Поговорим о фазах питания процессора

 


Когда речь заходит о материнских платах, разговор практически никогда не обходится без того, сколько фаз питания процессора применено в той или иной модели. Этот параметр не часто указывается в спецификациях на материнскую плату, но непременно фигурирует в обзорах той или иной модели, да и на многочисленных форумах и обсуждениях системных плат и/или чипсетов  о питании CPU речь заходит всегда. Иногда упоминание о количестве фаз присутствует в рекламных материалах или на коробке материнской платы. Фазы питания процессора – что это, что они делают, для чего нужны и сколько их вообще надо? Давайте разбираться.

Что такое фазы питания

Чтобы знать, о чем собственно речь, давайте обратимся к фотографии материнской платы, вернее, к части ее, расположенной возле процессорного сокета. Вот типичная картина того, что можно увидеть на любой плате.

Фазы питания процессора – что этоЧто-то похожее вы сможете найти и на своей. Разница будет только в количестве компонентов, окружающих сокет.

Если рассматривать устройство каждой фазы питания, то можно выделить несколько блоков по своему назначению.

Фазы питания процессора – что это

Все обозначения постепенно станут понятны.

Итак, что это такое? Современные блоки питания (БП) выдают напряжения ±12 В, ±5 В и ± 3.3 В. Однако современным процессорам необходимо гораздо меньше – порядка одного вольта, отклоняясь в ту или иную сторону в зависимости от нагрузки. При этом, если посмотреть на спецификации процессора, мы найдем такой параметр, как «Расчетная мощность» (он же TDP – расчетная тепловая мощность). В данном случае это величина, относящаяся к системе охлаждения, которая должна справляться с такой тепловой мощностью. Данное значение не эквивалентно энергопотреблению процессора, тем более оно меняется в зависимости от нагрузки и нагрева, но весьма близко к нему.

Так, если обратиться к спецификации процессора Intel Core i7-7700, то расчетная мощность составляет 65 Вт. В нашем случае не столь важно, сколько точно потребляет данный процессор. Просто предположим, что его энергопотребление и составляет 65 Вт.

Значит, система питания процессора должна обеспечить подвод такой мощности. Т. к. готового напряжения от блока питания мы не получаем, значит, придется подготовить нужное его значение. Для этого и служит система питания CPU.

Устройство и принцип действия

В качестве исходного напряжения берется +12 В, которое поступает непосредственно от используемого БП. Теперь надо выполнить преобразование, понизив напряжение до нужного значения. Этим занимается VRM (Voltage Regulation Module — модуль регулирования напряжения).

Сам VRM состоит из нескольких частей, это:

  • PWM-контроллер (ШИМ-контроллер).
  • Драйвер.
  • MOSFET-транзисторы.
  • Дроссель (индуктивность).
  • Конденсатор.

Фазы питания процессора – что этоСейчас часто драйвер и пара MOSFET-транзисторов объединены в один корпус, а не являются дискретными элементами. Сути дела это не меняет. В одном корпусе или в разных — все это перечень компонентов, составляющих фазу питания CPU.

Основным управляющим элементом выступает PWM-контроллер. (Напомню, что аббревиатура PWM расшифровывается как широтно-импульсная модуляция – ШИМ). Он генерирует прямоугольные импульсы с установленной частотой, амплитудой и скважностью. Они подаются на электронный ключ (драйвер).

Фазы питания процессора – что этоСкважность импульса определяет уровень выходного напряжения, которая вычисляется как отношение длительности импульса к его периоду. Таким образом, этот электронный ключ постоянно подключает/отключает входное напряжение, равное +12 В, к этому напряжению подключена нагрузка.

Сам электронный ключ состоит из пары MOSFET-транзисторов (n-канальные полевые МОП-транзисторы) под управлением драйвера. Эти транзисторы попеременно открываются-закрываются таким образом, что при открытии одного второй закрыт. Один из транзисторов своим стоком подключен к шине питания 12 В, второй — истоком к общему проводу. Сигнал от PWM-контроллера поступает на затворы, открывая и закрывая их в соответствии с частотой подаваемых сигналов.

