什么是VRM ?为什么我的CPU/GPU需要VRM ?

2019年10月25日

计算机直流电源

您需要将该电源的12v输出转换为较低的电平，以便在CPU中使用。

电源转换，无论是AC-AC, AC-DC，还是DC-DC，都是现代生活的基础。如果没有电源转换，我们可能就只能用范德格拉夫发电机来为电子设备供电了。当涉及到计算机世界，特别是cpu时，需要超稳定的DC-DC电源转换。计算机行业权衡了不同DC-DC转换器的成本和收益，最终决定使用稳压模块(vrm)为cpu提供稳定的直流电源。

那么什么是VRM呢?在直流电压级别之间转换有许多方法，而VRM正是这样做的。VRM本质上是一个花哨的降压转换器，并在相同的工作原理下工作。然而，用于高性能计算机的vrm，特别是超频游戏计算机，往往使用标准稳压电路或IC中通常没有的组件。

什么是VRM及其工作原理?

VRM将计算机电源的12v输出转换为更低的电压(1.1 V ~ 3.3 V)，供CPU或GPU使用。虽然VRM使用的组件与典型的开关稳压器不同，但该开关稳压器实现为buck变换器，布局相当简单。就像buck-boost转换器或正激变换器，VRM使用PWM在mosfet中提供开关，从而提供所需的调节。然后可以通过选择适当的占空比和频率来设置输出电压和电流。

如果VRM基本上是一个buck转换器，那么为什么不使用典型的开关式稳压器CPU/GPU的电压调节IC ?CPU中的电子器件已经在低直流电压下运行，但与在更高电压下运行的集成电路相比，它们的噪声裕度也很低。极低的噪声裕度要求高度稳定的电压调节。与典型的降压变换器相比，VRM中使用的组件提供更精确和稳定的电压调节。

VRM有两种类型:单级和多级(有时称为多相VRM)。典型单级VRM的电路图如下图所示。低侧MOSFET和电感提供调节反馈，处理器看到的电压由电容器稳定。多级VRM将mosfet和电感器平行分布在多个级上，占空比低(典型为~10%，尽管这取决于级数)。

单级和多级vrm的电路图

为什么使用多级VRM?

现代计算机使用多级VRM，通常有3个或更多阶段。由于mosfet是并联级联的，它们自然地切换具有一定的延迟，这等于开关的接通时间脉宽调制信号．这导致各个阶段按顺序切换。使用多级的好处是，在mosfet中产生的热量被分散到更大的区域，尽管这增加了每块板的成本。然而，这是现代高性能计算的一个重要方面，因为热调节可能是gpu的一个主要问题，尤其是超频处理器。

来自VRM的输出电压将被阻尼，并将缓慢下降，就像任何RLC电路中的情况一样。这应该说明了使用多级VRM的另一个好处:输出电压本质上是一个阻尼的瞬态响应，当开关发生得更频繁时，瞬态电压下降的时间更短。请注意，最小占空比是开关频率乘以PWM信号的最小通时。

使用多级允许每个MOSFET中的PWM频率较低，但由于每个级的开关，输出电压将得到补偿。这导致输出电压的任何下降都小于单级VRM或在给定时间常数下使用较长占空比的典型开关稳压器。如下图所示。

来自3级和单级VRM的电压输出。请注意，两个VRM的输出具有相同的时间常数，但多级VRM的变化约为1%，而单级VRM的变化约为10%。

VRM组件

vrm可用于CPU或GPU以外的其他应用。当用于CPU或GPU时，上图所示的电感器不是电感器，它实际上是一个超级铁氧体扼流圈。这些扼流圈对于消除mosfet在每个阶段的开关噪声很重要。超级铁氧体扼流圈具有比电感器更低的寄生电容，本质上是作为一个并行RLC电路。低寄生电容在输出端的瞬态响应中提供了更高的阻尼。由于电流从mosfet和他们产生的热量，如果空间允许，mosfet应该包括一个翅片散热器。

应选择VRM电路图中所示的电容器，使其具有大于PWM开关频率的自谐振频率(即，它表现得像一个理想的电容器)，以便为任何高频噪声提供低阻抗到地的路径。请注意，负载、输出电容和铁氧体扼流圈的组合形成了一个复杂的RLC电路。应选择电容和铁氧体扼流圈，使等效RLC电路中的瞬态响应过阻尼，以确保VRM输出更稳定。

黑色PCB板CPU多级VRM