Zo werkt de stroomvoorziening op een moederbord

18 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. Van 230 naar (vooral) 12 volt
  3. 3. Opbouw CPU-stroomvoorziening
  4. 4. De basis: pwm-controller
  5. 5. Eén controller, veel fasen? Geen probleem!
  6. 6. Drivers, mosfets en spoelen
  7. 7. Meer ‘fasen’ niet per se beter
  8. 8. VRM-koeling
  9. 9. Meten is weten
  10. 10. Reacties

Inleiding

Een van de meest primaire taken van een moederbord is het huisvesten van de processor. Om de processor correct te laten werken, moet het moederbord voorzien in een stabiele stroomtoevoer. De laatste tijd is er steeds meer aandacht voor het deel van een moederbord dat hiervoor zorgt: de voltage regulator modules, vaak afgekort tot vrm’s. Hoe die exact in elkaar steken, zetten we in dit artikel uiteen.

Lange tijd was de stroomvoorziening ongeveer even onopgemerkt als de printplaat van het moederbord zelf: soms zat er een hippe heatsink op, maar afgezien daarvan was het een noodzakelijk, maar saai onderdeel. De laatste jaren is daarin verandering gekomen. Processors met veel cores zoals we de afgelopen paar jaar steeds meer zien, vereisen meer van de stroomvoorziening op het moederbord, wat een aanleiding is voor nieuwe aandacht voor dit onderdeel.

Daarnaast is het een feit dat moederbordfabrikanten zelf steeds minder mogelijkheden lijken te hebben om functionaliteit toe te voegen – steeds meer is geïntegreerd in de chipset en ook de keuze van dat onderdeel zelf is inmiddels niet meer in handen van de moederbordmaker. Die moet echt teruggrijpen naar de basis om zich te onderscheiden, en de vrm’s zijn daar een onderdeel van.

Reden voor merken als Asus, ASRock, MSI en Gigabyte om op de eigen websites diep in te gaan op hoe geweldig de eigen oplossingen voor de stroomvoorziening zijn – maar hoeveel daarvan is steekhoudend? Waarvoor dienen al die mosfets, chokes en controllers eigenlijk? Hoog tijd voor wat duiding!


Op de productpagina’s van moederbordfabrikanten vliegt de vrm-marketing je om de oren.

Van 230 naar (vooral) 12 volt

Om te begrijpen wat de vrm’s op een moederbord nou eigenlijk doen, moeten we eerst even terug naar de herkomst van de stroom in je pc. Elke computer bevat een voeding, die de stroom die uit het stopcontact komt (in Europa 230V wisselspanning) omzet in de drie rails die deel uitmaken van de atx-specificatie: 12 volt, 5 volt en 3,3 volt. De componenten die de meeste stroom verbruiken, namelijk je processor en videokaart, werken voornamelijk op de hoogste spanning. De 5V- en 3,3V-rails worden voor het belangrijkste deel gebruikt door minder veeleisende onderdelen, zoals ssd’s en (2,5-inch) harde schijven, maar bijvoorbeeld ook usb-apparaten.

Corsair AX850 850W
De voeding converteert de netspanning naar de voltages die binnen een pc worden gebruikt.

Het moederbord ontvangt alle verschillende spanningen via de 24-pins atx-connector en krijgt daarnaast extra stroom op 12 volt via de eps-kabel, de vier- of achtpinskabel die doorgaans links bovenin wordt geplaatst. Die stroom rechtstreeks de processor insturen is geen goed idee: dat zou tot een explosieve situatie leiden. Alle moderne processors werken op een spanning rond de 1 volt, terwijl voor overklokken met reguliere lucht- of waterkoeling doorgaans een maximum van 1,5 volt wordt aangehouden. De spanning wordt verlaagd om zuiniger te werken als je processor weinig te doen heeft, als je tenminste de stroombesparende maatregelen in de bios hebt geactiveerd.

In feite is de functie van de vrm’s dus het omzetten van de aangeleverde spanning (12 volt) naar de spanning die de processor op dat moment nodig heeft om optimaal te werken. De vrm’s die je op vrijwel elk moederbord tegenkomt bestaan uit meerdere fasen, waartussen de aansturende chip (de pwm-controller) de belasting kan verdelen.

