Фазы питания процессора – что это

Что такое фазы питания

Чтобы понять, о чем идет речь, обратимся к фото материнской платы, а точнее ее части, расположенной рядом с процессорным сокетом. Вот типичное изображение того, что можно увидеть на любой доске.

Вы можете найти что-то подобное на своем. Единственная разница будет заключаться в количестве компонентов, окружающих сокет.

Если рассматривать устройство каждой фазы блока питания, можно выделить несколько блоков по их назначению.

Все обозначения постепенно станут понятны.

Так что это? Современные блоки питания (БП) вырабатывают напряжения ± 12 В, ± 5 В и ± 3,3 В. Однако современным процессорам требуется гораздо меньше — порядка одного вольта, отклоняясь в ту или иную сторону в зависимости от нагрузки. В то же время, если мы посмотрим на характеристики процессора, мы найдем такой параметр, как «TDP» (он же TDP — TDP). В этом случае это количество, относящееся к системе охлаждения, которое должно справиться с этой тепловой мощностью. Это значение не эквивалентно энергопотреблению процессора, тем более что оно меняется с нагрузкой и нагревом, но очень близко к нему.

Итак, если обратиться к характеристикам процессора Intel Core i7-7700, расчетная мощность составляет 65 Вт. В нашем случае не так важно, сколько именно потребляет тот или иной процессор. Предположим, его потребляемая мощность составляет 65 Вт.

Это означает, что система питания ЦП должна обеспечивать эту мощность. Поскольку готового напряжения от блока питания мы не получаем, значит, нам придется подготовить необходимое значение. Для этого используется система питания центрального процессора.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность — это показатель энергоэффективности источника питания, который отображает процент потери мощности при преобразовании 220 В или 115 В переменного тока в 12, 5 и 3,3 В постоянного тока, необходимые компьютеру.

КПД почти всех блоков питания превышает 70%. Хорошим показателем считается 80% и выше.

С точки зрения энергосбережения значение КПД не следует переоценивать.

Например, блок питания мощностью 600 Вт с эффективностью 80% при максимальной нагрузке потребляет 600 Вт + еще 20% электроэнергии, что составляет примерно 750 Вт / ч. Аналогичный блок питания с КПД 70% будет потреблять более 850 Вт / ч.

На первый взгляд разница довольно значительная. Но с учетом того, что компьютер не часто «заряжает» блок питания на полную мощность и 80% времени он почти простаивает, реальная средняя потребляемая мощность будет меньше 200 Вт / ч. С учетом этого разница в энергоэффективности первого и второго блоков питания на практике будет в незаметном диапазоне нескольких Вт / ч.

Однако источники питания с высоким КПД изготовлены из высококачественных компонентов и имеют хорошую схему. И с этой точки зрения уровень эффективности имеет смысл учитывать.

Эффективность можно быстро оценить по отметке «80 Plus» на крышке блока питания. На изображении ниже показано, как может выглядеть этот знак (значения расположены в порядке возрастания слева направо).

Блоки питания, сертифицированные по стандарту «80 Plus», проверяются только при напряжении 115 В. При этом их КПД составляет не менее 80%.

Присвоение категории «80 Plus Bronze» и выше указывает на то, что эффективность устройства была проверена как в сетях 115 В, так и в сетях 220 В и составляет (для сети 220 В):

• «80 Plus Bronze» — не менее 81% при полной нагрузке и 85% при половинной нагрузке;

• «80 Plus Silver» — 85% и 89% соответственно;

• «80 Plus Gold» — 88% и 92%;

• «80 Plus Platinum» — 91% и 94%;

• «80 Plus Titanium» — 91% и 96%.

Если на крышке накопителя нет сертификационного знака «80 Plus», скорее всего, это неэффективно и не качественно.

Обычные или модульные провода

В обычном блоке питания все провода подключены плотно. Даже если некоторые из них не используются, отключить их от источника питания невозможно. Чтобы они не «висели» внутри системного блока, их необходимо привязать к его стенкам.

Есть блоки питания с модульными проводами. К этим блокам надежно закреплены только кабели с основными разъемами (для питания материнской платы и центрального процессора). Остальные нити можно удалить, оставив только необходимые (см. Изображения ниже).