Pic_1

Полученный модулированный сигнал с амплитудой 12 В поступает в LC-фильтр, т. е. через последовательно включенный дроссель (индуктивность) и параллельно подключенный конденсатор, что является нагрузкой. Возникающая ЭДС индукции не позволяет току возрастать мгновенно. В это же время происходит и заряд конденсатора. После закрытия электронного ключа та же ЭДС обеспечивает прежнее направление тока и не допускает резкого его снижения, помогает и разряжающийся конденсатор.

Чтобы не вдаваться в подробности, скажу так: в конечном итоге из импульсного сигнала выделяется постоянная составляющая, и на выходе со сглаживающего LC-фильтра получаем постоянное напряжение нужного значения. Правда, выходное напряжение будет содержать некоторый уровень пульсаций относительно среднего значения.

Фазы питания процессора – что этоДля минимизирования пульсаций используют несколько таких цепей, т. е. фаз питания, которые работают таким образом, что подаваемые от PWM-контроллера импульсы в каждую фазу смещены друг относительно друга. Величина этого смещения зависит от количества используемых фаз. Т. е. смещение вычисляется как отношение периода переключения MOSFET-транзисторов к количеству фаз.

Тем самым выходной сигнал с каждого сглаживающего фильтра также смещен по отношению к другому. Также смещены будут и пульсации выходного напряжения. Результирующее напряжение будет иметь уже гораздо меньший уровень пульсаций. И это одно из преимуществ именно многофазных цепей питания – получение более стабильного уровня подаваемого на процессор напряжения.

Регулирование выходного напряжения

Современные процессоры требуют разного напряжения питания в процессе работы. Зависит это от нагрузки, и не забудем про разгон, при котором также необходимо изменять напряжение, в данном случае повышать его. Каким образом происходит автоматическая регуляция?

PWM-контроллер получает требуемое значение напряжения, считывая специальный 8-битный сигнал VID (Voltage Identifier), который может задавать до 256 уровней напряжения.

Зная требуемое значение, остается его сравнить с тем, которое подается в нагрузку. Для этого существует цепь обратной связи. Сравнение референсного напряжения и того, которое считано с нагрузки, позволяет определить, требуется ли изменить его уровень. Делается это изменением скважности PWM-импульсов. Таким образом поддерживается оптимальное напряжение питания процессора.

Почему нельзя обойтись одной фазой


Одну из причин я уже назвал – сглаживание пульсаций выходного напряжения. Есть и еще как минимум одна причина – мощность. Используемые MOSFET-транзисторы, конденсаторы, дроссели имеют предел по максимальному току. Если взять для примерно CPU, потребляющий 65 Вт при питающем напряжении в 1 В, ток будет исчисляться несколькими десятками ампер.

Так, используемые элементы могут быть рассчитаны на ток до 30, 40 или более ампер, но, скорее всего, это все равно будет меньше максимального потребления электроэнергии процессором. При этом должна быть возможность установки другого процессора, у которого потребление может оказаться больше, например, 95 Вт.

Для того, чтобы гарантированно обеспечить запас мощности, и используют несколько фаз. Тем самым заодно снижается нагрузка на каждую из них и, соответственно, их нагрев. Это дает возможность использовать большое количество процессоров.

Сколько фаз действительно необходимо? Скажем так, от 4 до 8 в зависимости от процессора и при отсутствии разгона. Этого более чем достаточно. Впрочем, большее их количество не так уж и плохо, особенно при использовании мощных «камней», да еще с разгоном. В разумных пределах, конечно.

Всегда ли фаза действительно фаза

Маркетинг играет большую роль в нашей жизни. Смартфон с камерой на 16 мегапикселей априори считается лучше такого же, но с камерой «всего лишь» на 13 мегапикселей. Ну а если используется 23 мегапикселя – то это уже вообще круть!

