VRM, liten grundläggande genomgång för 9900K Z390 m.m
VRM-komponenter visade på ett Maximus XI Hero moderkort (se nedan):
De olika komponenterna är:
PWM Controller - Ger en PWM signal för de olika faserna som styr MosFET.
MosFET - Hi och Lo power transistorer. Detta är det som matar strömmen till CPU. Kyls av kylflänsar.
Choke (spole, coil, inductor) - Filtrering. Skall tåla hög strömstyrka, minst lika mycket som MosFET.
Kondensator - Filtrering. Egenskap: Skall tåla höga temperaturer och ha lång livslängd.
VRM-layout illustrerad (bilden nedan) motsvarande bilden ovan:
För att enkelt visa hur +12V matas in i MosFET power stage och hur Choke och Kondensator principiellt sitter kopplade. För en Intel CPU som har inbyggd GPU behövs förutom Vcore även spänning för iGPU matas. Det missade jag i denna bild, men se bilden nedan för en illustration om faserna och MosFET för iGPU och Vcore.
Bilderna nedan har jag tagit bort +12V och Kondensatorer etc för att göra det enklare att visa PWM signal m.m.
VRM med 4 dubblerade faser (se nedan):
Ett moderkort som Asus Maximus XI Hero verkar av allt att döma ha 4+2 faser från PWM controllern. Se mer nedan om PWM signal ut från PWM controllern. Maximus XI Hero har dessutom totalt 10 MosFET och 10 Chokes, det betyder med största sannolikhet att de är kopplade enligt följande. För varje gång PWM signalen slår på Hi MosFET på en viss fas så går två MosFET igång samtidigt. Detta ger dubblerad strömstyrka per fas samt fördelad värmeutveckling (spridd på två MosFET).
PWM Signal med fyra faser (se nedan):
Så här ser PWM signalen ut från PWM controllern. Den signalen aktiverar Hi MosFET vid olika tidpunkter för de olika faserna. Frekvensen för faserna brukar bestämmas från MosFET egenskaper, men generellt kan sägas:
Högre frekvens, lägre rippel (stabilare spänning) till Vcore
Lägre frekvens, högre effektivitet på MosFET och lägre värmeutveckling
VRM med Doublers, 8 faser (se nedan):
För att skapa 8 faser så kan man använda Doublers eller PWM controllers med 8 faser. En PWM controller med 8 faser kommer kräva att iGPU styrs via en andra separat PWM kontroller och layouten ser ut som beskrivit ovan fast med 8 faser ut från PWM controllern.
För att visa hur det blir 8 faser med Doublers kan vi titta på nedanstående bild. Mellan PWM controllern och MosFET sitter en krets som heter Doubler. Den tar en PWM signal in med en viss frekvens och skickar ut den med halverad frekvens och förskjuten på de två utgångarna. Se mer nedan om PWM signalen från Doublers.
PWM Signal med Doublers (se nedan):
När man använder en Doubler så skickar man in en PWM signal med en viss frekvens och skickar ut den med halverad frekvens och förskjuten på de två utgångarna. Detta omvandlar de 4 faserna från 4+2 PWM controllern till 8+2 faser som enligt bilderna ovan kan mata 8st MosFET för Vcore och 2st MosFET för iGPU.
MosFET och Power delivery:
MosFET är det som ger strömmen till CPU (Vcore). Ström, spänning och power (effekt) är olika saker men hänger ihop så här: P (power) = I (ström) * U (spänning). Som kan ses ovan så är det inte ovanligt att det sitter t.ex 10st (eller fler) MosFET på ett moderkort av lite bättre slag, oavsett om det är 4-fas eller 8-fas eller nåt annat. Dessa är som förklarat 8st för Vcore och 2st för iGPU. Varje sådan MosFET har en viss specifikation, som avgör moderkortets totala förmåga att leverera ström på ett bra sätt med minimal värmeutveckling i VRM.
Intel 9900K @ 5GHz all cores.