Модульный кабельный блок питания будет стоить немного дороже, чем обычный блок питания. Но если позволяют финансовые возможности, лучше отдать ему предпочтение. Ведь лишние провода внутри компьютера способствуют скоплению пыли, ухудшают циркуляцию воздуха и в целом негативно влияют на охлаждение его основных устройств. Это особенно актуально, если корпус системного диска небольшой.

Устройство и принцип действия

Предполагается, что начальное напряжение равно +12 В, которое поступает непосредственно от используемого источника питания. Теперь необходимо произвести преобразование, снизив напряжение до нужного значения. Это делает VRM (модуль регулятора напряжения).

Сам VRM состоит из нескольких частей, а именно:

• ШИМ-контроллер (ШИМ-контроллер).
• Водитель.
• МОП-транзисторы.
• Дроссель (индуктивность).
• Конденсатор.

В настоящее время драйвер и пара полевых МОП-транзисторов обычно объединяются в одном корпусе, а не являются отдельными элементами. Это не меняет сути дела. В одном случае или в нескольких — все это список компонентов, составляющих фазу питания процессора.

Основным элементом управления является ШИМ-контроллер. (Напоминаю, что аббревиатура PWM расшифровывается как Pulse Width Modulation — ШИМ). Генерирует прямоугольные импульсы с заданной частотой, амплитудой и скважностью. Поставляются с электронным ключом (драйвером).

Рабочий цикл определяет уровень выходного напряжения, который рассчитывается как отношение периода к ширине импульса. Следовательно, этот электронный переключатель постоянно подключает / отключает входное напряжение, равное +12 В, к этому напряжению подключена нагрузка.

Сам электронный переключатель состоит из пары полевых МОП-транзисторов (n-канальных полевых МОП-транзисторов), управляемых драйвером. Эти транзисторы открываются и закрываются поочередно, так что при открытии одного закрывается второй. Один из транзисторов от его стока подключен к шине питания 12 В, второй подключен к общему проводу от его истока. Сигнал от ШИМ-контроллера поступает на двери, открывая и закрывая их в соответствии с частотой подаваемых сигналов.

Результирующий модулированный сигнал с амплитудой 12 В попадает в LC-фильтр, то есть через последовательно соединенную катушку индуктивности (индуктивность) и параллельно включенный конденсатор, являющийся нагрузкой. Возникающая в результате ЭДС индукции не позволяет току увеличиваться мгновенно. При этом заряжается и конденсатор. После замыкания электронного ключа та же ЭДС обеспечивает одинаковое направление тока и не допускает его резкого уменьшения, также помогает разрядный конденсатор.

Чтобы не вдаваться в подробности, скажу так: в итоге из импульсного сигнала извлекается постоянная составляющая, и на выходе сглаживающего LC-фильтра мы получаем постоянное напряжение нужной величины. Правда, выходное напряжение будет содержать определенный уровень пульсаций относительно среднего значения.

Чтобы минимизировать пульсации, используются несколько таких цепей, например фазы источника питания, которые работают таким образом, что импульсы, подаваемые ШИМ-контроллером в каждой фазе, смещены относительно друг друга. Величина этого смещения зависит от количества используемых фаз. То есть смещение рассчитывается как отношение периода переключения полевых МОП-транзисторов к количеству фаз.

Следовательно, выходной сигнал каждого фильтра сглаживания также смещен относительно другого. Пульсации выходного напряжения также будут смещены. Результирующее напряжение уже будет иметь гораздо более низкий уровень пульсаций. И в этом одно из преимуществ многофазных схем питания: получение более стабильного уровня напряжения, подаваемого на процессор.

Тип системы коррекции коэффициента мощности (PFC)

Не вдаваясь в технические подробности, суть проблемы можно объяснить следующим образом.

Каждый источник питания, являясь нелинейной нагрузкой для электрической сети 220 В, вносит внутри себя искажения, которые вызывают увеличение мощности, рассеиваемой на проводах. В результате усиливается нагрев электропроводки и возрастают требования к ее толщине.

