VRM (Voltage Regulation Module) и VRD (Voltage Regulator Down).

VRM (Voltage Regulation Module) и VRD (Voltage Regulator Down).

  Питание всех компонентов материнских плат (процессора, чипсета, модулей памяти и т.д.) осуществляется от системного блока питания, который подключается к специальному разъему на материнской плате (на любой современной материнской плате имеется 24-контактный ATX-разъем питания, а также дополнительный 4-контактный в ATX12V или 8-контактный в EPS12V разъем питания). Все блоки питания выдают постоянное напряжение ±12, ±5 и +3,3 В, но различные микросхемы системных плат используют напряжения и иных номиналов (разные микросхемы требуют различного напряжения питания). Потому возникает необходимость преобразования и стабилизации постоянного напряжения, получаемого от системного блока питания, в постоянное напряжение, требуемое для питания конкретной микросхемы. Для этого на системных  платах используются соответствующие конверторы (преобразователи) напряжения, которые понижают номинальное напряжение источника питания до необходимого значения.

Во всех современных материнских платах используются импульсные преобразователи постоянного напряжения. Понижающий импульсный преобразователь постоянного напряжения для питания процессора часто называют модулем VRM (Voltage Regulation Module - модуль регулирования напряжения) или VRD (Voltage Regulator Down - модуль понижения напряжения). Разница терминов VRM и VRD заключается в том, что модуль VRD расположен непосредственно на материнской плате, а VRM представляет собой внешний модуль, устанавливаемый в специальный слот на материнской плате. В настоящее время внешние VRM-модули практически не встречаются и все производители применяют VRD-модули, но само название VRM так прижилось, что стало общеупотребительным и теперь его используют даже для обозначения VRD-модулей (импульсные регуляторы напряжения питания, применяемые для чипсета, памяти и других микросхем материнских плат, обычно не имеют своего специфического названия, однако по принципу действия они ничем не отличаются от VRD. Разница заключается лишь в количестве фаз питания и выходном напряжении). Преобразователь напряжения характеризуется входным и выходным напряжением питания. Выходное напряжение питания определяется конкретной микросхемой, для которой используется регулятор напряжения, но входное напряжение может быть или 5, или 12 В (сейчас производители материнских плат стали все чаще использовать входное напряжение 12 В).

Импульсный понижающий преобразователь напряжения питания содержит: ШИМ-контроллер (PWM-контроллер); электронный ключ, который управляется ШИМ-контроллером и периодически подключает и отключает нагрузку к линии входного напряжения; индуктивно-емкостной LC-фильтр для сглаживания пульсаций выходного напряжения (ШИМ - широтно-импульсная модуляция, PWM - это Pulse Wide Modulation).

PWM-контроллер создает последовательность управляющих импульсов напряжения, представляющих собой последовательность прямоугольных импульсов напряжения (см. рис. 1), которые характеризуются амплитудой, частотой и скважностью (скважностью называют отношение промежутка времени, в течение которого сигнал имеет высокий уровень, к периоду сигнала).

 Рис. 1. ШИМ- сигнал  

Сигнал, формируемый ШИМ-контроллером, используется для управления электронным ключом (рис. 2, б), который периодически, с частотой ШИМ-сигнала, подключает и отключает нагрузку к линии питания 12 В (амплитуда ШИМ-сигнала должна быть такой, чтобы с его помощью можно было управлять электронным ключом).

В качестве электронного ключа импульсных преобразователей напряжения питания компонентов материнских плат обычно используется пара полевых n-канальных МОП-транзисторов (MOSFET-транзисторы). Ключи соединены следующим образом: сток одного транзистора подключен к линии питания 12 В, а исток этого транзистора соединен с точкой выхода и стоком другого транзистора, а исток второго транзистора заземлен. Транзисторы этого электронного ключа (силового ключа) работают таким образом, что один из транзисторов всегда находится в открытом состоянии, а другой - в закрытом.

Соответственно на выходе электронного ключа наблюдается последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой 12 В и частотой следования, равной частоте ШИМ-импульсов. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности (при представлении в виде ряда) будет иметь постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов (иначе говоря, прямо пропорциональную их длительности). Пропустив полученные импульсы через фильтр низких частот (ФНЧ) с частотой среза, значительно меньшей, чем частота следования импульсов, эту постоянную составляющую можно легко выделить, получив стабильное постоянное напряжение (поэтому импульсные преобразователи напряжения содержат также низкочастотный фильтр, сглаживающий последовательность прямоугольных импульсов напряжения). Структурная блок-схема такого импульсного понижающего преобразователя напряжения показана на рис. 2, а.

Для управления переключениями MOSFET-транзисторов управляющие сигналы подаются на затворы этих транзисторов. Управляющий сигнал PWM-контроллера (рис. 2, а) используется для того, чтобы переключать MOSFET-транзисторы, однако этот сигнал подается не непосредственно на затворы транзисторов, а через специальную микросхему, называемую драйвером MOSFET-транзисторов или драйвером фазы питания (рис. 2, б). Данный драйвер управляет переключением MOSFET-транзисторов на частоте, задаваемой PWM-контроллером, подавая требуемые напряжения переключения на затворы транзисторов.

