Материнская плата: "VRM" устройство и принцип работы понижающего DC-DC преобразователя⁠⁠

Основная линия в блоках питания компьютеров — 12 вольт. Она снабжает энергией все ключевые компоненты ПК, в том числе процессоры и видеокарты. При этом, рабочее напряжение питания GPU или CPU в среднем составляет всего 1 вольт. Чтобы получить этот 1 вольт из 12, применяются понижающие DC-DC преобразователи (buck converter или step-down converter), основанные на принципах широтно-импульсной модуляции — ШИМ. Их еще называют регуляторами напряжения — VRM. Как это работает?

В чем суть ШИМ?

Возьмите обычный вентилятор. Если его включить, он будет дуть с одинаковой силой.

Что произойдет, если с равной периодичностью дергать рубильник — включать вентилятор всего на полсекунды, а на следующие полсекунды выключать?

Двигатель вентилятора не может мгновенно набрать максимальную скорость вращения, поэтому за такой небольшой промежуток времени он как следует не разгонится. Но и остановиться за то же время он не успеет, так как продолжит крутиться по инерции. Так что вентилятор продолжит дуть, но с гораздо меньшей мощностью. Попробуйте поэкспериментировать со своим домашним вентилятором. Так и работает простейший ШИМ-регулятор. Вместо человека с выключателем используется транзистор — MOSFET — он то открывается на некоторое время (ВКЛ), то закрывается (ВЫКЛ). Только делает это с частотой не два раза в секунду (2 Гц), а от нескольких тысяч и до миллионов раз в секунду (кГц, МГц). Вы так точно не сможете. Такой транзистор работает в ключевом режиме и, соответственно, называется «ключевым».

Но питать таким напряжением процессор по-прежнему нельзя, потому что на выходе выключателя (транзистора) оно будет той же амплитуды, что и на входе, т.е. те же 12 вольт, только в виде прерывистых импульсов.

Устройство buck converter, или понижающего DC-DC преобразователя

Чтобы получить необходимое нам постоянное напряжение, к ключевому мосфету VT1 добавим еще несколько элементов:

• катушка индуктивности — L;

• конденсатор — C;

• синхронный транзистор — VT2.

Транзистор VT1 часто называют верхним плечом, а VT2 — нижним.

Катушка и конденсатор образуют сглаживающий LC-фильтр, который и «расплющит» импульсы в желанную «прямую». Синхронный транзистор VT2 замыкает цепь и тем самым обеспечивает непрерывное течение тока, когда VT1 выключен.

Технически можно разделить цикл преобразования на две стадии: накачка энергии в катушку с конденсатором и стадию разряда.

Первая стадия — накачиваем энергию

Когда транзистор VT1, он же мосфет верхнего плеча, открыт, синхронный транзистор VT2 —  мосфет нижнего плеча — закрыт. В катушке L накапливается энергия, плавно нарастает ток. Заряжается выходной конденсатор C.

Вторая стадия — стадия разряда

В определенный момент времени, который наступает в зависимости о того, какое напряжение нам нужно на выходе (об этом ниже, в главе про расчеты), транзистор VT1 закрывается, открывается синхронный VT2. Он нужен, чтобы соединить вход катушки с отрицательным выводом нагрузки и создать замкнутую цепь. Пусть мы и разорвали на этот краткий миг связь с источником питания, но катушка никуда не делась. Она, благодаря накопленной энергии, поддерживает силу и направление тока, а конденсатор обеспечивает неизменный ток на нагрузке.

После завершения второй стадии, транзистор VT1 снова открывается, а VT2 закрывается, и цикл начинается заново. Причем для наибольшей эффективности циклы повторяются с высокой частотой — у современных компьютерных комплектующих 300-500 тысяч раз в секунду. Измеряется в килогерцах, кГц.

Еще раз отмечу, что транзисторы работают в ключевом режиме. Для упрощения, в схеме их можно представить в виде обычных выключателей, которые включаются и выключаются поочередно:

Никакой другой функции транзисторы в схеме не выполняют, а ток, протекающий через ключи примерно равен току нагрузки.

Как из импульсов 12 В получаются постоянные 1 В?

Благодаря непрерывно повторяющимся циклам, на выходе мосфета VT1 формируется высокочастотный прямоугольный однополярный сигнал амплитудой 12 В:

После транзистора VT1 установлен обычный Г-образный низкочастотный LC-фильтр, который способен выделить из этого сигнала постоянную составляющую путем ослабления первой и последующей гармоник спектра — набора синусоидальных сигналов кратной частоты, из которого состоит прямоугольный сигнал. Первая гармоника равна частоте прямоугольного сигнала, а последующие кратны ей.