Även om TDP för 9900K är 95W så ska man inte bli lurad av det. TDP är den effekt som måste kylas bort när CPU går i base clock. Det kallas även PL1. Ny text: Intel rekommenderar att PL1 sätts samma som TDP, men för 9900K verkar PL1 vara högre än TDP. Det ser ut som PL1 motsvarar ca 4,2-4,3GHz all cores. PL2 är den Power Limit som måste kylas bort för Turbo Boost och för 9900K är den 210W. Låt oss då överklocka lite och köra 5GHz all cores och anta att det krävs 250W och 1,35V Vcore.
250W / 1,35V = 185A strömstyrka måste kunna levereras till CPU Vcore.
Om vi tittar på nedanstående bild så visar den efficiency för den MosFET som används på Asus Maximus XI Hero. Med 8st MosFET av typen SiC639 enligt nedan så blir det 185A / 8 = 23A per styck. Jag har ritat in röda linjer för att visa att vid 500kHz PWM frekvens så ligger denna MosFET på 91% effektivetet. Det betyder att av 250W så skall 274W matas in och alltså 274W - 250W = 24W försvinner i värme i VRM och måste kylas bort.
Asus Maximus XI Hero har inga problem att leverera gott om ström till en överklockad 9900K med minimal värmeutveckling.
Mer om ovanstående bild och resonemang:
Vi kan förstå från bilden ovan att lägre PWM frekvens ger bättre effektivitet och lägre värmeutveckling. Men det är även så att mer högre PWM frekvens så får vi en bättre spänningsstabilitet (mindre ripple). Mer om detta i framtiden.
Vi kan också konstatera att Doublers inte påverkar ripple jämfört med 8 "äkta" faser från en PWM eftersom PWM controllern med all sannolikhet kompenserat detta genom högre frekvens ut (in i Doublern).
En bra designad VRM ser till att det effektuttag som krävs av CPU ligger på toppen av effektiviteteskurvan, för att minimera värmeutvecklingen. För Maximus XI Hero så ligger den där när vi räknar på stock TDP på 210W (4,7GHz all core Turbo).
Intel TDP, Turbo, Base Clock och Speed Step (se nedan):
TDP:
TDP som Intel anger är den värme som skall kylas bort när CPU går i Base Clock. Det är t.ex 95W vid 3,6GHz all cores på 9900K. Intel definerar detta som PL1 (Power Limit 1) Ny text: Intel rekommenderar att PL1 sätts samma som TDP, men för 9900K verkar PL1 vara högre än TDP. Det ser ut som PL1 motsvarar ca 4,2-4,3GHz (ca 150-160W) all cores och det är den värme som kontinuerligt skall kylas bort. Detta måste uppfyllas.
Turbo Boost:
Intel har även något som heter PL2 (Power Limit 2) som är ett TDP-värde som gäller vid Turbo Boost och under en viss begränsad tid (PL1 Tau). För 9900K är PL2 ca 210W vid 4,7GHz all cores och tiden (PL1 Tau) uppskattas till 100 sekunder som default. Se bilden nedan. Moderkort kan välja att ignorera ovanstående och köra utan tidsgräns på PL2 som default. Det blir då upp till den som monterar kylaren på CPU som får se till att den klarar en kontinuerlig TDP på 210W istället för 95W. Moderkort kan även välja att uppfylla PL2 och PL1 Tau (tiden) och låta användaren via BIOS ställa på detta allt efter eget behag och kylarlösning.
Speed Step:
Detta är Intels teknologi för att sänka frekvens under base clock när belastningen på CPU är låg. För att spara energi och minska värmeutvecklingen. Det är inte illustrerat i nedan bild.
Bristande kännedom om PWM, VRM, TDP, m.m kan givetvis få konsekvenser som:
Felaktika uttalanden om produkter från reviewers och konsumenter
Konsumenter som köper fel produkt eller avstår köpa en viss produkt baserat på bristande information
Här kanske det kommer mer info om Spänningsstabilitet (Ripple).
Här kanske det kommer mer info om andra antal faser, 6+4, 5+2, 16+2, etc.
Varför jag har 7st gaming-datorer och en server?
För att jag och familjen gillar datorer, kolla själv
