Che cos’è un VRM nelle schede madri e perché è importante?

Se sei mai stato interessato all’attività di culto che è l’overclocking della CPU, uno dei termini che ti saresti imbattuto molto è VRM. Il termine è onnipresente nella comunità dei PC, ma quasi nessuno all’interno o all’esterno della comunità sa effettivamente come funziona. Il VRM è una di quelle cose che le persone sanno essere cruciali per il funzionamento dei propri PC, ma sembra così misterioso che qualsiasi ulteriore indagine sarebbe troppo macchinosa. Questo è il motivo per cui abbiamo svolto le ricerche richieste e creato questa spiegazione per dirti cos’è il VRM sulla scheda madre, come funziona e come influisce sulle prestazioni della CPU.

Scheda madre VRM: spiegato (2022)

In questo articolo, esploreremo tutto ciò che c’è da sapere sui VRM e ti spiegheremo perché sono così importanti. Vedremo come il compito del VRM, per quanto semplice, sia essenziale, in quanto fondamentale per garantire la stabilità del sistema. In altre parole, vale la pena saperne di più su VRM e su come funziona.

Inoltre, esamineremo anche come distinguere tra un VRM di buona qualità e uno scadente. L’idea alla base sarebbe quella di creare un’idea di base di ciò che costituisce una buona configurazione VRM, in modo da sapere cosa cercare la prossima volta che si acquista una scheda madre . Sommario

Cosa significa VRM?

Prima di approfondire il funzionamento del VRM, è essenziale capire cos’è e cosa significa il termine. Il termine sta per “modulo regolatore di tensione” e descrive un circuito elettronico che regola e converte le tensioni per soddisfare i requisiti di CPU, memoria e GPU. Potrebbe essere utile pensare ai VRM come a un mini alimentatore, proprio come il tuo attuale alimentatore principale del computer che prende 120 o 240 volt dal muro e lo fa scendere a 12 volt di corrente continua.

La scheda madre VRM in un certo senso fa proprio questo, ma per la seconda volta. Prende l’uscita a 12 volt (CC) dell’alimentatore e la converte in circa 1 V per una GPU o 1,4 V per una CPU. L’altro compito importante del VRM è fornire questa tensione in modo costante, senza picchi e cadute, in quanto può influire sulla stabilità dell’intero computer.

Componenti principali del VRM

Nell’immagine sopra, puoi vedere l’architettura del VRM in una moderna scheda madre. Comprende tre elementi principali: MOSFET, bobine d’arresto e condensatori. La maggior parte di questi si trova solitamente sotto i dissipatori di calore che circondano il socket della CPU e sono piuttosto difficili da individuare. Questi componenti fondamentali sono accompagnati da diodi e resistori, che assicurano che la corrente elettrica che arriva a questi componenti non superi determinati valori.

Come funzionano i VRM della scheda madre?

Il principio chiave su cui si basano i circuiti di regolazione della tensione è la capacità di ridurre la tensione di uscita media di un circuito attivando e disattivando una tensione di ingresso. Quindi, ad esempio, se hai un ingresso di 12 V CC dal tuo alimentatore e lo accendi e spegni per un uguale periodo di tempo, la tensione media diventerebbe 6 V CC.

Ma per ottenere una tensione media relativamente stabile, ciò deve avvenire diverse centinaia di volte al secondo. La commutazione in quasi tutti i casi è ottenuta tramite un circuito MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Ma come vedremo nella prossima sezione, il MOSFET non funziona da solo, ma piuttosto in tandem con altre unità come bobine d’arresto, condensatori e controller PWM per dare alla CPU la potenza più stabile possibile.

Componenti di VRM nella scheda madre

MOSFET

Il primo componente che esamineremo è il MOSFET, che è essenzialmente un gate isolato, una sorta di interruttore utilizzato per amplificare o minimizzare i segnali elettronici. Quello che fa in pratica è regolare la corrente che passa, a seconda del segnale e del valore inviato dal chip controller PWM, che è responsabile della gestione delle fasi di alimentazione e del bilanciamento dei segnali (ne parleremo più avanti).

Per illustrare meglio questo processo, possiamo guardare il diagramma sottostante. Un circuito VRM di base è costituito da due MOSFET, che in questa situazione sono fondamentalmente solo interruttori, un induttore e un diodo.