На лестничной клетке дома или квартиры, где используется 1-2 компьютера, этого не заметно. Но в большом офисе или компьютерном центре, где одновременно работают сотни компьютеров, влияние этого явления очень заметно, не говоря уже об электрической сети микрорайона или городской сети в целом.

Чтобы свести к минимуму общий негативный эффект, в каждый источник питания необходимо установить так называемую систему коррекции коэффициента мощности (PFC).

Системы PFC бывают двух типов: пассивные и активные.

Пассивные системы PFC просты по конструкции, дешевы в изготовлении, но имеют низкий КПД (до 75%). Используется в экономичных источниках питания.

Активные системы PFC более сложные и дорогие, но их эффективность намного выше (до 99 %).

Для домашнего пользователя основными преимуществами блоков питания с активным типом PFC являются их низкая чувствительность к перепадам напряжения в сети 220В и низкий уровень помех на исходящих линиях, но главный недостаток — их высокая стоимость.

Источники питания с пассивной коррекцией коэффициента мощности, кроме невысокой цены, не имеют никаких преимуществ.

Тип системы PFC обычно указывается на крышке блока питания как «активная PFC» или «пассивная PFC».

Кстати, упомянутый в предыдущем абзаце сертификат «80 Plus», помимо эффективности, предполагает также определенные требования к эффективности системы PFC. Однако сертифицированный блок питания 80 Plus для ПК оснащен активной системой коррекции коэффициента мощности.

Некоторые активные системы PFC предъявляют более высокие требования к источникам бесперебойного питания (ИБП). Если вы планируете подключить компьютер с активным блоком питания PFC к источнику бесперебойного питания, будьте готовы к возможной несовместимости из-за невозможности переключения ИБП на питание от батареи.

Блоки питания с такими характеристиками сегодня не распространены. Но в случае возникновения проблем придется менять блок питания или покупать более мощный ИБП (не менее 1000 ВА и более).

Качество изготовления БП, его производитель

Косвенными, но достаточно информативными показателями качества блока питания являются его стоимость и вес (чем тяжелее блок питания, тем меньше вы экономите на материалах).

Какой бы несерьезной на первый взгляд ни казалась оценка блока по весу, других способов оценить его в магазине не так много.

Внутри экономических блоков отсутствует значительная часть деталей, необходимых для его нормального функционирования. Отсюда небольшой вес и невысокая цена.

На изображении ниже вы можете увидеть недорогой блок питания в разобранном виде. Красным обведены места на плате, где в обычном блоке вместо пустых перемычек и разъемов стоят катушки индуктивности, конденсаторы и другие элементы, обеспечивающие их устойчивость к скачкам напряжения и стабильность питания компьютерных устройств под высокие нагрузки.

На практике реальная мощность недорогого блока питания может оказаться на 100 — 150 Вт меньше мощности, указанной производителем на его крышке. Такие блоки можно использовать только на компьютерах, предназначенных для работы с текстом, работы в Интернете и решения других простых задач.

Низкокачественный блок питания в мощном игровом компьютере или другом компьютере с высокой нагрузкой быстро выйдет из строя и может увести половину вашей системы (материнская плата, видеокарта, процессор и другие дорогие устройства) в небытие. Выбирая блок питания для такого компьютера, лучше не обращать внимания на легкие недорогие изделия. В конце концов, скупой платит дважды.

Предпочтение следует отдавать «тяжелым» блокам питания от производителей, которые стараются «сохранить марку» и зарекомендовали себя (FSP, Zalman, Coolermaster, Thermaltake, Chiftec). Это, конечно, далеко не полный список достойных производителей.

Регулирование выходного напряжения

Современные процессоры требуют разного напряжения питания во время работы. Это зависит от нагрузки, и не будем забывать о разгоне, при котором также необходимо менять напряжение, в данном случае повышать его. Как происходит автоматическая настройка?

ШИМ-контроллер получает необходимое значение напряжения, считывая специальный 8-битный сигнал VID (идентификатор напряжения), который может устанавливать до 256 уровней напряжения.

Зная необходимое значение, остается сравнить его с подаваемым в нагрузку. Для этого существует обратная связь. Сравнение опорного напряжения и напряжения, считываемого нагрузкой, позволяет определить, нужно ли изменять его уровень. Это делается путем изменения рабочего цикла импульсов ШИМ. Это поддерживает оптимальное напряжение для процессора.

