Sekcje zasilania, czyli co nam w komputerze piszczy

Dzisiaj porozmawiamy sobie na temat sekcji zasilania, czasami nazywanych VRMami (z ang. Voltage Regulation Module), o tym jakie zadanie pełnią, gdzie są wykorzystywane oraz o tym, jak działają oraz dlaczego czasami w naszych komputerach coś piszczy.

Tym razem przejdziemy od razu do rzeczy, bez rozbudowanego wstępu, jak miało to miejsce w publikacji dotyczącej zasilaczy. Zaczniemy od omówienia podstawowych zadań sekcji zasilania, następnie przejdziemy do krótkiego omówienia budowy i zasady działania a skończymy na kilku pojęciach. Całą publikację doprawię podstawową wiedzą na temat odczytywania datasheetów MOSFETów, fazach zasilających, określaniu ich liczebności. Wszystko to ma na celu pokazanie Wam, drodzy Czytelnicy, jak wiele dzieje się w komputerach, żebyśmy wszyscy mogli cieszyć się rozgrywką czy też pracować na nich. Dla osoby choć trochę interesującej się elektroniką to, co będę tłumaczył może wydać się proste. Czasem wręcz będę narażał się na wyśmianie przez zbyt duże uproszczenie. Jednak dla ludzi, którzy nie „siedzą w temacie” całość może wyglądać jak totalna czarna magia, dodatkowo ukryta za gęstą mgłą. Nie obiecuję, że przekażę Wam arkana tej magii ale mgłę postaram się rozwiać.

Podstawowym zadaniem VRMów jest regulowanie napięcia w taki sposób by osiągało ono poziom odpowiedni do zasilania procesora, rdzenia karty grafinczej, pamięci czy też innych układów logicznych znajdujących się na płycie głównej. Napięcie na ich wyjściu powinno być jak najbardziej „równe”, bez wyraźnych skoków czy spadków. Muszą one jak najlepiej niwelować skutki nagłych skoków obciążenia układów, które zasilają. Jakie to skutki objaśnię gdy poruszę temat Load Line Calibration, w skrócie LLC.

Zadanie wydaje się dość proste ale czy jest tak w rzeczywistości? I tak właściwie to co je realizuje? Odpowiedź jest dość skomplikowana w swojej prostocie. Mianowicie odpowiadają za to MOSFETy. Oczywiście nie same z siebie. Steruje nimi kontroler sekcji za pośrednictwem tzw. driverów. Sygnał PWM pochodzący ze sterownika jest w nich odpowiednio „rozkodowywany”, dzięki czemu załączają one tranzystory w odpowiednich momentach na odpowiedni czas oraz w odpowiedniej sekwencji. Warto wspomnieć, że producenci płyt głównych czy też kart graficznych w swoich najlepszych produktach bardzo często stosują układy Power Stage, w których driver (czyli układ zarządzający pracą tranzystorów), High-Side MOSFET oraz Low-Side MOSFET są zintegrowane w jeden układ, często oferując lepszą sprawność czy dodatkowe funkcje. Nie jestem w stanie podać dokładnych danych tej „czasówki” oprócz tego, że w typowych sekcjach zasilania każda faza pracuje z częstotliwością w zakresie 250-400 kHz. Jest to spowodowane tym, że sekcje na różnych płytach głównych są zbudowane w inny sposób. Producenci wykorzystują różne kontrolery, różne tranzystory, cewki. Oprócz tego ważna jest konfiguracja sekcji zasilania, to ile ma faz, czy są ona zwielokrotniane z użyciem doublerów lub też quadruplerów.

