VRM trên bo mạch chủ là gì và tại sao nó lại quan trọng?

Khi chọn một bo mạch chủ để người hâm mộ PC sử dụng, nhiều yếu tố phải được tính đến, bao gồm cả kích thước của chính bo mạch, được gọi là yếu tố hình thức; khả năng tương thích của bộ xử lý trung tâm hoặc CPU với bo mạch chủ; dung lượng bộ nhớ khả dụng và cách nó được cấu hình; phạm vi tùy chọn kết nối được cung cấp; và khả năng tăng tốc độ xung nhịp của bộ xử lý ngoài các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của nó, được gọi là ép xung. Tuy nhiên, mặc dù được liệt kê trên bảng thông số kỹ thuật, nhưng một khía cạnh quan trọng của bo mạch chủ thường bị bỏ qua là mô-đun điều chỉnh điện áp hoặc VRM, phục vụ để duy trì sự ổn định tổng thể của hệ thống máy tính thông qua khả năng kiểm soát và quản lý các mức nguồn điện trong phạm vi. thiết bị.

Để hiểu đầy đủ tầm quan trọng của mô-đun điều chỉnh điện áp thường bị bỏ qua này, chúng ta phải khám phá hoạt động của nó trong bối cảnh VRM, bao gồm kiểm tra các thành phần khác nhau có liên quan và so sánh các thiết kế hiệu suất cao với thiết kế kém chất lượng xét về tác động của chúng đối với hiệu quả của CPU.

VRM hoạt động như thế nào?

Tín dụng hình ảnh: ROG Global/YouTube

Mô-đun ổn áp trên bo mạch chủ của một người, còn được gọi là mô-đun nguồn bộ xử lý, đóng vai trò là bộ chuyển đổi buck chuyên dụng cao (chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện một chiều), có nhiệm vụ điều chỉnh và điều chỉnh điện áp để phù hợp với các yêu cầu riêng của bộ xử lý trung tâm. đơn vị, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên và nhiều thành phần ngoại vi khác. Về bản chất, VRM có thể được coi là nguồn năng lượng nhỏ, tương tự như thiết bị chính, biến đổi dòng điện xoay chiều 120 hoặc 240 vôn đến, bắt nguồn từ ổ cắm điện, thành điện áp dòng điện một chiều giảm đáng kể (12 vôn, 5 vôn). , hoặc 3,3 vôn).

Xét về chức năng, Mô-đun Ổn áp (VRM) của bo mạch chủ hoạt động tương tự như bộ cấp nguồn (PSU), mặc dù ở cấp độ phụ. Mục tiêu chính của các VRM này là biến đổi điện áp đầu vào 12V từ Bộ kết nối nguồn điện bên ngoài 8/4 chân thành điện áp hoạt động phù hợp theo yêu cầu của các bộ xử lý trung tâm (CPU) hiện đại, thường nằm trong khoảng từ 1,1 đến 1,5 vôn.

Hơn nữa, VRM đóng một vai trò thiết yếu trong việc cung cấp nguồn điện áp ổn định và đồng đều cho tất cả các thành phần tiêu thụ điện năng trong hệ thống máy tính, do đó giảm thiểu khả năng điện áp tăng vọt hoặc sụt giảm không thể đoán trước. Đặc tính chuyển đổi ổn định của các mạch điều tiết này cho phép các thế hệ CPU khác nhau có điện áp lõi điều chỉnh được hoạt động liên tục trên chipset bo mạch chủ phù hợp.

Các thành phần của VRM

Mặc dù thường được coi là một thực thể tự trị, nhưng trên thực tế, Mô-đun ổn áp (VRM) bao gồm một số phần tử điện tử được kết nối với nhau nằm xung quanh ổ cắm Bộ xử lý trung tâm (CPU), có thể là Mảng lưới đất (LGA) hoặc Mảng lưới pin ( PGA) và các khe cắm DIMM trên bo mạch chủ. Chức năng chính của VRM liên quan đến việc sử dụng kết hợp các công tắc MOSFET kết hợp với tụ điện, cuộn cảm và bộ điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) để quản lý hiệu quả việc cung cấp điện và chuyển pha trong hệ thống.

Việc kiểm tra kỹ lưỡng các thành phần cơ bản hình thành Mô-đun Ổn áp (VRM) trong bo mạch chủ đã được cung cấp.

MOSFET

MOSFET hoạt động như các thiết bị cổng cách điện có thể khuếch đại hoặc làm giảm tín hiệu điện trong mạch điều chỉnh điện áp thông qua khả năng điều chỉnh dòng điện tới bộ xử lý trung tâm (CPU). Các chất bán dẫn này được điều khiển bởi các tín hiệu và giá trị thu được từ chip điều khiển điều biến độ rộng xung (PWM), do đó cho phép quản lý chính xác đầu ra nguồn điện.