Почему нельзя обойтись одной фазой

Об одной из причин я уже упоминал: чтобы сгладить пульсации выходного напряжения. Есть как минимум еще одна причина: сила. Используемые полевые МОП-транзисторы, конденсаторы и индуктивности имеют ограничение по максимальному току. Если взять, например, CPU, потребляющий 65 Вт при напряжении питания 1 В, ток будет несколько десятков ампер.

Таким образом, используемые элементы можно классифицировать по токам до 30, 40 и более ампер, но, скорее всего, это все равно будет меньше максимальной потребляемой мощности процессора. В этом случае должна быть возможность установить другой процессор, который может иметь более высокое потребление, например 95 Вт.

Для обеспечения запаса мощности используется несколько фаз. Это одновременно снижает нагрузку на каждый из них и, соответственно, их нагрев. Это позволяет использовать большое количество процессоров.

Сколько шагов действительно нужно? Скажем так, от 4 до 8 в зависимости от процессора и при отсутствии разгона. Этого более чем достаточно. Однако многие из них не так уж и плохи, особенно при использовании мощных «камней», а также при разгоне. В разумных пределах, конечно.

Какое напряжение использует каждый компонент ПК?

После вышеизложенного вы уже будете знать, что источники питания имеют разное напряжение из-за электрических требований каждого из аппаратных компонентов ПК, поэтому теперь самое время посмотреть, какой компонент использует каждое из напряжений, и особенно потому, что все не работает унифицированный, чтобы все работало со значением напряжения.

• +12 В: ЦП, видеокарта, вентиляторы и некоторые карты расширения PCIe. Это также основное напряжение материнской платы, хотя для его регулирования она должна проходить через свои собственные VRM. Обычно именно шина обслуживает компоненты оборудования с наибольшим потреблением.
• +5 В: механические жесткие диски, оптические приводы, некоторые карты расширения PCIe и USB. Все USB-порты на ПК работают от 5 В, включая подключенные к ним периферийные устройства.
• + 3,3 В: RAM и SSD в формате M.2. Кроме того, все слоты PCIe также могут подавать + 3,3 В.

Причина, по которой источники имеют разное напряжение и, следовательно, разные шины, связана с электрическими требованиями к компонентам. Поскольку транзисторы на микросхемах становились все меньше и меньше, для них стало предпочтительнее работать при более низких напряжениях, и это становилось все более необходимым по мере увеличения плотности транзисторов в процессорах.

Чтобы обеспечить процессор большим объемом низковольтного питания, начиная с эры Pentium, материнские платы стали включать в себя стабилизатор напряжения, чтобы иметь возможность независимо управлять величиной напряжения и тока, подаваемого на каждый компонент. Большинство современных процессоров могут потреблять до 100 А при 2 В или менее, поэтому нецелесообразно брать эти значения с дорожки +12 В и иметь возможность делать это на другом, работающем при более низком напряжении, поскольку это означает меньше работы для регулятор.

Наличие кабелей с необходимыми разъемами

Блок питания должен иметь кабели с необходимыми разъемами для подачи питания на компьютерные устройства, а именно:

1. Главный разъем для подключения к материнской плате. В современных блоках он 24-контактный.

В блоке питания такой разъем всего один. Он предназначен для питания чипсета материнской платы и других устройств, расположенных на ней, а также для управления питанием со стороны материнской платы (запуск, сбой питания при включении и выключении компьютера).

Для некоторых старых материнских плат требуется 20-контактный разъем питания. Это необходимо учитывать при выборе блока питания. Оптимальный вариант — купить «универсальный» блок питания, у которого главный разъем выполнен по формуле 20 + 4pin (см. Изображение).

2. Разъем питания центрального процессора (ЦП). На большинстве блоков питания он четырехконтактный. Он вставляется в специальный разъем на материнской плате.

На некоторых материнских платах используются 8-контактные разъемы вместо 4-контактных разъемов. К этому же разъему можно подключить 4-х контактный разъем питания (в одной половине). Компьютер будет нормально работать.