Teraz pewnie chcielibyście się dowiedzieć co właściwie znaczą te fazy i oznaczenia, którymi chwalą się producenci, typu „Super wytrzymała sekcja zasilania 8+2”. Najprościej i najogólniej, jak potrafię wytłumaczyć jedną fazę stanowi układ stabilizacji napięcia składający się z drivera (na diagramie oznaczony jako Driver IC), tranzystora górnego (High-Side MOSFET), tranzystora dolnego (Low-Side MOSFET), cewki oraz kondensatorów (bank kondensatorów). Określenie sekcja zasilania 8+2 oznacza po prostu, że osiem takich faz zasila samo CPU a dwie odpowiadają np. za zasilanie SoC w procesorach AMD Ryzen czy kontrolera pamięci albo też iGPU w Intelach. Aby dowiedzieć się iloma liniami zasilającymi dysponuje płyta główna czy karta graficzna z reguły wystarczy tylko policzyć liczbę cewek znajdujących się na laminacie. W kartach graficznych jest to mocno utrudnione ze względu na zamontowane chłodzenie jednak jeśli chodzi o płyty główne to cewki znajdują się blisko gniazda procesora. Najczęściej na lewo od niego i/lub u góry. Przy okazji warto wspomnieć, że jest wiele sposobów na uzyskanie takiej samej ilości tychże faz zasilających. Można np. wykorzystać odpowiednio rozbudowany kontroler lub nawet dwa, np. jednego mającego możliwość skonfigurowania wyjść jako 8+0 do sterowania ośmioma fazami V_core oraz drugiego, mniejszego, który oferuje możliwość skonfigurowania swoich wyjść do wykorzystania w sekcjach typu 2+2 odpowiedzialnych np. za V_SoC. Drugim przykładowym sposobem, moim zdaniem najbardziej optymalnym, oferującym najlepszy kompromis między jakością podawanego napięcia a kosztami, jest wykorzystanie kontrolera 4+2 oraz czterech doublerów, które każdy jeden sygnał PWM pochodzący ze sterownika dzieliłyby na dwa ale o dwukrotnie mniejszej częstotliwości. W ten sposób uzyskalibyśmy sekcję, która ja oznaczyłbym raczej jako 4(8)+2 jednak efektywnie dalej dysponowalibyśmy ośmioma fazami. Niestety ze względu na chęć cięcia kosztów oraz brak potrzeby posiadania tak rozbudowanych i stabilnych sekcji przez większość użytkowników producenci często nie używają doublerów. Oznacza to, że jeden sygnał PWM steruje dwoma zestawami tranzystorów górnych i dolnych. Takie właśnie rozwiązanie najczęściej stosowane jest w tańszych płytach głównych, np. MSI B350 Krait czy ASRock B350 Pro4 (/Gaming K4), w których priorytetem jest raczej stabilność działania, niskie temperatury i większa obciążalność prądowa sekcji aniżeli ekstremalne możliwości OC CPU.

Prawdą jest, że nawet najmocniejsze konsumenckie procesory jak Intel i7 8700K czy AMD R7 1700 możemy podkręcać na najtańszych dostępnych płytach głównych Z370, X370 czy nawet B350 o ile zadbamy o odpowiedni nadmuch powietrza na radiatory sekcji zasilania. Wentylator 80 czy 92 mm skierowany bezpośrednio na nie w zupełności wystarczy by utrzymać temperatury tranzystorów a przede wszystkim kondensatorów w rozsądnych granicach. Czy jest to estetyczne rozwiązanie? Niekoniecznie, szczególnie przy chłodzeniu typu tower jednak jeśli ktoś korzysta z chłodzenia AIO myślę, że estetyczna implementacja takiego wentylatora nie stanowiłaby problemu, o ile oczywiście ktoś dba o schludny wygląd swojego kompuetera. Chłodzenie horyzontalne, jeśli odpowiednio ustawione, ze swojej natury powinno rozwiązać problem, być może jednak za cenę nieco wyższej temperatury procesora. Odpowiednio ustawiony wentylator 120 czy 140 mm na górze obudowy, wyciągający z niej gorące powietrze również powinien spowodować spadek temperatury VRM płyty głównej.

