O que é um VRM em uma placa-mãe e por que é importante?

Ao selecionar uma placa-mãe para uso por aficionados por PC, vários fatores devem ser levados em consideração, incluindo o tamanho da própria placa, conhecido como fator de forma; a compatibilidade da unidade central de processamento ou CPU com a placa-mãe; a capacidade de memória disponível e como está configurada; a gama de opções de conectividade oferecidas; e o potencial de aumentar a velocidade do clock do processador além de suas especificações padrão, conhecido como overclocking. No entanto, apesar de estar listado na folha de especificações, um aspecto importante da placa-mãe que é frequentemente desconsiderado é o módulo de regulação de tensão ou VRM, que serve para manter a estabilidade geral do sistema do computador por meio de sua capacidade de controlar e gerenciar os níveis de fornecimento de energia dentro o dispositivo.

Para compreender totalmente o significado deste módulo de regulação de tensão frequentemente negligenciado, devemos explorar sua operação dentro de um contexto VRM, incluindo um exame dos vários componentes envolvidos e uma comparação de projetos de alto desempenho versus projetos abaixo do padrão em termos de seus efeitos sobre Eficiência da CPU.

Como funciona um VRM?

Crédito da imagem: ROG Global/YouTube

O módulo regulador de tensão na placa-mãe, também conhecido como módulo de potência do processador, serve como um conversor buck altamente especializado (convertendo corrente contínua em corrente contínua), encarregado de regular e ajustar as tensões para atender às demandas exclusivas do processamento central unidade, memória de acesso aleatório e vários outros componentes periféricos. Em essência, os VRMs podem ser percebidos como pequenas fontes de energia, semelhantes à unidade primária, que transforma correntes alternadas de entrada de 120 ou 240 volts, provenientes de uma tomada elétrica, em uma tensão de corrente contínua significativamente reduzida (12 volts, 5 volts , ou 3,3 volts).

Em termos de função, os Módulos reguladores de tensão (VRM) da placa-mãe operam de maneira semelhante à fonte de alimentação (PSU), embora em um nível subsidiário. O principal objetivo desses VRMs é transformar os 12 V de entrada dos conectores de fonte de alimentação externa de 8/4 pinos em uma tensão operacional apropriada exigida pelas unidades de processamento central (CPUs) contemporâneas, que normalmente fica na faixa de 1,1 a 1,5 volts.

Além disso, os VRMs desempenham um papel essencial no fornecimento de tensão constante e uniforme para todos os componentes que consomem energia em um sistema de computador, minimizando assim a possibilidade de picos ou quedas imprevisíveis de tensão. As propriedades de conversão estáveis ​​desses circuitos regulatórios permitem que várias gerações de CPUs com tensões de núcleo ajustáveis ​​operem perfeitamente em um chipset de placa-mãe compatível.

Componentes de um VRM

Embora seja comumente percebido como uma entidade autônoma, o Módulo Regulador de Tensão (VRM) na realidade compreende vários elementos eletrônicos interconectados situados ao redor do soquete da Unidade Central de Processamento (CPU), que pode ser Land Grid Array (LGA) ou Pin Grid Array ( PGA) e os slots DIMM na placa-mãe. A função principal do VRM envolve a utilização de uma combinação de interruptores MOSFET em conjunto com capacitores, indutores e controladores de modulação por largura de pulso (PWM) para gerenciar com eficiência o fornecimento de energia e as transições de fase dentro do sistema.

Foi fornecido um exame completo dos elementos fundamentais que formam os Módulos Reguladores de Tensão (VRM) dentro de uma placa-mãe.

MOSFETs

Os MOSFETs funcionam como dispositivos de porta isolante que podem amplificar ou diminuir os sinais elétricos em um circuito de regulação de tensão por meio de sua capacidade de modular o fluxo de corrente para a unidade central de processamento (CPU). Esses semicondutores são controlados por sinais e valores obtidos do chip controlador de modulação por largura de pulso (PWM), permitindo assim o gerenciamento preciso da saída da fonte de alimentação.