Il design dei MOSFET VRM può variare, ma hanno tutti la stessa funzione, quindi pensiamo che non sia necessario approfondire e iniziare a spiegare un po’ di ingegneria elettrica avanzata. Tuttavia, se desideri una discussione più dettagliata sulla funzione di ciascun componente, vai alla pagina esplicativa del VRM di WikiChip. La parte importante che devi sapere è che la conversione di tensione inizia dal MOSFET, ed è qui che avviene la maggior parte del carico di lavoro. Una rappresentazione di un circuito VRM

Ma per spiegarlo brevemente, il circuito VRM utilizza due interruttori MOSFET per controllare la quantità di tensione che passa alla CPU. Quando il primo interruttore (MOSFET high-side) è chiuso, la tensione all’ingresso dell’induttore diventa 12V. Ciò fa sì che la corrente inizi a fluire attraverso lo starter, che è essenzialmente una bobina di filo attorno a un nucleo magnetico, aumentando lentamente la tensione di uscita.

Quindi, una volta raggiunta la tensione desiderata per la CPU o la GPU, l’interruttore viene chiuso, il che significa che l’ingresso al choke diventa zero. Man mano che l’alimentazione elettrica alla bobina diminuisce, la carica magnetica attorno ad essa si dissipa, inducendo una tensione nella direzione opposta (quindi si aggiunge alla tensione di uscita anziché annullarla), che diminuisce lentamente nel tempo. Questo processo, se ripetuto diverse dozzine di volte al secondo, ci dà un aumento e una diminuzione relativamente costanti della tensione (come si vede nella figura della tensione). L’apertura e la chiusura del MOSFET crea una tensione stabile

L’altra cosa che dobbiamo tenere a mente sui MOSFET è che ogni volta che si accende o si spegne, genera calore, che può essere superiore a circa 150 gradi Celsius. Ciò significa che spingendo i MOSFET sempre più al limite, tendono a scaldarsi molto. Questo calore è importante? In poche parole, lo fa.

Se i MOSFET VRM si surriscaldano, ciò influisce sulla resistenza del semiconduttore, il che porta a un calo di efficienza e, da lì, è un ciclo infinito che genererà solo più calore. E questo è il motivo principale per cui la maggior parte dei MOSFET nelle moderne schede madri sono coperti da soluzioni di raffreddamento come dissipatori di calore o ventole miniaturizzate.

Strozzature

La parte successiva dei VRM che esamineremo si chiama Chokes . Si tratta di induttori di forma cubica (anche se non sempre) normalmente realizzati in metallo, che hanno il compito di convertire i segnali in corrente alternata (AC) in frequenze più basse o in corrente continua (DC) al fine di stabilizzare la tensione che esce dal MOSFET. Cosa significa questo?

Essenzialmente, una bobina prende la potenza ad alta frequenza (12V) proveniente dal PWM e la trasforma in una frequenza stabile (1,2-1,4V), quindi diventa utilizzabile dalla CPU e da altri componenti. Quindi, in sostanza, svolge due funzioni. In primo luogo, per immagazzinare e filtrare l’energia e, in secondo luogo, per controllare la qualità complessiva dell’energia. Strozzatori senza coperchio protettivo

Poiché le bobine d’arresto svolgono un ruolo importante nella qualità dell’alimentazione fornita alla scheda madre, sono essenziali per decidere la capacità di overclocking. Migliori sono gli induttanze, maggiore è la capacità della scheda madre di resistere all’overclocking. Inoltre, ogni choke su una scheda madre rappresenta anche una fase di alimentazione. E come regola generale, maggiore è il numero di fasi su una scheda madre, più stabile è la tensione (ne parleremo più avanti).

Condensatori

L’ultimo componente analogico centrale del VRM che esploreremo è il condensatore. È un componente elettrico comune utilizzato in molti dispositivi elettronici per immagazzinare energia in un campo elettrico e, quando richiesto, può scaricare questa energia nel circuito a cui sono collegati. Funziona come una batteria in un certo senso, ma ha una maggiore capacità di accumulo per la sua capacità di emettere rapidamente tutta la sua energia. I condensatori sono disponibili in molte dimensioni

Per un VRM e le relative fasi di alimentazione, ha lo stesso scopo. I condensatori hanno due funzioni principali nel funzionamento del VRM. Il primo è accumulare corrente elettrica e il secondo è immagazzinare e prevenire picchi di tensione e ridurre le increspature nel circuito elettronico. L’idea è di immagazzinare la corrente ricevuta dalla bobina e fornire la giusta quantità di potenza richiesta dalla CPU, il resto viene scaricato o rilasciato attraverso la massa.