No dobra, a jak one działają, te fazy? Ponownie bardzo uproszczę zagadnienie (nie bijcie, proszę) aby praktycznie każdy, mając podstawową wiedzę na temat prądu, mógł je zrozumieć. Otóż jak wspomniałem wcześniej każda faza w typowych płytach głównych działa z częstotliwością od 250 do 400 kHz. To znaczy, że każdy MOSFET jest otwierany i zamykany z tak ogromną szybkością – zmiana stanu następuje co kilka mikrosekund. Dla ułatwienia naszych analiz przyjmijmy jednak, że dzieje się to co jedną milisekundę, tak jak zostało to przedstawione na wykresie powyżej, który przedstawia zależność napięcia na cewce od stanu tranzystora górnego oraz czasu. Stosuję tu duże uogólnienie gdyż dokładny sposób wysterowania tegoż tranzystora zależy w dużej mierze od napięcia panującego na cewce. To z kolei zależy od obciążenia, które ciągle zmienia się w czasie, na co musi reagować sam VRM. Wracając jednak do wykresu, widać na nim, że za każdym razem gdy tranzystor górny jest załączony, tj. na cewkę podawany jest prąd pochodzący z linii +12V zasilacza, napięcie panujące na cewce zwiększa się. Dzieje się tak, gdyż cewka generuje pole elektromagnetyczne. Im większe jest to napięcie, tym większe natężenie pola. W momencie zamknięcia tranzystora bardzo szybko otwiera się tranzystor dolny. Dzieje się tak po to, by obwód nigdy nie był otwarty. Gdyby tak się stało nasz procesor czy karta graficzna najprawdopodobniej umarłyby bolesną śmiercią, tak samo jak VRM je zasilający. Gdy dolny tranzystor jest w stanie wysokim następuje stosunkowo wolne (biorąc pod uwagę szybkość pracy układu) rozładowanie cewki. Jak wyglądałby wykres napięcia gdyby faz było osiem a nie jedna? Otóż wystarczy wtedy między każde dwa równoległe odcinki wykresu wyżej wrysować, w równych odstępach, kolejnych siedem, również równoległych do siebie linii. Utworzony w ten sposob wykres wyglądałby mniej więcej tak:

Niebieską linią zaznaczona została wypadkowa napięć z ośmiu faz zasilających. To jest napięcie efektywne. Jak widać jest ono znacznie równiejsze i stabilniejsze. Takie napięcie znacznie łatwiej jest również dalej wyrównać, jeszcze bardziej zbliżając się do „idealnego” prądu stałego. Tyle teorii bo niestety nie ma rzeczy perfekcyjnych. Ze względu na specyfikę pracy procesorów czy pamięci zużycie prądu nie jest stałe w czasie. Dodatkowo bardzo często sami powodujemy bardzo gwałtowne skoki poboru mocy układu. Tego niestety nie da się uniknąć w codziennym użytkowniu jednak ze względu na to pojawia się kolejny problem. Mianowicie każdemu skokowi obciążenia towarzyszy skok napięcia podawanego na procesor. Wynika to wprost z zasady działania elementów półprzewodnikowych a właściwie ich charakterystyki przewodzenia. Aby zminimalizować skutki takiego zjawiska wprowadzono coś, co zostało nazwane Load Line Calibration. Dzięki odpowiedniemu LLC kontroler sekcji zasilania tak wysterowuje VRMem, że następujący w czasie dużego obciążenia spadek napięcia przeciwdziała tym gwałtownym skokom woltażu. Nie oznacza to, że ich nie ma jednak są znacznie mniejsze. Przy overclockingu procesora można zmienić ustawienie LLC jednak należy to robić z głową. Należy też pamiętać, żeby do codziennego użytkowania za wszelką cenę unikać najbardziej ekstremalnych ustawień, są one stworzone raczej do bicia rekorów niż do daily use.