Um VRM monofásico utiliza dois interruptores MOSFET, um para o lado baixo e outro para o lado alto, para regular a tensão média de saída de um circuito variando periodicamente a tensão de entrada por meio de alternância intermitente a uma taxa de centenas de ciclos por segundo. Esta ação de comutação gera quantidades significativas de calor devido à alta frequência de operação, o que pode resultar em temperaturas superiores a 150 graus Celsius durante condições de carga pesada ou quando medidas adequadas de resfriamento não são implementadas.

Para resolver problemas de superaquecimento e melhorar o desempenho geral, esses semicondutores frequentemente incorporam componentes passivos de dissipação de calor, dispositivos de resfriamento compactos, como ventiladores, ou até mesmo utilizam sistemas de resfriamento à base de líquido na forma de blocos de água.

Choques

Chokes são indutores em forma de cubo que convertem sinais de corrente alternada (CA) de alta frequência em frequências mais baixas ou correntes diretas dentro de um circuito regulador de tensão. Consistindo de um núcleo magnético toroidal envolto por uma bobina isolada, este componente eletromecânico executa duas funções-armazenamento e filtragem de energia, bem como a regulação da entrega de energia mesmo sob condições como overclocking ou overvolting.

Além disso, é importante reconhecer que cada bobina de estrangulamento corresponde a uma fase de energia específica dentro da placa-mãe. Um número aumentado de fases de energia resulta em estabilidade aprimorada de fornecimento de tensão para a unidade de processamento central.

Capacitores

Os capacitores são elementos elétricos que armazenam energia dentro de um campo elétrico, em vez de dissipá-la através da resistência, como fazem as bobinas de estrangulamento. Eles têm a capacidade de descarregar rapidamente a carga armazenada nos circuitos conectados quando necessário, servindo principalmente para mitigar mudanças bruscas de tensão conhecidas como picos de tensão e reduzir flutuações ou “ondulações” em um circuito de regulação de tensão.

No reino dos módulos de regulação de tensão da placa-mãe (VRMs) e seus componentes associados, os capacitores atuam como repositórios intermediários de energia, acumulando a corrente elétrica obtida das bobinas de choque e fornecendo a energia necessária para uma CPU. Caso exista alguma carga excedente dentro desses elementos, ela é absorvida ou liberada através do caminho de aterramento do circuito.

Controladores PWM

Controladores PWM ou circuitos integrados de driver produzem sinais modulados por largura de pulso que são direcionados para os elementos analógicos primários dentro de um estágio de regulação de tensão-MOSFETs e indutores. Além de supervisionar sua operação, esses controladores multifacetados podem modificar a distribuição de energia fornecida à unidade central de processamento em tempo real, permitindo que ela mantenha níveis ótimos de desempenho sob tarefas computacionais exigentes.

Em resumo, o controlador PWM obtém a tensão de referência de sua unidade central de processamento (comumente indicada como VRef no sistema básico de entrada/saída), que é então comparada com a tensão predominante que emana do módulo de regulação de tensão de sua placa-mãe. Se houver uma disparidade entre esses valores, o dispositivo realizará o processo de recalibração ajustando as características do sinal, resultando em uma modificação imediata da tensão de saída.

Os elementos de proteção dos módulos reguladores de tensão consistem em diodos e resistores que impedem que correntes elétricas excessivas ultrapassem limites predeterminados dentro do dispositivo.

VRMs multifase em uma placa-mãe

Unidades de processamento central modernas (CPUs) e unidades de processamento gráfico (GPUs) precisam de uma infra-estrutura de fonte de alimentação avançada que supere as limitações de um módulo regulador de tensão (VRM) básico monofásico. Para garantir um processo de transmissão de energia estável e com eficiência energética, é comum que os fabricantes de placas-mãe integrem vários conversores buck em série, resultando em uma configuração VRM multifacetada.

Uma configuração VRM de vários estágios emprega um arranjo de estágio de potência distribuído que distribui a carga em um domínio físico expandido. Ao adotar esta técnica avançada de gerenciamento de energia, a unidade de processamento central é fornecida com uma tensão de alimentação consistente e bem ajustada, ao mesmo tempo em que reduz a produção excessiva de calor e a tensão mecânica em elementos críticos.