Opbouw CPU-stroomvoorziening

De doorsnee stroomvoorziening bestaat uit zo’n pwm-controller en meerdere fasen. Een fase bestaat op zijn beurt uit diverse componenten. Traditioneel loopt de stroom via een driver naar de high-side mosfet en tot slot naar de spoel (choke). Als dit echter continu het geval zou zijn, zou er 12 volt de cpu in worden gestuurd. Daarom wordt er geschakeld middels pwm (pulse width modulation), waarbij de high-side mosfet dichtgaat en de low-side mosfet opent. Vervolgens wordt de stroom getransporteerd naar de daarvoor bestemde pinnen in de processorsocket.

Zeker op high-end moederborden is het anno 2019 gebruikelijk om kant-en-klare powerstages toe te passen, die zowel de driver als beide typen mosfets combineren in één chip. Of ze nou als losse componenten zijn aangebracht of samen in een powerstage zitten: deze componenten zal je als normale consument vermoedelijk nooit zien, want ze zitten onder de koelblokken verstopt. Ze worden namelijk behoorlijk warm. Dat is niet gevaarlijk: vrm-componenten zijn doorgaans ontworpen voor een maximale temperatuur van 120 of 150 graden. Voor de levensduur is het echter wel bevorderlijk om te zorgen dat ze niet te heet worden, hetgeen het fenomeen koelblokken op vrm’s verklaart.


De stroomvoorziening van een modern moederbord, met een Infineon pwm-controller en mosfets in de vorm van powerstages.

De spoelen zijn wel zichtbaar: dit zijn de ‘blokjes’ die je doorgaans in een L-vorm om de processor aantreft. Ze zuiveren de stroom die aan de processors wordt aangeleverd van bepaalde frequenties, om een stabiele toevoer te garanderen. Daarnaast bouwt zich in de spoel een magnetisch veld op, dat wordt gebruikt om de condensator nog iets verder op te laden als de high-side mosfet sluit.

De basis: pwm-controller

De alles overziende chip van elke stroomvoorziening is de pwm-controller. Op vrijwel elk moederbord zitten er meerdere, maar doorgaans wordt hiermee gedoeld op de primaire controller die in elk geval de Vcore aanstuurt, de stroomrail waar de cores van de processor gebruik van maken. Deze rail wordt veruit het zwaarst van allemaal belast en zal dan ook altijd het grootste aantal fasen tot zijn beschikking hebben.

Doorgaans stuurt de pwm-controller echter ook nog een andere rail aan. Bij AMD betreft dat de Vsoc, waarbij soc verwijst naar system-on-chip. Alle functionaliteit die van oudsher geen direct onderdeel is van de processor, maar wel in dezelfde chip is verwerkt, maakt gebruik van deze rail. Denk bijvoorbeeld aan de geïntegreerde videochip van apu’s, maar ook de controllers voor het geheugen, pci-express en overige connectiviteit. Ook bij Intel zijn er losse voltages voor bijvoorbeeld de igpu, i/o en de geheugencontroller. De Haswell-generatie processors maakte gebruik van een fully integrated voltage regulator (FIVR), waarbij de vrm’s op het moederbord slechts één spanning aan de processor hoeven te leveren. Bij nieuwere generaties is de fabrikant daar echter weer vanaf gestapt.

De wijze waarop een pwm-controller de fasen aanstuurt wordt doorgaans genoteerd als ‘x+x’, waarbij het eerste getal staat voor de Vcore-fasen en het tweede voor de fasen voor de secundaire rail. Afhankelijk van het platform zijn er op het moederbord nog meer rails aanwezig, bijvoorbeeld Vddr voor de stroomvoorziening van het geheugen. Daarvoor zijn meestal mini-vrm’s bestaande uit één of hooguit twee fasen aangebracht, die niet van koeling worden voorzien – zo veel stroom gaat er immers niet door dergelijke rails.

De fabrikanten die de meeste pwm-controllers leveren zijn Infineon en dochtermerken International Rectifier, Intersil en Richtek. In het high-end segment speelt vooral de eerstgenoemde producent een rol, maar alle merken hebben diverse chips in hun assortiment met uiteenlopende configuratiemogelijkheden en fase-aantallen.