Wydaje mi się, że wspomniałem już o większości podstawowych informacji jednak wciąż znajdą się osoby, które nie wiedzą nawet czym jest tranzystor a co dopiero mówić tutaj o odczytywaniu nawet podstawowych informacji z ich datasheetów. Otóż tranzystor jest to element zbudowany z trzech warstw półprzewodników, których typy przewodnictwa różnią się między sobą (zależnie od sposobu domieszkowania). Wyróżniamy dwa typy tranzystorów bipolarnych: N-P-N oraz P-N-P. Każdy tranzystor posiada trzy wyprowadzenia: bazę (B), emiter (E) oraz kolektor (C), przy czym główny kierunek przepływu prądu jest między emiterem a kolektorem. Poniżej została przedstawiona uproszczona struktura złącza N-P-N oraz symbol odpowiedniego tranzystora (po lewej) oraz złącza P-N-P, również z odpowiadającym mu symbolem tranzystora (po prawej).

Są to jakby bardziej „tradycyjne” tranzystory, powstały one wcześniej. W technice cyfrowej częściej używa się tranzystorów polowych FET, najczęściej MOSFETów czyli Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor ze względu na większą szybkość przełączania oraz fakt, że w wypadku zniszczenia takiego tranzystora istnieje dużo większa szansa, że pozostanie on w stanie „rozwartym”, nie powodując uszkodzenia elementów znajdujących się w obwodzie już za nim, w naszym wypadku procesora czy też pamięci/rdzenia karty graficznej. MOSFETy również posiadają trzy podstawowe wyprowadzenia: źródło (S), dren (D) oraz bramkę (G). Dość często spotykane są również FETy z czwartym wyprowadzeniem – podłożem (B). Odmiennie od sterowanych prądowo tranzystorów bipolarnych, FETy sterowane są napięciem. Poniżej przedstawiony został uproszczony schemat budowy MOSFETu oraz jego symbol. Jedynką oznaczony jest obszar zubożony a dwójką kanał.

W tego typu tranzystorach gdy napięcie U_GS (między bramką a źródłem) jest równe zeru kanał ma ogromną rezystancję. Nie płynie wtedy prąd dren-źródło (I_D) i mówimy, że kanał jest zatkany. Gdy wartość napięcia przyłożonego do bramki jest odpowiednio duża kanał zaczyna otwierać się (obszar zubożony maleje) aż do osiągnięcia pewnej minimalnej rezystancji określanej jako R_DSon. Zazwyczaj parametr ten zawiera się w przedziale od 0.07 do 4 Ω. Kanał jest otwardy gdy prąd osiągnie maksymalną wartość dla danego napięcia U_DS. Aby łatwiej było to zrozumieć wystarczy sobie wyobrazić, że im bardziej odkręcimy zawór (im większe napięcie podane na bramkę), tym mniejszy opór (rezystancję) ma do pokonania woda (prąd) przepływająca między źródłem a drenem.

Aby odczytać podstawowe dane dot. tranzystora należy znaleźć jego dane techniczne, zebrane w formie jednego sporego datasheeta. Za przykład posłuży mi tutaj Power Stage IR3550. Te układy oraz ich następca, IR3555, stosowane są głównie high-endowych płytach głównych. Aby dowiedzieć się jakiego Power Stage’a albo jakie tranzystory zastosował producent płyty głównej posiadanej przez nas należy albo znaleźć stosowną informację w internecie albo zdjąć radiator z sekcji zasilania, o ile taki w ogóle jest. Później należy odnaleźć odpowiednie datasheety. Wróćmy jednak do naszego przykładu. Nas, jako konsumentów interesują głównie maksymalna obciążalność prądowa i sprawność energetyczna, resztą zajął się producent płyty głównej czy też karty graficznej. Przydatna będzie również wiedza nt. strat mocy czy znormalizowanych współczynników strat mocy w zależności od obciążenia, częstotliwości przełączania, napięcia wejściowego oraz wyjściowego. Przechodzimy więc na stronę szóstą. Tutaj w tabeli ELECTRICAL CHARACTERISTICS znajdują się parametry IR3550 Peak Efficiency, IR3550 Maximum DC Current oraz IR3550 Maximum Peak Current.