Фазы питания процессора – что этоАналогично и с материнскими платами. В рекламных материалах на ту или иную модель можно найти гордое упоминание о системе питания, использующей -дцать фаз. А у конкурента схожая по функционалу плата вполне может имеет -дцать и еще 4 фазы. Чтобы не ходить далеко за примером, возьмем плату ASRock X370 Taichi под новехонькие Ryzen. Если обратиться к сайту производителя, то в спецификациях видим упоминание, что используется 16-фазная система питания.

А ведь используемый PWM-контроллер IR35201 – восьмифазный. Получается, производитель платы врет? Нет, ну может, немного лукавит. Дело в том, что дросселей, конденсаторов, электронных ключей действительно 16. Тонкость в том, что используются устройства, называемые делителями, или же двухканальные драйверы.

Фазы питания процессора – что этоСуть работы этих элементов следует из названия – разделить, распределить сигналы от одного канала PWM-контроллера на две цепочки «драйвер-ключ-фильтр». На выходе очень похоже на две фазы, только управляются они одним сигналом, работают синфазно, никакого смещения между ними для сглаживания пульсаций нет. Тогда зачем они?

Ответ – мощность. Данная плата гарантирует поддержку процессоров с потреблением до 300 Вт! Распределяя нагрузку по такому количеству фаз, удается снизить проходящий через каждую из них ток и, как результат, уменьшить нагрев силовых элементов, хотя все равно для охлаждения используется радиатор. В итоге, на самом деле это не 16-фазная система питания, а 8-фазная по 2 канала в каждой. Кстати, используемые на упомянутой материнской плате дроссели рассчитаны на ток до 60 А.

Возможен вариант без использования делителей. В таком случае ставится несколько PWM-контроллеров, которые работают синхронно. Если использовать уже упомянутый восьмифазный IR35201, установив 2 таких на плату, то вполне можно получить на выходе 16 фаз. Почти честных фаз, т. к. временного сдвига по всем фазам не будет. По одной фазе от каждого PWM-контроллера будет работать синхронно, т. е. получим 8 пар фаз без временного смещения управляющего сигнала. Строго говоря, сглаживание будет такое же, как и при использовании 8 фаз, но вот мощность будет существенно выше.

А ведь можно найти платы, в которых и по 24 фазы…

Заключение. Фазы питания процессора – что это

«Режим питания нарушать нельзя», говорил один мультяшный персонаж. И это питание должно быть не только качественным, но и подаваться без сбоев. Причем в переложении на компьютерный мир необходимо учитывать изменяющиеся условия, при которых не только потребление процессора изменяется при разных ситуациях, но и сам процессор может быть заменен более прожорливым.

Система питания CPU, содержащая n-ое количество фаз, обеспечивает надежную его работу. Кстати, все сказанное верно и для видеокарт. Электропитание GPU осуществляется аналогично. А то, что производители стараются запихнуть на свои материнские платы, особенно дорогие, побольше этих фаз… С этим придется смириться. Вряд ли есть реальная необходимость в 24-х фазах, но покупатель всегда ведь ведется на красивые слова и любит большие цифры, конечно, если только это не ценник.

Возможно Вам будет это интересно:

41 комментарий

  1. Yuri:

    Спасибо за статью.

  2. Виктор:

    А 4+2 фазы как следует понимать?

    • Andiriney:

      Обычно так помечают распределение фаз между процессором и памятью, т. е., в данном случае, 4 фазы на процессор и 2 — на память.

  3. Серёга:

    Норм, статья, спасибо, но вот что-то не совсем ясно, а зачем драйвер то нужен от шима сигнал идёт на базу транзистора он открывается и всё, а зачем здесь ещё драйвер как промежуточное звено, можете пожалуйста пояснить? И на каком этапе 12В в меньшее исходное напряжение для процессора преобразуется тоже не совсем ясно, через открытый транзистор ведь 12В идёт верно? А как тогда они в 1В пркобразовываются на каком этапе?
    спасибо!