Ciò significa che il condensatore non è solo una parte importante del VRM, ma piuttosto una necessità esistenziale. Ecco perché, affinché qualsiasi VRM sia considerato buono, dovrebbe sicuramente utilizzare condensatori di alta qualità e standard elevati. Di solito, i condensatori di alta qualità sono etichettati come condensatori solidi, condensatori Hi-C e altro ancora. Nella moderna generazione di schede madri, i condensatori a stato solido sono la forma dominante di condensatori e hanno per lo più soppiantato quelli elettrolitici.

Ma non è sempre stato così. Alla fine degli anni ’90 e all’inizio degli anni 2000, molte schede madri, in particolare, dei produttori taiwanesi hanno registrato tassi di guasto dei condensatori non solidi superiori al previsto. Ciò era in gran parte dovuto alla composizione dell’elettrolita che causava corrosione, portando a livelli elevati di generazione di gas, che spesso causavano l’esplosione dei condensatori. Questa era nota come la piaga dei condensatori dei primi anni 2000 ed è famigerata nella comunità dei PC. Sebbene il problema fosse molto complicato, con tutta una serie di controversie dallo spionaggio industriale alla corruzione, la sua più ampia implicazione era che l’industria si spostava gradualmente dai condensatori alcalini a quelli a stato solido.

Controllore PWM

Ora che abbiamo discusso i componenti analogici principali dei VRM, è giunto il momento di passare alla parte del circuito che controlla il flusso di elettricità chiamato controller PWM (modulazione di larghezza di impulso). Questo controller fornisce gli impulsi PWM, che vengono poi immessi nella parte analogica del circuito: MOSFET, bobine d’arresto, ecc. Controllore PWM

Questi controller PWM, tuttavia, non sono semplici dispositivi che emettono solo un impulso fisso. Invece, sono essi stessi circuiti integrati piuttosto complessi. Alcuni controllori, in particolare quelli di fascia alta, hanno sistemi di controllo di fase multipli e si occupano anche di un’altra funzione cruciale del VRM, ovvero il monitoraggio. Inoltre, poiché la tensione della CPU o della GPU non è mai veramente costante, il chip fa molto lavoro per ridurre o aumentare regolarmente la potenza richiesta per essere più efficiente.

Quindi come fa a sapere quanta potenza inviare? In poche parole, lo fa formando un circuito di feedback tra la CPU e il PWM. Il controller PWM prende la tensione di riferimento (VREF) della CPU, trovata nelle impostazioni del BIOS della scheda madre, e la alimenta costantemente nel VRM. Questa tensione viene quindi misurata con la tensione attuale e, se c’è una differenza tra il VREF e la tensione effettiva, il controller PWM modifica il segnale per riportare in linea la tensione di uscita.

Questo processo era, fino a un decennio fa, svolto principalmente da PWM analogici, ma per la maggior parte, oggi sono stati per lo più sostituiti da PWM digitali. Il vantaggio dei PWM digitali è che consente al microcontrollore di considerare una gamma molto più ampia di altre variabili e parametri nei suoi calcoli di correzione della tensione. Questi potrebbero essere sensori di temperatura, impostazioni del BIOS e altri valori memorizzati. Lo svantaggio dei controller PWM digitali è che sono più costosi e complessi da configurare. Le moderne schede madri utilizzano quasi esclusivamente PWM digitali per l’erogazione di potenza della CPU e della memoria, ma a volte i PWM analogici vengono utilizzati per parti meno critiche di una scheda.

Cosa sono le fasi di alimentazione di una scheda madre?

Poiché l’accensione e lo spegnimento del segnale elettrico da parte del MOSFET avviene normalmente diverse centinaia di volte al secondo, la tensione può fluttuare più di quanto la CPU possa tollerare. E poiché sta già funzionando a una velocità così elevata, non è pratico provare a cambiare molto più velocemente di così. Quindi, nella ricerca di una migliore stabilità, ciò di cui abbiamo bisogno non sono MOSFET più veloci, ma più di loro in quantità. Più fasi VRM significa che la tensione di uscita può essere ricaricata più regolarmente rispetto a una singola fase

Un singolo circuito VRM può essere sufficientemente efficace per determinate applicazioni, ma per garantire un’erogazione di tensione il più uniforme possibile, è possibile disporre di più VRM in parallelo, creando ciò che abbiamo già menzionato: un VRM multifase (l’immagine sopra rappresenta un multi -fase VRM). Come funziona?

Dal diagramma sopra, puoi vedere che se ogni fase del VRM è sfalsata nel modo giusto, le fasi distribuiscono il carico energetico su un numero più ampio di componenti. Ciò non solo fornisce alla CPU o alla GPU una potenza più uniforme, poiché il tempo tra gli impulsi di potenza può essere ridotto, ma aiuta anche a ridurre la produzione di calore e lo stress sui componenti.