Dokładnie tego szukaliśmy! Widzimy tutaj, że producent podaje parametry przy pewnych założeniach. Sprawdźmy zatem co oznacza komentarz drugi. Przewijamy na stronę ósmą, tam pod tabelą znajdują się komentarze.
Pod dwójeczką widzimy, że napiecie wejściowe zakładane przez producenta to 12V. Napięcie wyjściowe jest rzędu 1.2V, częstotliwość przełączania wynosi 300kHz, cewka znajdująca się za Power Stage’em ma indukcyjność 210nH oraz rezystancję 0.2mΩ. VCC czyli napięcie zasilające układ ma wartość 6.8V, napięcie wejściowe jest filtrowane przez cztery kondensatory 47uF, na wyjściu zaś przez 3 kondensatory o pojemności 470uF. Producent założył tutaj brak radiatora oraz chłozenie naszego małego scalaka przez przepływ powietrza rzędu 400LFM, co przekładałoby się na około 35 CFM. Śmiało możemy założyć, że nasza płyta główna zamknięta w dobrze wentylowanej obudowie spełnia takie parametry, szczególnie że jak mówiłem układy IR3550 czy IR3555 są stosowane głównie na najlepszych i najdroższych płytach głównych, na których ciężko jest nie znaleźć choćby podstawowego radiatora. Co ważne producent nie uwzględnia tutaj strat mocy wynikających z kontrolera sekcji zasilania oraz cewek. Przechodzimy więc do „Figure 2” czyli tabelki numer 2.

Załóżmy więc, że nasz procesor działa pod napięciem 1.2V lub bardzo mu bliskim (pomijam tutaj V_drop wynikający z rezystancji między sekcją a samym CPU), a faz zasilających CPU jest 8. Pobór mocy naszego CPU pod pełnym obciążeniem to około 150W, co przy V = 1.2V przekładałoby się na potrzebę dostarczenia ~125A prądu. Teraz proste liczenie, bardzo ogólne i przybliżone. Prąd 125A podzielony przez 8 faz przekłada się na obciążenie pojedynczej fazy rzędu 15A. Prześledźmy więc wykres.

Dla wyliczonych przez nas, w rzeczywistości bardzo przybliżonych wartości, możemy odczytać, że straty mocy na układzie IR3550 przy pełnym obciążeniu procesora będą miały wartość niecałych dwóch W a sprawność niemal osiągnie wartość 94%. Całkiem nieźle. Jeśli ktoś chce pokusić się o bardziej szczegółową analizę i nie boi się sprawdzać napięć na swojej płycie może wykorzystać wykresy ze strony dziewiątej datasheeta aby wyliczyć sobie z większą precyzją straty mocy na Power Stage’u.

Analogicznie do przykładu postępujemy z każdym tranzystorem czy Power Stage’em znajdującym się na naszej płycie głównej. Należy jednak pamiętać, że tego typu obliczenia zawsze obarczone są błędem, choćby ze względu na to, że zazwyczaj jednocześnie ładowana jest tylko jedna cewka a pozostałe są w różnych fazach rozładowania. Poza tym często nie wiemy jaka jest indukcyjność cewki oraz pojemności kondensatorów. Z drugiej strony VRMy działają na tyle szybko, że metodę tą uważam za w zupełności wystarczającą.

Artykuł ponownie wyszedł bardzo długi, mam wrażenie, że niektóre zagadnienia wręcz za bardzo uprościłem i uogólniłem jednak chciałem by jak największa liczba osób mogła zrozumieć jak działa sekcja zasilania, dowiadując się przy okazji np. jak właściwie działa tranzystor, co z kolei może pomóc również w zrozumieniu działania zasilaczy impulsowych, czyli PSU w naszych komputerach.

Komentarze