Когда транзистор, подключенный к линии питания 12 В, открыт, второй транзистор, соединенный через свой сток с истоком первого транзистора, закрыт. В этом случае линия питания 12 В оказывается подключенной к нагрузке через сглаживающий фильтр. Когда транзистор, подключенный к линии питания 12 В, закрыт, второй транзистор открыт и линия питания 12 В оказывается отключенной от нагрузки, но нагрузка в этот момент соединена через сглаживающий фильтр с землей.

            Когда силовой ключ (рис. 2, б) открыт (т. е. транзистор Т1 открыт, транзистор Т2 закрыт), энергия от входного источника передается в нагрузку через индуктивность, в которой при этом накапливается энергия. Ток, протекающий по цепи, изменяется не мгновенно, а постепенно, поскольку возникающая в индуктивности ЭДС самоиндукции препятствует изменению тока. Одновременно с этим заряжается и конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Когда силовой ключ закрывается (транзистор Т1- закрыт, транзистор Т2 - открыт), ток от линии входного напряжения не поступает в индуктивность (но по законам физики возникающая ЭДС самоиндукции поддерживает прежнее направление тока). То есть в этот период ток в нагрузку поступает от индуктивного элемента. Для того чтобы цепь замкнулась и ток пошел на сглаживающий конденсатор и в нагрузку, открывается транзистор T2, обеспечивая замкнутую цепь и протекание тока по пути: индуктивность – емкость, и нагрузка - транзистор T2 - индуктивность.

Рис. 2. Блок-схема однофазного импульсного понижающего  преобразователя напряжения

             После такого сглаживающего фильтра, можно получить напряжение на нагрузке (рис. 3), пропорциональное скважности управляющих ШИМ-импульсов (но естественно, что при таком способе сглаживания выходное напряжение будет иметь пульсации напряжения питания относительно некоторого среднего значения, а величина пульсаций напряжения на выходе зависит от частоты переключения транзисторов, значения емкости и индуктивности).

Рис. 3. Пульсации напряжения после сглаживания LC-фильтром

 Выходное напряжение (при заданной нагрузке, частоте, индуктивности и емкости) зависит  от скважности PWM-импульсов. Так как ток через нагрузку изменяется динамически, то возникает проблема стабилизации выходного напряжения. ШИМ-контроллер, формирующий сигналы переключения транзисторов, связан с нагрузкой цепью обратной связи и постоянно отслеживает выходное напряжение на нагрузке. Внутри ШИМ-контроллера генерируется референсное ("опорное") напряжение питания, которое должно быть на нагрузке. ШИМ-контроллер постоянно сравнивает выходное напряжение с референсным, и если возникает рассогласование напряжений, то данный сигнал рассогласования используется для корректировки скважности PWM-импульсов, (то есть изменяется скважность управляющих ключами импульсов - таким образом и реализуется стабилизация выходного напряжения).

О требуемом номинальном напряжении питания PWM-контроллер узнает по сигналам VID (Voltage Identifier). Для современных процессоров типа Intel Core i7, поддерживающих спецификацию питания VR 11.1, сигнал VID является 8-битным двоичным кодом (комбинации 0 и 1), что позволяет задать 256 различных уровней напряжения процессора, а для процессоров, совместимых со спецификацией VR 10.0, сигнал VID был 6-битным.

Системные платы GIGABYTE на базе чипсетов Intel Z77 серии уже были спроектированы в полном соответствии с требованиями спецификации Intel VRD 12 (Voltage Regulator Down). Ключевой компонент нового VRD-модуля – сертифицированный контроллер компании Intersil. Идентификация и обмен информацией между ЦП и контроллером осуществляется средствами последовательного (табл. 1) интерфейса SerialVID (Serial Voltage Identification).

Таблица 1. Serial VID Interface (SVID) Signals

Это позволяет повысить эффективность процедур управления сигналами и снизить, в конечном счете, энергопотребление.  В соответствии со спецификацией управление напряжением стало цифровым, а не аналоговым. Цифровой преобразователь позволяет в зависимости от нагрузки на узел питания изменять частоту преобразования, что позволяет повысить стабильность и уменьшить электромагнитные излучения системной платы.

Последовательность импульсов от аппаратного PWM-контроллера передается на компоненты VRM-модуля без необходимости их преобразования из аналоговой формы в цифровую и обратно в аналоговую, что позволяет сформировать быстрый отклик системы и оперативно варьировать мощность в условиях различной загрузки ЦП. Полный контроль напряжения ядра ЦП. Отсутствуют ошибки дискретизации сигнала. Последовательность импульсов от аппаратного PWM-контроллера преобразуется незамедлительно в режиме реального времени, минуя процедуру дискретизации сигналов в цифровую форму. Это позволяет избежать риска появления ошибок на этапе дискретизации в особенности в те моменты, когда амплитуда сигнала изменяется очень быстро.