И только когда процессор очень «прожорлив» и даже разогнан, может возникнуть необходимость подать питание на все 8 контактов. В этом случае имеет смысл покупать блок питания с двумя разъемами питания процессора (4 + 4 контакта, см. Изображение).

3. Разъем питания PCI-E: Обычно это 6-контактный разъем, предназначенный для питания видеокарты. Обычно блок питания имеет 1 или 2 таких разъема.

Для некоторых высокопроизводительных видеокарт требуется 8-контактный блок питания. В этом случае необходимо приобрести соответствующий блок питания.

Также есть переходники для питания видеокарты от разъема MOLEX (см. Следующий абзац).

4. MOLEX — 4-контактный разъем, предназначенный для питания старых жестких дисков и оптических приводов с интерфейсом IDE, а также других устройств. Это «универсальный» разъем. Через переходники к нему могут быть подключены видеокарты, системы охлаждения, новые жесткие диски и SSD с интерфейсом SATA, а также другие устройства с напряжением питания 12 или 5 вольт.

В одном блоке питания обычно несколько разъемов MOLEX (4-10).

5. Разъем устройства SATA — разъем, предназначенный для подачи питания на устройства хранения (жесткие диски и твердотельные накопители), подключенные к материнской плате через интерфейс SATA.

Блок питания обычно имеет несколько таких разъемов (2 и более). Если этого недостаточно, устройства SATA можно подключить через переходники к разъему MOLEX.

Некоторые модели блоков питания могут иметь другие типы разъемов, но вы можете обойтись без них.

Сила тока на линии +12 Вольт

Даже если блок питания по своей общей мощности соответствует сумме возможностей процессора, видеокарты и других устройств компьютера, он может не справиться с питанием всего компьютера в целом. Дело в следующем.

Блок питания преобразует переменный ток из розетки 220 В в постоянный ток с напряжениями + 3,3 В, + 5 В и + 12 В. Его общая емкость является суммой емкостей, которые он «распределяет» по каждой из трех линий.

Линия + 3,3 В питает модули RAM.

Линия + 5V питает материнскую плату, жесткие диски, твердотельные накопители и оптические приводы.

Напряжение +12 В используется для питания «более тяжелых» вычислительных устройств: центрального процессора и видеокарты. К нему также подключены все вентиляторы (кулеры). Именно на эту линию падает основная нагрузка.

Некоторые блоки питания не подают требуемый ток на линию +12 В, «компенсируя» его на двух других линиях (на которых он действительно не нужен).

При недостаточном питании блока питания +12 В компьютер работать не будет. Может включиться, но под нагрузкой самопроизвольно перезагрузится или перейдет в режим «тарабарщины», когда вроде все продолжает работать, но на мониторе нет изображения (черный экран). Такие ситуации обычно возникают после замены компьютерных устройств на более мощные, установки дополнительных устройств в системный блок (например, второй видеокарты) или после разгона видеокарты и / или процессора, в результате чего увеличивается их энергопотребление.

Выбирая блок питания, нужно следить за тем, чтобы сила тока на его линии +12 В с отрывом превышала «аппетиты» процессора и видеокарты.

Как узнать необходимую компьютеру силу тока по +12В

Для этого нужно добавить максимальный ток, требуемый процессором, и ток, необходимый для видеокарты (или видеокарт, если их больше). К полученной сумме добавьте еще 20-25% на «запас прочности».

Все функции доступны на сайте производителей процессоров и видеокарт. Если необходимых данных о прочности нет, вы можете рассчитать их самостоятельно.

Из школьного курса физики читатель наверняка помнит, что сила тока измеряется в Амперах (А) и рассчитывается по формуле:

«ток» = «мощность» / «напряжение»

Нам известно напряжение блока питания, оно равно 12 В.

Мощность процессора примерно равна его TDP (в любом случае этот показатель должен быть на официальном сайте). Мощность, потребляемая видеокартой, также всегда указывается на сайте ее производителя.

Например, рассчитаем линейный ток +12 В, необходимый компьютеру с процессором Intel QX9770 и видеокартой GeForce GTX 460:

• На веб-сайте Intel указано, что TDP процессора QX9770 составляет 136 Вт. Это означает, что для нормальной работы ему требуется ток не менее 11,2 А (136 Вт / 12 В).