    • Andiriney:

      По поводу того, как получается примерно 1 В от 12. Любая последовательность периодических сигналов одинаковой длительности имеет постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульса. В данном случае это напряжение. Чем меньше скважность, тем ниже уровень этой составляющей. Насколько я помню, в математике это описывается рядом Фурье. На картинке в статье схематически и изображена эта составляющая в зависимости от скважности. при этом чтобы не получить обычный переключатель 1/0 (есть напряжение — нет напряжения) установлены дроссели и конденсаторы. Напряжение не возникает скачкообразно, как и не пропадает сразу после закрытия транзистора. Дроссель постепенно напряжение увеличивает (за счет индуктивности) и так же постепенно снижает по мере разряда конденсатора, пока не придет следующий импульс. Отсюда, кстати, и пульсации.
      Драйвер, насколько я понимаю, нужен для обеспечения нормальной работы силовых транзисторов. У них сложности с высокой частотой работы, входная емкость на затворе довольна большая, вот и используют дополнительный элемент (драйвер), чтобы бороться с этими недостатками. Он также управляет тем, какой транзистор открывать (их же два). Возможно, для чего-то еще.

    • Через открытый транзистор идёт 12В, верно, но это амплитуда. А затем транзистор закрывается и ничего не идёт, т.е. напряжение 0В. Дроссель и конденсатор сглаживают эти пульсации, но вместе с тем, уменьшают амплитуду, то есть пиковое напряжение становится меньше, но зато постоянным. Таким образом, за счёт уменьшения размаха колебания напряжения, но вместе с тем и его амплитуды, количество передаваемой энергии [Вт*ч], при использовании дросселя, остаётся неизменным (напряжение стало меньше, но зато ток течёт всегда).

  4. Андрей:

    Здравствуйте. Нужна ваша помощь, не могу понять почему ШИМ контроллер вместо того чтобы открывать каналы по очереди, открывает их одновременно, в результате под нагрузкой закипают кондеры на входе. ШИМ поменял на новый, но безрезультатно.

    • Andiriney:

      Здравствуйте.
      Речь о блоке питания, материнской плате, видеокарте? Я ремонтом не занимаюсь, потому вряд ли подскажу что-то конкретное. Причин может быть довольно много, лучше поинтересоваться у ремонтников.

  5. Андрей:

    Здравствуйте. Не подскажете теоретически как происходит коммутация полевиков в этой схеме —
    затворы не задействованы(если она происходит). Это часть схемы питания процессора. https://yadi.sk/i/srEIEQx_3QfKaQ

    • Andiriney:

      Здравствуйте.
      Классическая схема фазы с двумя полевиками. Включение/выключение транзисторов выполняется драйвером, который у вас на схеме не показан (кстати, я добавил в статью структурную схему фазы питания). Управляющие сигналы от драйвера, PWR_VCORE3_HG и PWR_VCORE3_LG, подаются на затворы попеременно, открыт либо один, либо другой транзистор. При появлении сигнала PWR_VCORE3_HG открывается транзистор PU4307 и подается питание от БП, при этом PU4308 закрыт. При подаче сигнала PWR_VCORE3_LG наоборот, PU4307 закрывается, а через открытый PU4308 схема подключается к общему проводу («земле»). В теории получаем последовательность прямоугольных импульсов со скважностью, которая зависит от соотношения длительностей сигналов PWR_VCORE3_HG и PWR_VCORE3_LG.
      Индуктивность PL4302 и установленные далее конденсаторы — и есть тот самый LC-фильтр, препятствующий мгновенному увеличению или пропаданию сигнала, по сути, на выходе как раз и получаем то плавающее, плавающее напряжение питания процессора, которое несколько стабилизируется остальными фазами, смещенными по времени.

      • Андрей:

        Спасибо за ответ. Извините пожалуйста, но вопрос в другом. На схеме нарисовано: эти два компонента PWR_VCORE3_HG и PWR_VCORE3_LG — не используются(не распаяны-только площадки для них). Отсюда и вопрос как работают эти плечи без этих сигналов с драйвера(если они работают) и могут ли они управляться сигналом
        PWR_VCORE3_PH? https://yadi.sk/i/HowJoLgL3QgQE5

        • Andiriney:

          Я не ремонтник, но кажется странным, что затворы никуда не подсоединены. Пусть меня спецы поправят, но управление фазами должно выполняться попеременной подачей сигналов именно на затворы этих полевых транзисторов.