Vedrai spesso i produttori di schede madri pubblicizzare un numero elevato di fasi in un formato A+B, come 8+3 o 6+2 . Che cosa significa questo? In teoria, è abbastanza semplice. Il primo numero è il numero di fasi dedicate alla CPU, mentre il secondo è il numero di fasi dedicate ad altre parti della scheda madre come la memoria.

Scheda madre AsRock Z490 con 16 fasi di alimentazione (crediti: ASrock)

È in questo contesto che potresti essere tentato di pensare che più fasi equivalgano a un’erogazione di potenza più fluida. Questo è vero fino a un certo punto. Ad esempio, le schede entry-level di solito hanno una potenza della CPU a tre o quattro fasi, mentre le schede di qualità superiore possono averne da sei a otto. Tuttavia, dove diventa complicato è quando i produttori di schede madri affermano che una scheda ha, ad esempio, un design 16+2, ma potrebbe in realtà utilizzare un duplicatore e avere solo una vera configurazione a 8 fasi.

Un duplicatore ti consente di moltiplicare i benefici delle fasi esistenti senza includere fasi aggiuntive sul tabellone. Il risultato netto è una riduzione del carico complessivo e della generazione di calore simile a quella di un normale circuito multifase, discusso in precedenza, ma solo con una riduzione dell’ondulazione di tensione della metà dei circuiti. Detto questo, tuttavia, il vantaggio complessivo di un numero maggiore di fasi sta diminuendo. Quindi in un certo senso otterrai una scheda madre più affidabile, ma poiché l’hardware di erogazione dell’alimentazione è essenzialmente simile a uno di fase inferiore, probabilmente non eseguirà anche l’overclock.

Inoltre, le fasi multiple hanno anche un altro vantaggio. Supponi di avere una CPU che richiede 100 ampere per funzionare con una singola fase. Quindi, tutti i 100 ampere dovrebbero passare direttamente attraverso quei componenti. Ma con due fasi, solo 50 A passano attraverso ciascuna fase, il che significa che è possibile utilizzare componenti con un rating inferiore e questi componenti sono generalmente più economici. Ciò consente ai produttori di realizzare VRM a 4 fasi a un prezzo molto più economico rispetto, diciamo, se dovessero realizzare un VRM a 2 fasi con componenti di migliore qualità.

La qualità del VRM può influire sulle prestazioni della CPU?

La domanda che la maggior parte degli utenti di computer ha sui VRM è: in che modo il VRM influisce sulle prestazioni del mio sistema? A dire il vero, la qualità di VRM non avrà l’impatto, ad esempio, di una nuova scheda grafica da 600 € sul tuo sistema. Ma la qualità dei tuoi VRM può fare un’enorme differenza quando si tratta di longevità e stabilità del tuo sistema. Condensatori guasti accanto al socket della scheda madre della CPU

Questo perché i VRM realizzati a basso costo possono iniziare a fallire nel tempo e possono portare all’instabilità del sistema e persino a arresti anomali a velocità standard. Inoltre, un VRM di scarsa qualità può rovinare l’erogazione di potenza della scheda madre al punto da danneggiare altri componenti costosi.

E infine, se vuoi iniziare l’overclocking su una scheda madre di scarsa qualità, dì addio a quel sogno, dato che non andrai lontano con un modulo VRM mal progettato. Perché? Perché mentre spingi il tuo PC durante l’overclocking, hai bisogno di un controllo di alto livello quando si tratta di tensioni, che possono essere fornite solo da VRM di qualità superiore.

Come puoi sapere se il tuo VRM è all’altezza del compito?

Devi guardare la tua scheda madre e chiederti, come posso assicurarmi che il mio VRM sia all’altezza del compito di overclocking e non bruci contemporaneamente quando spingo un po’ le tensioni? Decifrare i VRM di una scheda madre può essere un po’ complicato, ma una delle cose più semplici che puoi fare è semplicemente contare il numero di induttanze che vedi sulla scheda madre.

Come abbiamo già accennato, ogni induttanza sulla scheda madre corrisponde a una fase di alimentazione e, di solito, tutte tranne una o due di queste induttanze attorno al socket della CPU sono riservate ai core della CPU. Ciò significa che se hai una scheda madre con molti choke, probabilmente ha un numero di fasi che possono dividere la tensione overcloccata, alleggerendo il carico su ciascuna fase.