Een IR35201 PWM-controller op een moederbord

Eén controller, veel fasen? Geen probleem!

Het komt vaak voor dat er een controller wordt gebruikt die minder fasen kan aansturen dan er aanwezig zijn, al is het maar omdat er tot begin dit jaar simpelweg geen controllers voor consumentenplatforms beschikbaar waren die meer dan acht fasen konden aansturen. Om de belasting toch over meer fasen te kunnen verdelen, heeft een moederbordfabrikant meerdere opties.

De simpelste aanpak is het aansluiten van meerdere sets componenten op één kanaal van de pwm-controller. Ga maar na: als je twee sets van driver, mosfet en choke aansluit op één fase, wordt de belasting min of meer verdeeld over de twee sets. Deze methodiek wordt met een mooi woord ‘teaming’ genoemd, al zijn de losse onderdelen zich er niet van bewust dat ze een team vormen. In theorie heeft het aansturen van meerdere sets componenten een nadelig effect op de ripple van de stroomtoevoer naar de processor. Bovendien heeft de pwm-controller slechts beperkte mogelijkheden om met slimme trucjes de belasting zo optimaal mogelijk te spreiden: die controller heeft immers geen idee dat hij in feite twee losse fasen met één kanaal aanstuurt.


Veel Asus-borden maken gebruik van 'teaming' voor het aansturen van meer fasen.

Een van oudsher te prefereren alternatief is de inzet van zogenaamde doublers. Deze chips ‘verdubbelen’ het signaal van de pwm-controller naar de twee sets componenten en zijn zich dus wél ‘bewust’ van het feit dat ze die aansturen. Doublers bestaan in diverse niveaus van ‘intelligentie’ en kunnen bovendien op verscheidene manieren worden ingezet. Vaak schakelt een doubler om en om een van de fasen uit en in om de belasting te splitsen. Dat kan ‘dom’ met een vaste interval, of ‘slim’ door het schakelen op basis van data (stroomsterkte, temperatuur) van de mosfets te doen. Sommige doublers bieden zelfs de mogelijkheid om effectief níét te ‘verdubbelen’, maar uitsluitend de verdeling te managen op basis van dergelijke data.

Een opstelling met doublers heeft niet de nadelen van een met teaming verdubbelde fase. Asus is op het moment echter de meest fervente voorstander van teaming en het is dan ook deze fabrikant die wijst op de vertraging die een doubler toevoegt aan de zogenaamde transient response, oftewel de tijd die het duurt voordat de vrm’s reageren op een sterke toename van het gevraagde vermogen. We kunnen het echter niet nalaten om te constateren dat teaming bovenal een goedkopere wijze is; je spaart tenslotte de doublerchips uit. Merk je in de praktijk iets van de nadelen van een van beide methoden? We zijn vrijwel zeker van niet – maar onze belofte was dan ook een idee te geven van hoe vrm’s werken, niet te bepalen welke werkingsmethode de beste is.

Drivers, mosfets en spoelen

Twee belangrijke onderdelen van een fase – of ‘set componenten’ zoals we zonet beschreven, maar we trachten het enigszins begrijpelijk te houden – zijn de drivers en de mosfets. In principe zijn dit losse componenten, waarbij de mosfet is opgedeeld in een high-side en low-side mosfet voor respectievelijk de input (opbouwen spanning) en output (laten dalen spanning). Aangezien de inkomende spanning veel hoger is dan de gewenste spanning, is de low-side mosfet doorgaans langer ingeschakeld en wordt die dus zwaarder belast. Omwille van technische voordelen en kosten is echter al enige tijd de trend gaande om deze zo veel mogelijk te integreren. Er zijn al de nodige tijd ‘DrMOS’-componenten – MSI was hier een jaar of tien terug groot aanjager van – wat simpelweg een afkorting is van driver en mosfet in één. Inmiddels is het toepassen van dergelijke ‘powerstages’ gebruikelijk vanaf het middensegment.


Een schematische weergave van een cpu-stroomvoorziening.