          • Андрей:

            Тоже не пойму, но на дросселях присутствует необходимое напряжение питания процессора =1.4в( там, кстати, три такие линии). Может сам драйвер вырабатывает это питание, а нераспаянные элементы нужны для более мощного решения которое в данной сборке не представлено.

          • Andiriney:

            Ну то, что одна и таже печатная плата может использоваться для разных модификаций матери — это да, вполне возможно. И все же функция драйвера — управлять переключением транзисторов. А какая маркировка на элементах? Сейчас чаще всего объединяют в одном корпусе драйвер и транзисторы.

  6. bleyd:

    Дружище, спасибо за статью.

  7. Fom@:

    Всё понял. Я впечатлён. Спасибо.

  8. Антон:

    Статья шикарная. Спасибо. Заполнил очередной пробел в знаниях.

  9. Konstantin:

    Спс за статью, по поводу затворов скорее всего в одном корпусе с драйвером

  10. Здравствуйте.
    Спасибо за статью. Хоть совершенно не техник, но в целом можно сказать даже понял. Очевидно, что для того, чтобы разобраться в вопросе полностью, нужно лезть «во все тяжкие», и начинать следует с основ схемотехники. Подобное уместно для средних/старших классов больше, и уж если тогда не соизволил найти кружок радиолюбителей, сейчас вряд ли уместно начинать. А без этого не подойти к пониманию более сложных вещей.
    Так что пусть в моём случае всё останется как в Ералаше: «понял, что параллельные прямые не пересекаются, но вот почему они не пересекаются?»
    Ещё раз спасибо!
    Доброго дня!

  11. Алексей:

    Так как посчитать количество фаз то?

    • Андрей:

      А что не понятно то? Посчитайте количество дросселей, если есть делители — полученное значение разделите на два чтобы получить «честные» фазы. Конечно, возможны варианты, но это уже зависит от конкретной реализации питания на той или иной плате.

  12. Сергей:

    Спасибо за статью! Очень информативно и доступным языком! Подскажите, пожалуйста, а что означает 4+4 фазы для мат платы ASUS STRIX B350-F GAMING, при том что на модули памяти выделена еще одна фаза ? Четыре сдвоенных фазы имеется ввиду, т.е. 4 канальный ШИМ контроллер и 8 пар мосфетов, дросселей, конденсаторов и драйверов?

    • Андрей:

      4+4 в данном случае означает, что 4 фазы идут на питание ядер процессора, и еще 4 — на питание встроенного северного моста и прочих систем.

  13. Оракул:

    А что за верхние и нижние ключи-транзисторы?
    В одних платах это 1 транзистор составной, а в других на 2 поделенный. В чем разница?
    Как работают эти 2 транзистора, когда они работают отдельно, а не в одном корпусе ?
    И почему часто ставят верхних ключ одной мощности, а другой — иной мощности ?

    Очень интересно узнать, особенно последний вопрос.

    • Андрей:

      В одном корпусе транзисторы или это дискретные элементы — принципиальной разницы нет. Суть так же, сначала открыт один транзистор, потом другой, и так постоянно, попеременно включаясь/отключаясь.

  14. Codeorion:

    Привіт, що краще 3 з 6 дроселя ми, чи 4 фази з 4 дроселями?

    • Андрей:

      Привет.
      Важно, чтобы они выдерживали заявленную нагрузку и не грелись как печки. В теории, у 4 фаз должны быть меньше пульсации, но на практике вряд ли это заметно.

  15. Канат:

    Ассалам-уалейкум! Сколько нужно фаз для GTX 1060 6GB для заводского или базового разгона на воздухе? Например обычным пользователям в домашних условиях? Знаю что СО бывают разные, хотя бы усредненно.