VRM một pha sử dụng hai công tắc MOSFET, một cho phía thấp và một cho phía cao, để điều chỉnh điện áp đầu ra trung bình của mạch bằng cách thay đổi định kỳ điện áp đầu vào thông qua việc bật/tắt ngắt quãng với tốc độ hàng trăm chu kỳ mỗi giây. Hành động chuyển đổi này tạo ra một lượng nhiệt đáng kể do tần suất hoạt động cao, có thể dẫn đến nhiệt độ vượt quá 150 độ C trong điều kiện tải nặng hoặc khi không thực hiện các biện pháp làm mát thích hợp.

Để giải quyết vấn đề quá nhiệt và nâng cao hiệu suất tổng thể, các chất bán dẫn này thường kết hợp các bộ phận tản nhiệt thụ động, thiết bị làm mát nhỏ gọn như quạt hoặc thậm chí sử dụng hệ thống làm mát dựa trên chất lỏng ở dạng khối nước.

Cuộn cảm

Cuộn cảm là cuộn cảm hình lập phương giúp chuyển đổi tín hiệu dòng điện xoay chiều (AC) tần số cao thành tần số thấp hơn hoặc dòng điện một chiều trong mạch điều chỉnh điện áp. Bao gồm một lõi từ tính hình xuyến được bao bọc bởi một cuộn dây cách điện, thành phần cơ điện này thực hiện hai chức năng-lưu trữ và lọc điện, cũng như điều chỉnh việc cung cấp điện ngay cả trong các điều kiện như ép xung hoặc quá điện áp.

Ngoài ra, điều quan trọng là phải nhận ra rằng mọi cuộn cảm đều tương ứng với một pha nguồn cụ thể trong bo mạch chủ. Số pha nguồn tăng lên giúp cải thiện độ ổn định của việc cung cấp điện áp cho bộ xử lý trung tâm.

tụ điện

Tụ điện là các phần tử điện lưu trữ năng lượng trong một điện trường, trái ngược với việc tiêu tán nó qua điện trở như cuộn cảm. Chúng có khả năng xả nhanh điện tích tích trữ vào các mạch được kết nối khi cần, chủ yếu nhằm giảm thiểu những thay đổi đột ngột về điện áp được gọi là xung điện áp và giảm dao động hoặc “gợn sóng” trong mạch điều chỉnh điện áp.

Trong lĩnh vực mô-đun điều chỉnh điện áp bo mạch chủ (VRM) và các thành phần liên quan của chúng, tụ điện đóng vai trò là kho năng lượng tạm thời, tích lũy dòng điện thu được từ cuộn cảm và cung cấp năng lượng cần thiết cho CPU. Nếu có bất kỳ điện tích dư nào tồn tại bên trong các phần tử này, thì nó sẽ được hấp thụ hoặc giải phóng qua đường tiếp đất của mạch.

Bộ điều khiển PWM

Bộ điều khiển PWM hoặc mạch tích hợp trình điều khiển tạo ra tín hiệu điều chế độ rộng xung hướng tới các phần tử tương tự chính trong giai đoạn điều chỉnh điện áp-MOSFET và cuộn cảm. Ngoài việc giám sát hoạt động của chúng, các bộ điều khiển nhiều mặt này có thể sửa đổi sự phân bổ nguồn cung cấp cho bộ xử lý trung tâm trong thời gian thực, cho phép nó duy trì mức hiệu suất tối ưu trong các tác vụ tính toán đòi hỏi khắt khe.

Tóm lại, bộ điều khiển PWM thu được điện áp tham chiếu của bộ xử lý trung tâm của bạn (thường được ký hiệu là VRef trong hệ thống đầu vào/đầu ra cơ bản), sau đó được so sánh với điện áp phổ biến phát ra từ mô-đun điều chỉnh điện áp của bo mạch chủ của bạn. Nếu có sự chênh lệch giữa các giá trị này, thiết bị sẽ thực hiện quá trình hiệu chuẩn lại bằng cách điều chỉnh các đặc tính tín hiệu, dẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra ngay lập tức.

Các phần tử bảo vệ của mô-đun điều chỉnh điện áp bao gồm đi-ốt và điện trở ngăn dòng điện dư vượt quá giới hạn định trước trong thiết bị.

VRM đa pha trên bo mạch chủ

Các bộ xử lý trung tâm (CPU) và bộ xử lý đồ họa (GPU) hiện đại đòi hỏi phải có cơ sở hạ tầng cung cấp điện tiên tiến vượt qua các giới hạn của mô-đun ổn áp một pha (VRM) cơ bản. Để đảm bảo quá trình truyền tải điện ổn định và tiết kiệm năng lượng, các nhà sản xuất bo mạch chủ thường tích hợp nhiều bộ chuyển đổi buck nối tiếp, dẫn đến cấu hình VRM đa diện.

Cấu hình VRM nhiều tầng sử dụng cách sắp xếp tầng công suất phân tán để phân bổ tải trên một miền vật lý mở rộng. Bằng cách áp dụng kỹ thuật quản lý năng lượng tiên tiến này, bộ xử lý trung tâm được trang bị điện áp cung cấp nhất quán và được tinh chỉnh đồng thời giảm thiểu quá trình sinh nhiệt quá mức và sức căng cơ học đối với các bộ phận quan trọng.

