ماژول تنظیم‌کننده‌ ولتاژ یا VRM چیست و کاربرد آن

یکی از بخش‌های حساس و مهم در مادربردها، ماژول تنظیم‌کننده‌ ولتاژ یا همان VRM است. اما مدار VRM چیست و از چه نظر حائز اهمیت است؟ دلیل اصلی مانور شرکت‌ها بر روی ویژگی های مدار ولتاژ رگولاتور ماژول چیست؟ در ادامه این نوشتار از شهر سخت افزار ضمن پاسخ به تمامی این پرسش‌ها، به بررسی مدار تغذیه VRM خواهیم پرداخت.

در قطعات الکترونیکی مانند مادربرد تنظیم ولتاژ برق مدار بسیار مهم بوده تا از مادربرد و اجزای آن در برابر نوسان ولتاژ برق محافظت کند. بیشتر کاربران در انتخاب مادربرد به نکات کلیدی مانند فرم فاکتور، سازگاری با پردازنده، پیکربندی حافظه رم، درگاه‌های اتصال و توان اورکلاک توجه دارند.

فهرست مطالب این مقاله:

- ماژول تنظیم کننده ولتاژ چیست؟
- اجزای مدار VRM مادربرد
- مفهوم VRM های چند فازی روی مادربرد
- روش تشخیص مدار VRM با کیفیت
- جمع بندی و پاسخ به سوالات پرتکرار

اما یکی دیگر از اجزای مادربرد که اغلب کاربران بدان توجه نداشته و حتی اطلاعات چندانی از آن در مشخصات مادربرد وجود ندارد، ماژول تنظیم‌کننده ولتاژ (VRM) است. این ماژول را می‌توان یکی از حیاتی‌ترین اجزای مادربرد به حساب آورد که وظیفه‌ تامین پایدار انرژی کل سیستم را به عهده دارد.

به همین خاطر در ادامه این نوشتار از شهر سخت افزار به بررسی اهمیت مدار تنظیم کننده ولتاژ، عملکرد و اجزای آن پرداخته و از روش تفکیک بین یک نمونه باکیفیت در مقایسه با نمونه بی‌کیفیت این ماژول و همچنین تأثیر آن بر کارکرد پردازنده برای شما خواهیم گفت.

ماژول تنظیم‌کننده‌ ولتاژ چیست؟

ماژول تقویت کننده ولتاژ که به عنوان منبع تغذیه مادربرد نیز شناخته می‌شود؛ در واقع به عنوان یک رگولاتور عمل کرده و ولتاژ را بر اساس نیاز پردازنده، حافظه و سایر قطعات روی مادربرد تنظیم می‌کند. به عبارت ساده‌تر ماژول های ولتاژ مانند یک آداپتور کوچک عمل می‌کنند.

آداپتورها برق ۱۲۰ یا ۲۴۰ ولت متناوب را از پریز گرفته و به ولتاژ ۱۲ یا ۳.۳ ولت تبدیل می‌کنند. VRM‌های مادربرد عملکرد مشابهی با منبع تغذیه یا همان PSU داشته و به عنوان منبع تغذیه دوم عمل می‌کنند.

هدف این ماژول‌ها دریافت ولتاژ ورودی ۱۲ ولت از کانکتور 4 یا 8 پین EPS و تبدیل آن به ولتاژ مناسب برای پردازنده‌های مدرن امروزی است که معمولاً در محدوده ۱.۱ تا ۱.۵ ولت فعالیت می‌کنند.

علاوه بر این نقش VRM‌ها در انتقال ولتاژ یکنواخت به تمامی قطعات پرمصرف کامپیوتر، از مادربرد گرفته تا کارت گرافیک بسیار مهم است. این ماژول‌ها احتمال وقوع نوسانات و افت ولتاژ را به حداقل می‌رسانند.

به لطف وجود ماژول کاهنده و افزاینده ولتاژ است که می‌توان نسل‌های مختلفی از پردازنده‌ها را با ولتاژهای کاری مختلف روی مادربرد استفاده کرد و با چیپست مادربرد سازگار نمود تا در بهینه‌ترین حالت کار کنند.

اجزای مدار VRM مادربرد

VRMها علیرغم ظاهر مستقل خود شامل مجموعه‌ای از اجزای الکترونیکی متمایز هستند که در اطراف سوکت پردازنده و اسلات DIMM مادربرد قرار گرفته‌اند. مدار VRM ترکیبی از سوئیچ‌های ماسفت بوده که در کنار خازن‌ها، چوک‌ها و کنترل‌کننده‌های PWM به فازبندی و ارائه ولتاژ مناسب پردازنده و حافظه رم می‌پردازند. در ادامه به اجزای اساسی تشکیل‌دهنده ولتاژ رگولاتور ماژول پرداخته‌ایم.

ماسفت‌ها

ماسفت به زبان ساده نوعی ترانزیستور محسوب می‌شود و از سه پایه شامل: گیت (Gate)، درین (Drain) و سورس (Source) به همراه اتصال بدنه تشکیل شده است. این قطعات الکترونیکی کوچک به عنوان گیت‌های عایق‌دار استفاده می‌شوند که سیگنال‌های الکترونیکی را در مدار تنظیم ولتاژ، تقویت یا ضعیف می‌کنند.