    • Андрей:

      Привет.
      Насколько я знаю, все видеокарты выпускаются на референсном дизайне, едином для всех производителей. Изменить это не то что пользователям, производителям нельзя, потому и выбирать не приходится. Сколько есть — столько есть.

      • Канат:

        Вы кажется не поняли моего вопроса. Например самые дешевые имеют фазы vrm 3+1, средние 4+1, топовые 1060 имеют 5+1 — 6+2 и т.д. И есть ли смысл переплачивать ради лишней одной двух фаз обычному пользователю? И сколько фаз будет идеально для GTX 1060?

        • Андрей:

          Если собираетесь серьезно гнать, то чем больше фаз — тем лучше. В данном случае лучше перебдеть. В штатных режимах или при минимальном разгоне смысла в том, чтобы брать конфигурации с максимальным количеством фаз нет. Тем более, что сам видеочип может не гнаться, память может быть не способная работать на повышенной частоте.
          Может, и самые дешевые я бы тоже не брал, но это не значит, что они не будут работать.

          • Канат:

            Спасибо за комментарий. А что можете сказать насчет этого видео на youtube
            Здесь человек советует GTX1060 брать только от 6-ти фаз и выше, попутно жестко критикуя ТехноКухню. По его мнению нужно брать дорогущие маркетинговые видеокарты с супер продвинутой систесой охлаждения, отметая все что не вписывается его стандарты. И это для средней GTX1060 не топовой видеокарты.

          • Андрей:

            Ссылку размещать не буду, ибо рекламировать чужой блог у меня интереса нет.
            Я просмотрел так, в режиме перемотки, и по сути, сказано верно. Правда, весь смысл ролика можно свести к одной фразе — «Покупайте топовое железо». Все. И с этим спорить сложно за исключением одного момента. Вернее, двух:
            1. Привык покупать все самое лучшее.
            2. Цена не имеет значения.
            Если экстраполировать сказанное в ролике, то можно сказать, что ездить лучше на Мерседес-Майбах, а не на Солярисе, что двигатель должен быть минимум 250-300 л.с., ибо все что меньше — для пенсионеров и домохозяек, что летать лучше первым классом, а не экономом и пить надо Moët & Chandon Dom Perignon, а не крымский «Новый свет» или Абрау. Все так, но с оговорками, которые я привел выше.
            Я тоже не советую приобретать все самое дешевое, если только от безысходности. Хотя и тут есть исключения. У меня уже 4-й год китайский полунонэймовский смартфон, и ничего, нормально работает. И айфон мне нафиг не нужен.
            Я предпочитаю нащупывать оптимальное сочетание характеристик, возможностей и цены. Конечно, хорошо иметь крутой ноут или лучшие видеокарту, проц ядер на -дцать и т. п. Но мне это не надо, и не потому, что я не могу себе это позволить, а потому, что не вижу смысла переплачивать. В конце концов, в жизни еще много интересного помимо компьютерных железок, а я, увы, не дочь Рокфеллера, как и многие остальные.

          • Канат:

            Поддерживаю! Начав просмотр видео, я думал автор подберет самую оптимальную карту в плане соотношения: цена/производительность или хотябы разделит по категориям, кому какая подойдет. В итоге я так и остался в непонятках, мне обязательно брать топовый 6 и более фаз за приличный прайс? Но покопавшись в обзорах и посмотрев тесты, я решил брать 5 (пяти) фазную 1060 с хорошей СО. Ее протестировали и она спокойно берет легкий заводской разгон. На тестах в Фурмарке со сглаживанием 2x msaa вентиляторы 70% температура не поднимается выше 71° когда в комнате прилично жарко. А в прохладной проветриваемой комнате температура карты стабильно держит 68°. В итоге взял карту KFA2 GTX 1060 6GB EX OC. Ниразу не пожалел. Ее и для разгона хватает и для игр в FHD. Она кажется с завода уже разогнана. Спасибо за Ваше мнение, Вы подкрепили мою точку зрения. Оказывается не я один так думаю, а все адекватные здравомыслящие люди.

          • Андрей:

            Разумный выбор. И температуры нормальные.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

.