ماژول تنظیم‌کننده‌ ولتاژ یا VRM چیست و چه اهمیتی در مادربرد دارد

برای بیشتر علاقه‌مندان به کامپیوتر، نکاتی کلیدی در انتخاب مادربرد مناسب وجود دارد، مانند: فرم فاکتور، سازگاری با CPU، پیکربندی رم، درگاه‌های اتصال و توان اورکلاک. با این حال یکی از اجزای اصلی مادربرد که اغلب مورد توجه قرار نمی‌گیرد و حتی در مشخصات دستگاه به آن اشاره نمی‌شود ماژول تنظیم‌کننده ولتاژ (VRM) است، این ماژول مداری الکترونیکی است که وظیفه‌ی پایداری کلی سیستم را به عهده دارد.

برای ارزیابی اهمیت این ماژول، به بررسی عملکرد، اجزا، روش تفکیک بین یک نمونه باکیفیت در مقایسه با نمونه ضعیف و همچنین تأثیر آن بر کارکرد پردازنده می‌پردازیم.

ماژول تنظیم‌کننده‌ روی مادربرد که به‌عنوان منبع تغذیه آن نیز شناخته می‌شود، یک مبدل باک است که ولتاژ را بر اساس نیاز پردازنده، حافظه و سایر قطعات روی مادربرد تنظیم می‌کند. برای درک بهتر می‌توان این ماژول را به‌عنوان منبع تغذیه‌ای کوچک که ولتاژ ۱۲۰ یا ۲۴۰ ولت متناوب را از پریز گرفته و به ولتاژ پایین ۱۲،۵ و ۳٫۳ ولت تبدیل می‌کند، نگاه کرد.

در این رابطه، VRM‌های مادربرد عملکرد مشابهی با منبع تغذیه اصلی (PSU) دارند؛ اما در سطح ثانویه انجام می‌شوند و هدف اصلی آن‌ها تبدیل ولتاژ ورودی ۱۲ ولت از اتصال‌های ۸ و ۴ EPS به ولتاژ عملکرد مناسب برای پردازنده‌های مدرن است که به‌طور معمول در محدوده ۱٫۱ تا ۱٫۵ ولت قرار دارند.

علاوه بر این، VRM‌ها در انتقال ولتاژ یکنواخت به تمامی قطعات پرمصرف کامپیوتر بسیار حائز اهمیت هستند و احتمال وقوع نوسانات و افت ولتاژ را کاهش می‌دهند. به لطف قابلیت‌های تبدیل پایدار آن‌ها، مدارهای تنظیم ولتاژ این امکان را فراهم می‌کنند که نسل‌های مختلفی از پردازنده‌ها با ولتاژهای داینامیک هسته روی چیپست مادربرد سازگار، به‌طور بهینه کار کنند.

شاید به نظر برسد VRMها واحدی مستقل و خودمختار باشند؛ اما در واقع آن‌ها از مجموعه‌ای از اجزای الکترونیکی متمایز تشکیل شده‌اند که در اطراف سوکت پردازنده و اسلات DIMM مادربرد قرار دارند. مدار آن‌ها شامل ترکیبی از سوئیچ‌های ماسفت است که به همراه خازن‌ها، چوک‌ها و کنترل‌کننده‌های PWM کار می‌کنند تا فرایند فازبندی برق را تسهیل کنند.

در ادامه توضیحاتی در رابطه با اجزای اساسی که در تشکیل VRM نقش دارند، آورده شده است:

ماسفت‌ها (ترانزیستورهای فیلد افکت با متال اکسید نیمه‌رسانا) به عنوان دروازه‌های عایق‌دار استفاده می‌شوند که سیگنال‌های الکترونیکی را در مدار تنظیم ولتاژ، تقویت یا ضعیف می‌کنند. به طور ساده‌تر، این نیمه‌رسانا‌ها بر اساس سیگنال‌ها و مقادیر دریافتی از چیپ کنترل‌کننده PWM میزان جریان ورودی به پردازنده را کنترل می‌کنند.

VRM تک‌فاز از دو سوئیچ ماسفت جهت تنظیم میانگین ولتاژ خروجی مدار با کمک تغییر متناوب ولتاژ ورودی استفاده می‌کند؛ از آنجا که مکانیزم سوئیچینگ صدها بار در ثانیه رخ می‌دهد، ماسفت‌ها مقدار زیادی گرما تولید می‌کنند و دمای آن‌ها تحت فشار یا بدون خنک‌کننده مناسب ممکن است به بیش از  ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد برسد.