Powerstages of losse mosfets

De meest gebruikte powerstages zijn de zogenaamde ‘PowIRstages’ van International Rectifier, die uiteraard gecombineerd dienen te worden met de pwm-controllers van dezelfde fabrikant. Onder de modelnummers IR3553, IR3556 en IR3555 verkoopt dit bedrijf powerstages met een rating van respectievelijk 40, 60 en 50 ampère. Het is niet veelzeggend om deze aanduidingen om te rekenen naar vermogen. In de praktijk zijn er al bij lagere vermogens beperkingen, voornamelijk qua koeling. Wel zeggen ze iets in relatie tot elkaar: een 60A-powerstage uit dezelfde serie levert een bepaalde hoeveelheid stroom efficiënter dan een lager gespecificeerde variant, of je hebt er minder van nodig om hetzelfde resultaat te bereiken.

Losse mosfets komen we voornamelijk nog tegen in het lagere segment. Het is niet zo dat een powerstage inherent beter is dan losse mosfets, maar als je losse high- en low-side mosfets tegenkomt is dat tegenwoordig dus wel een indicatie dat je vermoedelijk met een minder luxe moederbord van doen hebt. Veel gebruikte losse mosfets zijn bijvoorbeeld de 4C06N en 4C10N van Onsemi. Aangezien ze per stuk een relatief hoge weerstand hebben, wordt er soms voor gekozen om per fase drie mosfets te monteren: één high-side en twee low-sides. Het tegenovergestelde zien we ook weleens op échte budgetborden, namelijk dat twee fasen deels dezelfde componenten delen. Nu valt er best een casus te bedenken waarin dat te rechtvaardigen valt, maar in de praktijk is het vrijwel altijd een signaal dat er flink op de vrm’s is beknibbeld.

Spoelen

Na de feitelijke spanningsconversie gaat de stroom door spoelen (chokes in het Engels), die de stroom zo veel mogelijk zuiveren van ongewenste frequenties voordat die daadwerkelijk aan de processor wordt geleverd. Daarnaast bouwt zich terwijl de high-side mosfet open staat een magnetisch veld op in de spoel, waarvan de polariteit omkeert zodra de low-side mosfet opent. De opgeslagen energie wordt dan gebruikt om de condensator nog iets verder op te laden. In absolute zin kan er niet veel energie worden opgeslagen in het magnetisch veld van een spoel, vanwege het beperkte volume en het gebruikte kernmateriaal. Daarom schakelt de controller op een relatief hoge frequentie van doorgaans enkele honderden kilohertz.

De spoelen zijn herkenbaar als de grijze blokjes die in een L-vorm om de socket heen zitten. Vaak zijn deze het enige zichtbare onderdeel van de stroomvoorziening; de rest zit doorgaans verstopt onder heatsinks. Dit zorgt ervoor dat veel computerbouwers die wel hebben begrepen dat vrm’s een belangrijk onderdeel zijn van het moederbord, maar geen verstand hebben van hoe de stroomvoorziening is opgebouwd, letterlijk blokjes gaan tellen. Dat heeft weinig zin, aangezien spoelen in principe weinig spannende componenten zijn en niet heel veel invloed op de efficiëntie van de stroomvoorziening als geheel hebben.

Meer ‘fasen’ niet per se beter

Moederbordfabrikanten zijn zich hiervan bewust; toen duidelijk was dat vrm’s zich in belangstelling van gebruikers en testers konden verheugen, zagen we dat de fabrikanten met behulp van trucjes het ‘zichtbare aantal fasen’ – het aantal spoelen dus – zo groot mogelijk probeerde te doen lijken. We noemden al dat er soms fasen werden ontworpen die daar nauwelijks voor door konden gaan: de controller had niet genoeg kanalen om ze aan te sturen en ze moesten componenten delen met de naastgelegen fase.

Over dergelijke excessen ontstond ophef en de diverse fabrikanten lijken hun leven te hebben gebeterd, maar dat betekent niet dat ‘blokjes tellen’ nu weer een goede indicator is van de kwaliteit van vrm’s. Bovendien hebben we eerder gezien dat een fabrikant bijvoorbeeld met minder fasen afkan als er kwalitatief betere componenten worden gekozen. Kortom, meer fasen is niet per definitie beter.