Khi chọn một bo mạch chủ mới, người ta thường bắt gặp thuật ngữ “thiết kế nguồn theo pha” được sử dụng trong các tài liệu quảng cáo của hãng, thuật ngữ này đề cập đến việc phân phối các pha điện cho bảng mạch in (PCB). Các nhà sản xuất thường làm nổi bật tính năng này bằng nhiều định dạng khác nhau, chẳng hạn như “A+B” (biểu thị 8+2 pha) hoặc “X+Y+Z” (biểu thị 16+2+2 pha). Giá trị đầu tiên trước dấu cộng biểu thị số pha được phân bổ cho bộ xử lý trung tâm (CPU), trong khi kết hợp sau dấu cộng biểu thị phân bổ pha cho các thành phần quan trọng khác như RAM, chipset và bộ xử lý đồ họa tích hợp (iGPU).

Trong trường hợp số giai đoạn sử dụng CPU được phân bổ vượt quá tám giai đoạn, được biểu thị bằng các nhãn như “18+” trở lên, các nhà chế tạo bo mạch chủ thường sử dụng một thành phần nâng cao được gọi là bộ nhân đôi mô-đun ổn áp (VRM). Về cơ bản, tiện ích sáng tạo này phân chia các tín hiệu điều chỉnh cho từng chu kỳ, do đó khuếch đại số lượng chu kỳ nhận biết được từ góc độ điều tiết. Tuy nhiên, những lợi thế thực tế có thể không phù hợp với sự gia tăng theo cấp số nhân trong các giai đoạn thực tế.

Ngoài ra, việc kết hợp các bộ phận nhân đôi trong cấu hình cơ chế điều chỉnh điện áp tám pha (VRM) xác thực dẫn đến những cải tiến đáng kể trong quy trình đồng bộ hóa pha nguồn đồng thời giảm chi phí sản xuất so với các phương pháp thông thường.

Làm cách nào để phân biệt giữa cấu hình VRM chất lượng cao và thiết kế kém?

Khi đánh giá hiệu suất của mô-đun điều chỉnh điện áp (VRM) của bo mạch chủ, các khía cạnh khác nhau phải được xem xét. Điều quan trọng cần lưu ý là ngay cả trong trường hợp một người không có ý định ép xung bộ xử lý trung tâm (CPU), cấu hình VRM kém hơn có thể làm giảm đáng kể tính ổn định của cơ chế cung cấp điện, dẫn đến sự cố hệ thống, màn hình xanh chết chóc (BSODs) ), và các vấn đề đáng chú ý khác.

Để phân biệt giữa cấu hình máy thực tế ảo (VRM) đặc biệt và cấu hình tụt hậu đáng kể, hãy xem xét các yếu tố sau:

Có thể hỗ trợ việc đánh giá hiệu suất của mô-đun điều chỉnh điện áp (VRM) bằng cách kiểm tra sự hiện diện vật lý của cuộn cảm trên bo mạch chủ của một người. Đối với chipset cấp thấp như AMD A620, dự kiến ​​sẽ có không quá bốn đến sáu phase điện bên dưới tản nhiệt. Ngược lại, trong trường hợp các bộ xử lý và linh kiện cao cấp hơn yêu cầu quản lý điện năng bổ sung, các bo mạch chủ trung cấp và cao cấp thường kết hợp nhiều pha hơn để đáp ứng các yêu cầu này.

Mô-đun ổn áp hiệu suất cao (VRM) sử dụng tụ điện có kết cấu thể rắn, thường được gọi là “Tụ điện Nhật Bản”, “Tụ điện tối màu” hoặc “Mũ điện cao cấp”. Các tụ điện này thể hiện độ bền và khả năng chống rò rỉ vượt trội so với các tụ điện điện phân truyền thống, do đó đảm bảo độ tin cậy được nâng cao theo thời gian.

Hãy cân nhắc mua một bo mạch chủ có Cuộn cảm siêu Ferrite (SFC) hoặc Cuộn cảm hợp kim cao cấp do chúng giúp giảm mức tiêu thụ điện năng, chống ăn mòn và giảm thiểu nhiễu điện từ.

Mặc dù việc kiểm tra bo mạch chủ trước khi mua có thể gặp một số khó khăn nhất định, nhưng người ta có cơ hội đánh giá kỹ lưỡng tình trạng của bo mạch chủ khi nhận và sau đó trả lại nếu không hài lòng với chất lượng.

Bo mạch chủ VRM: Người hùng thầm lặng của điện toán hiện đại

Về bản chất, khái niệm về Mô-đun điều chỉnh điện áp (VRM) có nhiều khía cạnh, bao gồm một loạt các thuật ngữ chuyên ngành liên quan đến MOSFET, cuộn cảm, tụ điện, bộ điều khiển PWM, v.v. Những khái niệm này có thể không nhất thiết phải phù hợp với người dùng PC hàng ngày, những người đã quen với ngôn ngữ công nghệ đơn giản hơn. Tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống máy tính của một người phụ thuộc rất nhiều vào độ bền và hiệu quả của VRM, giúp tạo điều kiện phân phối điện áp liền mạch tới bộ xử lý trung tâm (CPU) và các thiết bị ngoại vi tích hợp khác nhau trong hệ thống.