Quindi, se hai una scheda madre con tre o quattro fasi per la CPU, è probabilmente una scheda entry-level. Ciò significa che probabilmente non è adatto per chip ad altissime prestazioni. Ma se hai sei, otto o anche più fasi nella tua scheda madre, è probabilmente una scheda di fascia alta che non dovrebbe avere problemi a mantenere stabile il tuo sistema anche sotto carico.

Inoltre, è anche una buona idea vedere se la tua scheda madre è dotata di condensatori a stato solido o condensatori economici a base liquida che contengono liquido conduttore. I condensatori liquidi (elettrolitici) possono causare problemi al sistema se non sono costruiti correttamente. E anche se sono realizzati correttamente, hanno un’alta probabilità di gonfiarsi, rompersi o addirittura esplodere nel tempo.

Dove diventa complicato è quando i produttori affermano che la tua scheda madre ha, ad esempio, un design 16+2, ma la scheda potrebbe in realtà utilizzare duplicatori e ha solo una vera configurazione a 8 fasi. Scoprire la configurazione esatta può richiedere un po’ di investigazione, cercando fonti online che hanno già scavato o cercando i chip PWM e scoprendo quante fasi sono effettivamente classificate per gestire il carico.

Se la fiche ha solo quattro o otto fasi e il board ne dichiara 16, è chiaramente in corso un raddoppio. Per la maggior parte delle persone, non sarà un problema in un modo o nell’altro, ma se stai cercando un serio vantaggio competitivo nell’overclocking, una solida configurazione VRM è fondamentale.

Quindi dovresti preoccuparti se la tua scheda madre ha solo 4 fasi? Beh, dipende dal processore che stai usando. Se si tratta di una moderna CPU di fascia media come un Intel Core-i3/i5 (ottava generazione o successiva) o un processore AMD Ryzen, dovrebbe andare bene. Le CPU sono arrivate a un punto in cui possono fare molto di più con molta meno potenza. E mentre l’industria si sta muovendo verso chip più efficienti dal punto di vista energetico, i giorni delle fasi di alimentazione ad alto numero stanno volgendo al termine. Ma se sei qualcuno che vuole passare a un chip ad alte prestazioni/overclockabile, sarebbe l’ideale se la tua scheda madre avesse un numero maggiore di fasi di alimentazione.

Perché sono necessari buoni VRM per l’overclocking?

Sebbene la quantità di VRM, le loro dimensioni e il numero di fasi di alimentazione supportate dalla scheda madre sia un fattore importante, non ha un enorme impatto sulle prestazioni quotidiane. Tuttavia, è importante per appassionati, giocatori e altri professionisti che desiderano overcloccare la CPU. Questo perché l’overclock grava direttamente sul VRM, poiché l’aumento della tensione è essenziale quando si tratta di overclock hardware. Man mano che sempre più tensione attraversa il sistema, regolarla diventa un compito sempre più difficile.

Questa è la situazione in cui tutto, dal numero di fasi alle dimensioni del dissipatore di calore e alla qualità dei condensatori, inizia a contare. Ed è per questo motivo che l’overclocking di alto livello è riservato solo alle migliori schede madri. Queste schede madri non solo hanno un numero elevato di fasi di alimentazione, ma sono anche costruite con componenti secondari di alta qualità come i condensatori a stato solido che hanno la capacità di sopportare un’elevata quantità di tensione e corrente. Inoltre, queste schede madri sono anche armate fino ai denti con buone configurazioni di raffreddamento, poiché alcune hanno persino un raffreddamento attivo, che include piccole ventole o persino blocchi di raffreddamento a liquido.

VRM: domande frequenti

Come scoprire se la mia scheda madre ha condensatori solidi? Quali sono i suoi vantaggi?

Il metodo più semplice per vedere quali condensatori ha la scheda madre del tuo PC è guardarli fisicamente. Visivamente, i condensatori hanno un aspetto molto diverso in quanto entrambi hanno un design fondamentale. I condensatori a stato solido sono generalmente di dimensioni inferiori rispetto ai condensatori elettrolitici.

Puoi facilmente individuare la differenza nell’immagine comparativa qui sotto, dove la scheda madre nella prima immagine è stata progettata utilizzando solo condensatori a stato solido, e la scheda madre nell’ultima immagine utilizza i condensatori elettrolitici più comuni e meno costosi.

• Condensatori solidi (polimerici).
• Condensatori elettrolitici

come funzionano parti specifiche della scheda madre , controlla la nostra panoramica dettagliata collegata qui.