Loadline calibration

Een van de weinige zinnige zaken die je aan de vrm’s van je eigen moederbord kunt aanpassen, is de loadline calibration. Deze functie wordt in de bios vaak afgekort tot LLC (voorheen tevens vaak ‘Vdroop’ genoemd) en bepaalt in hoeverre de spanningscurve wordt gecorrigeerd voor het inzakken bij hoge belasting. Dit speelt vooral een rol als je bijvoorbeeld bij het overklokken een vaste spanning instelt. Die zou namelijk desondanks inzakken op het moment dat de processor veel stroom verbruikt, wat tot instabiliteit kan leiden en in de praktijk betekent dat je in idle onnodig veel spanning zou moeten geven om de afname onder belasting vooraf te compenseren.

LLC kan je zien als ‘overvolten’ op basis van de belasting, met als doel de uiteindelijke spanning gelijk te houden. Op de automatische stand zou LLC dit al voldoende moeten doen, maar dat valt soms tegen. Het kiezen van een hogere stand kan dit euvel wel verhelpen. Enigszins verwarrend is dat ‘level 1’ bij sommige fabrikanten de meeste en bij andere juiste de minste correctie betekent, maar in de meeste moderne biossen staat gelukkig een grafiekje dat duidelijk aangeeft welk niveau tot welk gedrag leidt.

VRM-koeling

Nu hebben we de belangrijkste componenten onder de vrm-heatsinks besproken, maar de heatsinks zelf spelen ook een rol. Het is namelijk goed om je te realiseren dat het einddoel is dat de vrm’s de processor van een stabiele stroomtoevoer voorzien zonder te warm te worden. Dat doel is op twee manieren te bereiken: door een zeer efficiënte stroomvoorziening te ontwerpen, óf door in voldoende koeling te voorzien om de inefficiëntie van vrm’s weg te werken. Zelfs de beste stroomvoorziening zal bij zware belasting een heatsink nodig hebben om het in warmte omgezette verlies af te voeren, terwijl een relatief inefficiënte stroomvoorziening zich nog altijd prima van zijn taak kan kwijten zolang de koeling maar afdoende is.


De heatsinks op het linker moederbord hebben een veel groter koeloppervlak.

De allergoedkoopste moederborden hebben überhaupt geen koelblokken op de vrm’s, maar ook tussen koelblokken kunnen flinke verschillen zitten. Het efficiëntst werkt een koelblok met een groot oppervlak om zijn warmte aan de lucht kwijt te kunnen. Koelvinnen zijn daarvoor de geëigende oplossing: het is niet voor niets dat elke goede luchtkoeler voor een processor of videokaart bestaat uit tientallen vinnen met enkele heatpipes erdoorheen. Massieve blokken metaal zien er misschien strakker uit, maar hebben als puntje bij paaltje komt simpelweg veel minder koeloppervlak beschikbaar.

Meten is weten

In de ideale wereld bestaan de vrm’s dus uit kwalitatief goede componenten en worden ze door effectieve koelblokken gekoeld. Zoals we in de hardwarewereld maar al te goed weten, zijn de laatste paar procent extra prestaties of efficiëntie relatief de duurste van allemaal. In de praktijk zien we het liefst een goede balans, al gaat het uiteindelijk om het resultaat en niet om de exacte manier hoe een fabrikant dat voor elkaar heeft gebokst.

Bij de laatste twee moederbordseries – Z390 van Intel, X570 van AMD – hebben we daarom een uitgebreide vrm-test tot integraal onderdeel van onze testprocedure verheven. We blijven weliswaar de gebruikte componenten voor de stroomvoorziening noteren in de specificaties van elk getest bord, maar beoordelen het moederbord op de prestaties in de praktijk: presteert de processor goed en consistent, en wordt de stroomvoorziening niet te warm? Dat laatste meten we op gestandaardiseerde wijze met een warmtecamera, zodat we zoals altijd een zo eerlijk mogelijke vergelijking kunnen maken.


Onze vrm-test in actie op een AMD X570-moederbord, gefotografeerd met een warmtecamera.

0
*