Сколько нужно фаз для мощного процессора и как определить их количество у VRM материнской платы

Met741, 12 октября 2022

Met741

Чтение: 6 мин

77

53

Собирая компьютер, мы тщательно изучаем характеристики процессора, оперативной памяти и видеокарты. А материнская плата частенько покупается «на сдачу». Между тем, ценность производительных комплектующих утрачивается, если их неправильно выбрать. Основной вопрос — совместимость с процессором. Давайте разберемся, как определить количество фаз для питания и сколько нужно для конкретного ЦП. Узнаем, на какие хитрости идут производители материнских плат, чтобы сэкономить.

VRM — самый энергетически напряженный участок материнской платы. Он отвечает за формирование питания процессора, а современные ЦП очень прожорливы. Например, топовый Intel Core i9-11900K потребляет до 250 Вт.  При низком напряжении (1 В с «копейками») потребляемый ток составит внушительные 200 А. Значение еще и меняется в зависимости от нагрузки — такое питание может формировать только сложная и технологичная электронная схема.

Процессор Intel Core i9-11900K OEMLGA 1200, 8 x 3.5 ГГц, L2 - 4 МБ, L3 - 16 МБ, 2 х DDR4-3200 МГц, Intel UHD Graphics 750, TDP 125 Вт

Voltage Regulator Module или модуль регулятора напряжения преобразует 12 В блока питания в низковольтное стабилизированное напряжение питания процессора. Это многоканальный импульсный преобразователь, которыйсостоитиз ШИМ-контроллера, драйверов, мосфетов и сглаживающего фильтра.

Многоканальность VRM продиктована тем, что мощностные возможности одной фазы ограничены. Их недостаточно для питания даже самого слабого процессора. Поэтому производителям плат приходится наращивать число фаз, тем самым увеличивая суммарный ток и результирующую мощность.

Стандартная фаза питания состоит из драйвера, мосфетов нижнего и верхнего плеча и сглаживающего LC-фильтра — конденсатора и дросселя.

На материнской плате эти элементы размещены как можно ближе к сокету — разъему для процессора. Ведь чем короче токопроводящие дорожки, тем меньше их сопротивление и тепловые потери. А при токах в районе 200 А сопротивление даже в 0,001 Ом вызовет уменьшение напряжения на процессоре на недопустимые 0,2 В.

Дроссели— это кубы, возвышающиеся над платой. Внутри корпуса у них несколько витков медной проволоки, которые залиты компаундом.Конденсаторыпредставляют собой цилиндры схожей высоты.Мосфеты— прямоугольные керамические микросхемы.Драйверынаходятся рядом с ними.

В последние годы производители материнских плат все чаще применяют сборкиDrMOS. В них мосфеты и драйверы компактно размещены в едином корпусе.

Казалось бы, узнать число фаз питания VRM очень просто. Достаточно посчитать количество самых заметных элементов — дросселей. Сколько дросселей, столько и фаз. Но это справедливо не для всех материнских плат. Дело в том, что производители зачастую используют не совсем «честные» каналы питания.

Цикл одной фазы не должен совпадать с циклами других фаз — они работают поочередно. Только в этом случае их можно назвать полноценными. Такая поочередность создает высокую частоту пульсаций на выходе VRM. Ее легче сгладить, чем низкую частоту пульсаций, которую создавали бы фазы питания, работающие одновременно.

Иногда применяютусиленные фазы. В этом случае каждые две цепи питания соединяются параллельно, затем они подключаются к выходу контроллера. Такая пара цепей работает одновременно, поэтому они не являются фазами друг для друга:

При подсчете по дросселям (или другим элементам) для этой схемы получим шесть «ошибочных» фаз питания. А фактически имеем три усиленных фазы. Такую схему часто применяют, если используются радиокомпоненты невысокого качества.

Некоторые производители применяют в материнских платах удвоители фаз. Такие даблеры распределяют поступающие импульсы поочередно на каждую фазу питания. Каналы тоже работают поочередно.

Но и в этом случае есть подвох. Даблер, разделяя импульсы по фазам, вдвое уменьшает частоту следования. Это приводит к уменьшению частоты пульсаций на выходе VRM и усложнению их сглаживания. Потребуются конденсаторы большей емкости и дроссели с другими параметрами.

Подробнее о различных топологиях материнских плат читайтев специализированной статье.

Материнская плата GIGABYTE B660M DS3H DDR4LGA 1700, Intel B660, 4xDDR4-3200 МГц, 1xPCI-Ex16, 2xM.2, Micro-ATX

Фазы питания VRM материнских платобозначаютпо схемеA + B, гдеA— число фаз питания ядер процессора, аB— число фаз питания встроенного видеоядра и контроллера памяти. Таким образом, VRM делится на два независимых канала.

