, proto jedna z hlavních funkcí driveru je regulace skrze feedback.
spousta desek má v sobě zabudovanou funkci LLC atd, která má za následek potlačit pokles napětí v zatíženém stavu a tím nám zvýšit stabilitu systému nebo dopomoci vyšším taktům.
Regulace probíhá skrze driver a to jednoduše tak, že driver skrze feedback zijstí úbytek napětí a následně regulací střídy reaguje agresivneji než by měl. Tím se potlačí poklesy napětí při zatížení, avšak může být nebezpečné i z hlediska zavíracích špiček které vznikají tak, že driver nestihne skrze frekvenci zareagovat na nadbytek napetí (náhlé přepnutí z full loadu do idle) a může se objevit špička a to klidne nad +0,3V. Výrobci všeobecně u této volby uživatele varují, není se čemu divit.

-Změna frekvence driveru
Toto by se dalo nazvat, aneb když mi LLC kalibrace nestačí 😀 když nejsme schopni pokrýt odbyt proudu který nám cpu vyžaduje (hard-core OC atd), můžeme celý proces kaskády zrychlit a tím jí umožnit dodat více proudu na jednotku času, než je tomu u standartní frekvence. Dá se říci, že touto volbou co se týče napájení vše zlepšíme, zlepšíme maximalní výstupní proud, zlepšíme průběh a hladkost výstupního napětí, snížíme požadavky na kondenzátory, tudiš se kaskáda začne chovat jakoby měla extra kapacity nazbyt, jenomže to má háček. Při zvýšení frekvence dochází k přesaturovávání cívek, resp. nutíme cívky pracovat na frekvenci, na kterou nebyly zkonstruovány, tudiš se samotné cívky začnou přehřívat a % účinnost kaskády jde do háje. Ale co, když máte vodník nebo dusík….

-Cívky:
nelze určit která cívka je lepší a která ne. Ano, cívka 1R0 má 2x vyšší uH než cívka R50, avšak cívka R50 rezonuje na 2x vyšší frekvenci než cívka 1R0, tudiš nám sice na jeden puls dokáže podat poloviční náboj, avšak za jednotku času oněh nábojů podá přesně dvojnásob, takže výstupní proud je stejný. Jediný argument pro cívku je její konstrukce a provedení. Kvalitní cívky jsou vyrobeny z pásoviny zalité v keramickém pouzdře které dobře odvádí teplo, mají široké přívodní vodiče a snesou kontinuelně težce prez 25A.. (kontinuelně myšleno neustále, pulsně, z čehož DC-DC měnič vychází. Hlavně u vícefázového provedení myšleno jeden puls klidně až třeba 50A a pak další 4 doby pulsu cívkou nic neteče, tudiš chladne)

-Kondenzátory:
zde platí jednoduché pravidlo, čím vyšší kapacita, tím lépe. Čím více kondenzátoru, tím lépe. Ani tak nezáleží na tom, zda jsou použité drahé japonské kondenzátory, nebo zda jsou lakovány do zlata (výrobce záměrně neuvádím) ve skutečnosti tyto veci mají jen delší životnost (tedy až na ten lak), funkce je stejná jako s klasickými elektrolity. Duležitá je kapacita a počet. Samozřejmě mohou mnozí naznačit, že i tam na kvalitě záleží, nejideálnější jsou samozřejmě kondenzátory tantalové, které mají velmi nízký odpor a tudiš nám dovedou podat špičkově obrovský proud, jejich cena je ovšem velmi vysoká a v praxi pro domácí taktování nehraje použití těchto druhú součástek roli.

-Mos-fety:
Mosfety jsou velmi háklivé na teplotu, ve směs všichni výrobci užívají mos-fety podobné kvality, né-li zcela stejné. U mos-fetu je ovšem důležité hlídat teplotu, ta je totiž velice spjata s maximálním výstupním proudem. Uvedu malý příklad, mos-fet X při pokojové teplotě má udávané maximum 120A pulsně, což je takový průměrný, dnes užívaný mos-fet používaný napříč mnoha výrobci. Avšak když jej zahřejeme na 60°C, rázem nám mosfet podá maximálně 90A, když jdeme dál na 80°C tak máme již jen 60A… no a budeme pokračovat někam az ke 110°C kde zijstíme že mos-fet snese jen 20A, což je trochu problém, když náš CPU vyžaduje v zátěži po fázi ampér 50 že…  Chlazení kaskády je maximální prioritou. Stačí prekročit výstupní proud klidně jen o 1A a mos-fet shoří-stane se vetšinou vodičem, což má za následek buď kompletní sehlání kaskády, což v tom lepším případě, v tom horším s sebou vezme i CPU. Charakteristiky mos-fetu se dají bezproblému stáhnout a zda to někoho bude zajímat, mohu doplnit podrobněji, ale myslím že to není záměrem článku. Každopádně, hlídejte si teplotu, čim lacinejší-méně fázová deska, tím více jsou mos-fety zatěžovány!

Na závěr uvedu jeden idealní případ, resp. nejlepší napájecí kaskádu kterou bych vám chtěl vyzdvihnout. Za mě jednoznačně gigabyte X58A-OC, http://www.xtremesystems.org/forums/showthread.php?269897-X58A-OC-Review-MOST-In-Depth!-VRM-Analysis-Physical-Initial-Results
Můžete si všimnout 12 fází pro cpu (2×6 fází paralelne) DR-Mos na každé fázi a kapacitu nám zajišťují tantalové kondenzátory! Musím zatlačit slzu a povzdychnout, takovou desku pro AM3+ neseženete :(
board.sm

About admin

Zakladatel webu HW nadšenec Rádoby muzikant :)

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

Můžete používat následující HTML značky a atributy: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

powered by Jaklys