Ao selecionar uma nova placa-mãe, é comum nos depararmos com o termo “phase power design” utilizado em seus materiais promocionais, que se refere à distribuição das fases elétricas para a placa de circuito impresso (PCB). Os fabricantes geralmente destacam esse recurso usando vários formatos, como “A+B” (indicando 8+2 fases) ou “X+Y+Z” (representando 16+2+2 fases). O primeiro valor antes do sinal de mais denota o número de fases alocadas para a unidade central de processamento (CPU), enquanto a combinação após o sinal de mais representa a alocação de fases para outros componentes cruciais como RAM, chipset e processador gráfico integrado (iGPU)..

Nos casos em que o número alocado de fases de uso da CPU ultrapassa oito, o que é indicado por rótulos como “18+” ou superior, os fabricantes de placas-mãe geralmente empregam um componente avançado conhecido como dobrador de módulo regulador de tensão (VRM). Essencialmente, este gadget inovador divide os sinais governantes para cada ciclo, ampliando assim a quantidade percebida de ciclos de uma perspectiva regulatória. No entanto, as vantagens práticas podem não estar alinhadas com o aumento exponencial nas fases reais.

Além disso, a incorporação de componentes duplicadores em uma configuração autêntica de mecanismo de regulação de tensão (VRM) de oito fases leva a melhorias substanciais no processo de sincronização de fase de energia, ao mesmo tempo em que reduz as despesas de produção em comparação com os métodos convencionais.

Como diferenciar entre uma configuração de VRM de alta qualidade e de baixa engenharia?

Ao avaliar as placas-mãe quanto ao desempenho do módulo de regulação de tensão (VRM), vários aspectos devem ser considerados. É importante observar que mesmo nos casos em que não se pretende fazer overclock de sua unidade central de processamento (CPU), uma configuração inferior do VRM pode prejudicar significativamente a estabilidade do mecanismo de alimentação, resultando em travamentos do sistema, telas azuis da morte (BSODs ) e outros problemas perceptíveis.

Para distinguir entre uma configuração excepcional de máquina de realidade virtual (VRM) e uma que fica significativamente atrasada, considere os seguintes fatores:

A avaliação do desempenho do módulo de regulação de tensão (VRM) pode ser facilitada pelo exame da presença física de indutores na placa-mãe. Com relação a um chipset básico como o AMD A620, espera-se que não mais do que quatro a seis fases de energia estejam presentes sob um dissipador de calor. Por outro lado, nos casos em que os processadores e componentes de ponta exigem gerenciamento de energia adicional, as placas-mãe intermediárias e premium geralmente incorporam um número maior de fases para acomodar essas demandas.

Módulos reguladores de tensão (VRMs) de alto desempenho empregam capacitores com construção de estado sólido, que são frequentemente chamados de"capacitores japoneses",“capacitores escuros"ou"Hi-Caps”. Esses capacitores apresentam durabilidade e resistência superiores a vazamentos quando comparados aos capacitores eletrolíticos tradicionais, garantindo assim maior confiabilidade ao longo do tempo.

Considere comprar uma placa-mãe com Super Ferrite Chokes (SFCs) ou Premium Alloy Chokes devido ao seu consumo de energia reduzido, resistência à corrosão e interferência eletromagnética minimizada.

Embora examinar uma placa-mãe antes de adquiri-la possa apresentar alguns desafios, é possível avaliar minuciosamente sua condição após o recebimento e, posteriormente, devolvê-la em caso de insatisfação com a qualidade.

Placa-mãe VRMs: o herói desconhecido da computação moderna

Em essência, a noção de um Módulo de Regulação de Tensão (VRM) é multifacetada, abrangendo uma série de terminologia especializada pertencente a MOSFETs, bobinas, capacitores, controladores PWM, entre outros. Esses conceitos podem não necessariamente ressoar com os usuários comuns de PC que estão mais acostumados com o vernáculo tecnológico mais simples. No entanto, o desempenho do sistema de computador de uma pessoa depende muito da robustez e eficiência de seu VRM, que facilita a distribuição de tensão contínua para a unidade central de processamento (CPU) e vários dispositivos periféricos integrais dentro do sistema.