Производители иногда лукавят, указывая лишь общее количество фаз. В примере выше — шесть. Другой пример. В спецификации вроде бы все честно: 14 + 2 фазы.

Материнская плата ASUS TUF GAMING Z690-PLUS WIFI D4LGA 1700, Intel Z690, 4xDDR4-3200 МГц, 2xPCI-Ex16, 4xM.2, Standard-ATX

Но в схеме питания используется восьмиканальный ШИМ-контроллер. Семь каналов через удвоители образуют 14 фаз питания для процессора, а один канал с помощью того же даблера превращается в две фазы питания видеоядра и контроллера памяти. Правильнее было бы обозначить так: (7 × 2) + (1 × 2).

Допустим, вы не прочли эту статью и купили слабую материнку к топовому процессору. Какими последствиями чревата такая компоновка?

Материнская плата MSI PRO H410M-BLGA 1200, Intel H510, 2xDDR4-2933 МГц, 1xPCI-Ex16, 1xM.2, Micro-ATX

В бюджетном сегменте экономят на всем: как на компонентах самого VRM, так и схемах защиты от перегрева. Если последние работают корректно, при перегреве электронных ключей процессор просто перейдет в режимтроттлинга. Материнская плата уменьшит его тактовые частоты и напряжение питания. Соответственно, снизится и тепловыделение.

Если схема защиты вдруг не сработает, мосфеты сильно нагреются и начнут «пробиваться», образуя короткое замыкание между выводами. Повезет, если первым «пробьется» ключ нижнего плеча — он просто закоротит питание процессора на корпус.

Если же в пролете окажется верхнее плечо, то все напряжение питания (12 В) через дроссель пойдет на процессор. Он при таком исходе гарантированно выйдет из строя.

Так сколько же фаз питания должен иметь VRM, чтобы полноценно запитать тот или иной процессор? Все зависит от максимального тока, который может обеспечить каждый канал. В первую очередь смотрите на мосфеты или DrMOS.

Качественные электронные ключи в среднем дают 45 А.  Для мосфетов низкого качества максимальный ток каждой из фаз будет в пределах 25 А. Затем нужно умножить это значение на количество фаз — так мы получим максимальный ток всего VRM.  Сразу станет понятно, сможет ли материнская плата полноценно запитать процессор.

Например, топовый Intel Core i9-12900KS способен потреблять до 291 Вт.

При стандартном напряжении питания процессора 1,4 В ток потребления составит 208 А (291 Вт / 1,4В = 208 А). Для перестраховки предположим, что компоненты фаз питания VRM — не самые лучшие, и обеспечивают ток 25 А. Тогда для 12900KS нужно хотя бы 10 полноценных фаз.

Для среднебюджетного процессора Intel Core i5-12600K с максимальной потребляемой мощностью 150 Вт ток потребления будет 107 А. Понадобится минимум шесть фаз.

Процессор Intel Core i5-12600K OEMLGA 1700, 6P x 3.7 ГГц, 4E x 2.8 ГГц, L2 - 9.5 МБ, L3 - 20 МБ, 2 х DDR4, DDR5-4800 МГц, Intel UHD Graphics 770, TDP 150 Вт

Ищите информацию о конкретных мосфетах в сети. Иногда эти данные проскакивают в обзорах. Так, в материнской плате ASRock Z690 Pro RS для питания ядер процессора используются DrMOS SiC654 фирмы Vishay Siliconix c максимальным током в 50 А. У этой платы шесть усиленных фаз, каждая имеет по две цепи питания. То есть, вышеуказанные 45 А на фазу она обеспечит.

Нужно понимать, что ток фазы питания не будет соответствовать величине максимального тока мосфетов. Они работают в импульсном режиме, а нам нужна величина непрерывного тока самой фазы. Но зависимость прямая, чем больше максимальный ток электронных ключей — тем больше ток фаз питания.

В экстремальной плате Z690 AORUS TACHYON для питания ядер используются 15 фаз на сборках Renesas RAA220105 с максимальным током в 105 А. В данном случае такие значения скорее для надежности. Сами мосфеты используются в щадящем режиме — то есть, с гораздо меньшими импульсными токами. Даже если взять условную цифру в 45 А, получаем максимальный ток 675 А. Плата отлично подойдет для разгона.

Для удобства систематизируем данные. Если собираете систему на Intel, ориентируйтесь на эту таблицу:

Для AMD используйте данные ниже.

Обращайте внимание на наличие радиаторов для охлаждения VRM. Их отсутствие прямо говорит о том, что материнская плата не предназначена для работы с производительными процессорами.