Отношение амплитуд первой гармоники на входе и выходе фильтра называется «коэффициентом сглаживания», поэтому LC-фильтр также называется «сглаживающим». Последующие кратные гармоники идут с более высокой частотой и меньшей амплитудой, поэтому их при расчете не учитывают. Если фильтр эффективно справляется с первой, то с остальными проблем не будет. По итогу прямоугольные импульсы сглаживаются, образуют близкую к прямой линию постоянного усредненного напряжения. Высокие 12-вольтовые «горки» равномерно размазались в 1-вольтовую «прямую»:

То, что линия напряжения не совсем прямая — это нормально. В реальных условиях идеальных LC-фильтров не существует — гармоники никогда не подавляются полностью. Как раз то, что принято называть «пульсациями напряжения». Вот, как это выглядит на реальной осциллограмме:

Как настраивается преобразователь

Уровень напряжения на нагрузке зависит от длительности первой и второй стадий в рамках одного цикла. Чем дольше открыт транзистор VT1, тем шире прямоугольные импульсы нашего высокочастотного сигнала, а значит, тем выше будет по итогу усредненное напряжение после LC-фильтра.

Если мы поделим время первой стадии (t1) на длительность полного цикла (Тполн.), то получим безразмерную величину, которая называется коэффициентом заполнения (D).

Скважность или коэффициент заполнения?

Небольшая ремарка: именно «коэффициентом заполнения» обозначена длительность импульса относительно длительности цикла. Скважность (S) — обратная величина, т.е. отношение времени цикла к длительности импульса (Tполн / t1) — может быть от единицы до бесконечности. Эти две характеристики часто путают, но расчеты можно производить обоими способами. Я предпочитаю считать через D — коэффициент заполнения. Так, на мой взгляд, удобнее.

Величина D может быть от 0 до 1, а значит её можно перевести в проценты. Т.е. импульс занимает от 0 до 100 % времени от всего цикла.

D =  Tполн./t1

Чтобы узнать выходное напряжение (Uout), нужно коэффициент заполнения умножить на входное напряжение (Uin).

А чтобы узнать коэффициент заполнения, делим Uin на Uout. Получается простейшая формула:

D = Uin / Uout * 100 %

Пример: чтобы получить из 12 вольт типичное для центрального процессора напряжение в 1,2 вольта, коэффициент заполнения должен быть равен 10 %:

1,2 / 12 = 0,1 * 100 % = 10 %

Это значит, что первая стадия (накачки энергии) займет всего 10 % времени от общей длительности цикла, а оставшиеся 90 % времени уйдут на стадию разряда. Т.е. транзистор нижнего плеча VT2 в этом случае работает в 9 раз дольше, чем VT1.

Еще раз визуально:

О потерях на преобразователе

Любой проводник имеет ненулевое сопротивление и нагревается, когда через него проходит ток. Мосфет в ключевом режиме — тоже проводник, как обычный выключатель. И сопротивление (Rds) между его входом и выходом (сток-исток) не равно нулю. Значит, чем выше сопротивление, тем сложнее будет электронам пробиться через него, что приведет к падению напряжения на транзисторе и последующему увеличению тепловыделения. С ростом тока нагрузки проблема только усугубляется. Кроме того, наивысший КПД транзисторов достигается при относительно небольшой силе тока, что делает подбор компонентов еще более сложной задачей.

Решение тривиально: в мощных преобразователях, чтобы минимизировать потери, используется не один узел с парой транзисторов, одной катушкой и одним конденсатором, а несколько параллельно подключенных фаз, которые могут управляться единым контроллером.

Синхронный транзистор VT2 открыт многократно дольше чем VT1, поэтому VT2 часто дублируют и стараются подобрать продвинутую и дорогую модель с более низким Rds.

Почему «фазы»?

Параллельно подключенные преобразователи не просто так называют «фазами». Процесс переключения транзисторов в каждом узле происходит не одновременно, а с небольшим сдвигом по фазе.

На выходе после LC-фильтров все фазы объединяются в одну, а пульсации из-за сдвига по времени не складываются. Поэтому размах пульсаций становится значительно ниже, чем если бы они работали одновременно, а частота — выше.

Так что даже несколько десятков фаз в преобразователе на материнской плате неправильно называть «избытком». Ведь это не только меньшие потери, но и лучшее качество напряжения. Меньше пульсаций напряжения — меньше выбросов во внутренние узлы процессора — выше стабильность всей схемы, особенно при разгоне.

Те же принципы справедливы и для графического чипа видеокарты, процессора смартфона и любой другой «тонкой» электроники. Но в этом случае разработчики уже за нас рассчитали потребляемую мощность и количество необходимых узлов. А вот при выборе материнской платы пользователь должен сам определить, что ему нужно, учесть потребляемую мощность процессора. Тем более, если в планах серьезный разгон.