در نتیجه، این نیمه‌رساناها به طور معمول با هیت‌سینک، فن‌های کوچک یا خنک‌کننده‌های مایع تجهیز می‌شوند تا مشکلات گرمای بیش از حد را کاهش داده و کارایی عملیاتی را بهبود بخشند.

چوک‌ها القاگرهای مکعبی‌شکلی هستند که سیگنال‌های متناوب با فرکانس بالا را به فرکانس‌های پایین‌تر یا جریان مستقیم تبدیل می‌کنند. این قطعه الکترونیکی دارای هسته مغناطیسی حلقوی شکل است که توسط کویل عایق شده و دو هدف را دنبال می‌کند: اولاً، ذخیره، فیلتراسیون و بهبود توان و دوماً، توانایی تنظیم تحویل انرژی مورد نیاز در شرایط حدی مانند اورکلاکینگ یا افزایش ولتاژ.

علاوه بر این، باید توجه داشت که هر چوک به یک فاز توان مادربرد متناظر است؛ هرچه تعداد فازها بیشتر باشد، پایداری انتقال ولتاژ به پردازنده بیشتر خواهد بود.

برخلاف چوک‌ها، خازن‌ها انرژی را درون یک میدان الکتریکی کرده و در صورت نیاز جریان تجمیعی را سریعاً در اختیار مدارهای متصل‌شده قرار می‌دهند. هدف اصلی این اجزای استوانه‌ای‌شکل، جلوگیری از افزایش ناگهانی ولتاژ و کاهش نوسانات است.

در VRMها و فازهای متناظر آن در مادبرد، خازن‌ها به‌عنوان واحد‌های ذخیره‌سازی موقت، جریان الکتریکی دریافتی از چوک‌ها را جمع‌آوری کرده و انرژی مورد نیاز را به پردازنده تحویل می‌دهند. هرگونه بار اضافی از این دستگاه‌ها از طریق پایه گراند مدار جذب یا تخلیه می‌شود.

کنترل‌کننده‌های PWM (مدولاسیون عرض پالس)، پالس‌های PWM را تولید می‌کنند که به اجزای آنالوگ اصلی مدار تنظیم ولتاژ مانند ماسفت‌ها و چوک‌ها هدایت می‌شوند. علاوه بر نظارت، کنترل‌کننده‌های چندفازی توان تحویلی به پردازنده را به‌صورت پویا تنظیم می‌کنند، که باعث می‌شود پردازنده تحت فشار، کارایی خود را حفظ کند.

به‌طور اساسی، کنترل‌کننده PWM ولتاژ مرجع پردازنده را که در بایوس به‌عنوان VRef شناخته می‌شود، دریافت کرده و آن را با ولتاژ فعلی از VRM مادربرد اندازه‌گیری می‌کند؛ هر تفاوتی بین VRef و ولتاژ فعلی باعث می‌شود سیگنال‌ها را تصحیح کرده ولتاژ خروجی را بلافاصله تنظیم کند.

در کنار اجزای اصلی ماژول تنظیم‌کننده ولتاژ، دیودها و مقاومت‌ها نیز استفاده می‌شوند که از جریان الکتریکی ورودی اضافی به این دستگاه محافظت می‌کنند.

پردازنده‌ و کارت گرافیک‌ مدرن امروزی نیاز به سیستم تأمین انرژی بالایی دارند که از قابلیت‌های VRM تک فاز فراتر می‌رود. برای دستیابی به یک روند انتقال نسبتاً پایدار و کارآمد، معمولاً سازندگان مادربرد برای ایجاد یک VRM چندفازی از چندین تبدیل‌کننده‌ی باک به‌صورت موازی استفاده می‌کنند.

برای راه‌اندازی VRM چندفازی بار را به قسمت‌های جدا تقسیم کرده و آن را در منطقه‌ی فیزیکی گسترده‌تری توزیع می‌کنند؛ این رویکرد مدیریت انرژی، ولتاژ ثابت و دقیق را به پردازنده ارائه می‌دهد و تولید حرارت و تنش در اجزای اصلی را کاهش می‌دهد.