• Согласно официальным спецификациям, максимальное энергопотребление GeForce GTX 460 составляет 160 Вт. Это означает, что требуемый ток составляет примерно 13 А (160 Вт / 12 В).

Складываем полученные цифры: 11,2А + 13А = 24,2А.

Добавьте к этому числу еще 25%. Конечный результат — около 30А.

Как узнать силу тока блока питания по линии +12В

Сила тока на всех трех линиях, включая линию + 12В, указана на крышке блока питания.

Например, взглянем на крышки двух блоков питания мощностью 450 Вт: GameMax GM450 и Chieftec SFX-450BS.

Блоки мощностью 450 Вт в качестве примера выбраны не случайно. Этот показатель был получен с помощью онлайн-сервиса расчета мощности (см. Выше) для предыдущего примера компьютера (с процессором Intel QX9770, видеокартой GeForce GTX 460, 4 ГБ ОЗУ и 1 жестким диском).

Вот что мы видим на обложке GameMax GM450:

Как видите, линия + 12V этого блока питания разделена на 2 ветви (+ 12V1 и + 12V2). Суммарный ток на них — 27А (14А + 13А, подчеркнуты красным).

Исходя из этого, можно сделать вывод, что для компьютера в нашем примере блок питания GameMax GM450 не подойдет, так как ему придется работать на пределе своих возможностей. Скорее всего, долго это не продлится. С таким блоком питания также рекомендуется не устанавливать в системный блок дополнительных охлаждающих устройств, так как они также питаются от линии +12 В. И о разгоне видеокарты или процессора речи не идет.

А вот как выглядит наклейка на корпусе Chieftec SFX-450BS:

Сила тока по линии +12 В на порядок выше — 36А. Возможностей такого блока питания для нашего компьютера более чем достаточно.

Чем отличаются верхний и нижний транзисторы

Здесь нам нужно прояснить один момент. Нередко можно найти разные конфигурации схем VRM. Например, MSI Z490-A Pro использует транзистор OnSemi 4C029N в верхнем плече и 4C024N в нижнем плече. Первый имеет максимальный ток 46 А, а нижний — 78 А.

У Gigabyte X570 GAMING X немного другая конфигурация: верхний транзистор — один, ONSemi 4C10N (максимальный ток до 40А), а нижний транзистор — два одновременно, ONSemi 4C06N (максимальный ток до 69А каждый). В последнем случае используется схема 1H2L, то есть один верхний (высокий) и два нижних (нижних) транзистора).

К чему столько путаницы и колебаний? Здесь необходимо обратить внимание на условия работы этих транзисторов. Верхняя имеет 12 В на входе и около 1 В. Для данной мощности ток не очень большой и составляет, скажем, несколько ампер, ну даже десяток-другой в особо сложных случаях.

Что такое нижний транзистор? Диапазон его рабочего напряжения составляет от 1 (приблизительно) вольт до нуля. При той же мощности токи, которые он должен выдерживать, намного выше. Поэтому они несут более мощный элемент силы или даже пару.

Кстати, если вы посмотрите на схему источника питания, которая содержит все силовые полевые МОП-транзисторы вместе с драйвером, элемент нижнего рычага показан как самый большой. Теперь понятно почему.

Также может быть такая ситуация, когда схема 1H2L используется для цепей питания ядер процессора (один верхний и два нижних транзистора), а более простая схема 1H1L используется для питания SoC, графического чипа, то есть транзистор в каждом плече.

При использовании сборок вы можете использовать одну модель силового элемента для ядер, а другую — для SoC. Например, материнские платы ASRock B550 Extreme4 имеют двенадцать Vishay SIC654 и одну пару Vishay SIC632. Хотя группы одинаковы по максимальному току, сам элемент SIC632 несколько проще.

Встроенная графика не слишком обременительна по энергопотреблению и обычно не достигает значений в десятки ампер. Следовательно, вы можете использовать меньшее количество или более простые элементы.

Кстати, дискретные элементы в цепях питания процессора используются в моделях материнских плат младшего ценового диапазона. Силовые группы устанавливаются на материке среднего класса и топовых моделей.