وقتی قصد خرید یک مادربرد جدید را دارید، احتمالاً با اصطلاح «طراحی توان فاز» در متن تبیلغاتی آن مواجه خواهید شد که به تخصیص فازها به برد مدار چاپی (PCB) اشاره دارد؛ این مشخصه اغلب توسط تولیدکنندگان به صورت «A+B (۸+۲)» یا «X + Y + Z (۱۶+۲+۲)» معرفی می‌شود. مقدار اول قبل از علامت «+» تعداد فازهای اختصاص داده‌شده به پردازنده را نشان می‌دهد، درحالی‌که ترکیب پس از علامت «+» به سایر اجزای حیاتی روی مادربرد مانند رم، چیپست یا iGPU اشاره دارد.

در مواردی که تعداد واقعی فاز‌های اختصاص داده‌شده به پردازنده بیش از هشت باشد، مانند مشخصاتی که به صورت «۲+۱۸» یا حتی بیشترند، سازندگان مادربرد معمولاً از قطعه‌ای به نام دابلر (doubler) استفاده می‌کنند. به‌طور ساده، دابلر‌های VRM به تولیدکنندگان اجازه می‌دهند که سیگنال‌های کنترلی هر فاز را تقسیم و از نظر کنترلی تعداد فازها را به‌طور مؤثری دو برابر کنند. با این حال، مزایای آن‌ها به اندازه‌ی اضافه کردن فازهای واقعی نیست.

علاوه بر این، اضافه کردن دابلر به یک VRM که ۸ فاز واقعی دارد، بهبودهای قابل توجهی را در فرایند فازبندی توان همراه با هزینه تولید کمتر فراهم می‌کند.

در ارزیابی مادربردها بر اساس کیفیت پیکربندی VRM آن‌ها، چندین عامل مهم وجود دارد؛ حتی اگر قصد اورکلاک کردن پردازنده را نداشته باشید، VRM با طراحی ضعیف می‌تواند مکانیزم تأمین انرژی را به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار دهد و به ناپایداری سیستم، کرش، خطای صفحه آبی و سایر مشکلات منجر شود.

در زیر چگونگی تمایز دادن VRM با پیکربندی سطح بالا و سطح پایین توضیح داده شده است.

طراحی توان فاز (Phase Power): یکی از راه‌های ساده برای تشخیص کیفیت پیکربندی VRM، بررسی تعداد چوک‌های قابل رؤیت روی مادربرد است؛ برای یک چیپست سطح مقدماتی مانند AMD A620، باید ۴ تا ۶ فاز توان را زیر هیت‌سینک مشاهده کنید. در مقابل، مادربرد متوسط یا باکیفیت بالا از تعداد فازهای بسیار بیشتری برای کنترل قطعاتی با نیاز به توان بالا استفاده می‌کند.

خازن‌های مقاوم در برابر نشت (Leak-Resistant): VRMهای باکیفیت از خازن‌های جامد (solid-state) استفاده می‌کنند که به‌طور معمول به‌عنوان «خازن‌های ژاپنی»، «خازن‌های تاریک» یا «خازن‌های Hi-C» شناخته می‌شوند. در مقایسه با خازن‌های الکترولیتی، خازن‌های جامد نرخ تحمل بالاتری دارند و کمتر به خراب می‌شوند.

چوک‌های آلیاژی باکیفیت (Alloy Chokes): توصیه می‌شود مادبردی را خریداری کنید که از چوک‌های SFC (Super Ferrite Chokes) یا چوک‌های آلیاژی با کیفیت بالا استفاده می‌کند؛ زیرا این چوک‌ها مصرف برق کمتری دارند، به خوردگی مقاوم‌اند و تداخلات الکترومغناطیسی کمتری تولید می‌کنند.

قبل از خرید مادربرد می‌توانید مشخصات فنی و قیمت مادربرد مورد نظر خود را با رقبای آن در بخش محصولات زومیت مقایسه کنید.

اساساً، مفهوم VRM می‌تواند بسیار پیچیده باشد، زیرا شامل مجموعه‌ای از اصطلاحات فنی مانند ماسفت‌ها، چوک‌ها، خازن‌ها و کنترل‌کننده‌های PWM است که شاید برای همه آشنا نباشد. با وجود این پیچیدگی‌ها، VRMها به‌عنوان یک جزء اصلی برای انتقال بهینه ولتاژ به پردازنده و سایر اجزای اساسی در کامپیوتر عمل می‌کنند.