به زبان ساده این ماسفت‌ها هستند که بر اساس سیگنال‌ها و مقادیر دریافتی از چیپ کنترل‌کننده PWM میزان جریان ورودی به پردازنده یا حافظه رم را کنترل می‌کنند. VRM های تک‌فاز از دو سوئیچ ماسفت برای تنظیم میانگین ولتاژ خروجی مدار بهره می‌برند.

مکانیزم باز و بسته شدن سوئیچ‌ها صدها بار در ثانیه رخ می‌دهد و همین امر باعث می‌شود تا دمای ماسفت‌ها بالا رفته و گرمای زیادی تولید کنند. حتی ممکن است دمای آنها بدون وجود خنک‌کننده به ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد برسد.

بنابراین سازندگان سخت‌افزار ماسفت‌ها را به هیت‌سینک، فن‌های کوچک یا خنک‌کننده‌های مایع مجهز می‌کنند تا مشکلات مربوط به دمای بیش از حد آنها را کاهش دهند و کارآیی ماسفت‌ها را تا حد ممکن بهبود بخشند.

چوک‌ها

به طور کلی چوک‌ها را می‌توان نوعی القاگرهای مکعبی‌ شکل دانست که سیگنال‌های متناوب با فرکانس بالا را به فرکانس‌های پایین‌تر یا جریان مستقیم تبدیل می‌کنند. در ساختار این قطعه الکترونیکی می‌توان یک هسته مغناطیسی حلقوی شکل مشاهده کرد که توسط کویل عایق شده است.

چوک ها در ابتدا وظیفه ذخیره‌سازی انرژی، فیلتراسیون و بهبود توان را برعهده داشته و پس از آن به تنظیم تحویل انرژی مورد نیاز در شرایط مختلف کاری مانند اورکلاک یا افزایش ولتاژ خواهند پرداخت. همچنین وجود هر چوک روی مادربرد به یک فاز از ماژول تنظیم‌کننده‌ ولتاژ اشاره دارد و طبیعتاً هر چه تعداد فازها بیشتر باشد، ولتاژ یکدست و پایداری تحویل پردازنده خواهد شد.

خازن‌ها

در کنار چوک‌ها باید به خازن‌ها نیز اشاره کرد که انرژی را در قالب یک میدان الکتریکی درون خود ذخیره کرده و در صورت نیاز در اختیار مدارهای متصل‌شده قرار می‌دهند. هدف از استفاده از خازن‌ها در مدار ولتاژ رگولاتور ماژول جلوگیری از افزایش یا کاهش ناگهانی ولتاژ و کاهش نوسانات است.

خازن‌ها در ولتاژ رگولاتور ماژول ها نقش کلیدی داشته و جریان الکتریکی دریافتی از چوک‌ها را درون خود جمع‌آوری کرده و انرژی مورد نیاز را به پردازنده تحویل می‌دهند. در نتیجه آن بارهای اضافی در مدار VRM از طریق خازن جذب یا تخلیه می‌شود.

کنترل‌کننده‌های PWM

هر خروجی ولتاژ بوسیله یک IC با نام کنترلر PWM کنترل می‌شود. کنترل‌کننده‌های PWM سیگنال‌هایی را به اجزای آنالوگ اصلی مدار تنظیم ولتاژ مانند ماسفت‌ها و چوک‌ها ارسال کرده و آنها را کنترل می‌کنند.

این IC ها در هر مادربرد و برای هر سطح ولتاژی تعبیه شده‌اند. به عنوان مثال یک PWM برای CPU، یکی برای حافظه ها و دیگری برای چیپست تعبیه شده و علاوه بر نظارت، توان تحویلی به پردازنده را به‌صورت داینامیک تنظیم می‌کنند تا پردازنده بتواند تحت فشار، کارایی خود را حفظ کند.

به صورت کلی می‌توان گفت که کنترل‌کننده PWM ولتاژ مرجع پردازنده را دریافت کرده که ما آن در بایوس به‌عنوان VRef مشاهده می‌کنیم. سپس PWM ولتاژ فعلی مدار VRM مادربرد را اندازه‌گیری کرده و آن را با ولتاژ مرجع تطابق می‌دهد.

هر تفاوتی بین VRef و ولتاژ فعلی مدار VRM باعث می‌شود که PWM سیگنال‌ها را تصحیح کرده ولتاژ خروجی را تنظیم کند. در انتهای این بخش باید گفت که در کنار اجزای فوق دیودها و مقاومت‌ها نیز قرار گرفته‌اند تا همه در کنار هم در قالب VRM از جریان الکتریکی ورودی اضافی به مادربرد محافظت کنند.

مفهوم VRMهای چندفازی روی مادربرد

پردازنده‌ و کارت گرافیک‌ مدرن امروزی انرژی بالایی نیاز دارند که از عهده VRM تک فاز خارج است. بنابراین سازندگان مادربرد برای داشتن یک جریان پایدار و کارآمد به جای یک ماژول از VRM چندفازی به صورت موازی استفاده می‌کنند.

در واقع در VRM چندفازی، جریان یا بار به چند قسمت تقسیم شده و از مسیرهای مختلف به سمت پردازنده یا پردازنده گرافیکی می‌روند تا علاوه بر بهره‌مندی از چند ماژول VRM شاهد توزیع جریان در منطقه فیزیکی بزرگ و کاهش حرارت و دمای بُرد باشیم.

مادربردهای جدید از مفهوم طراحی توان فاز بهره می‌برند که به تخصیص فازها به برد مدار چاپی (PCB) اشاره دارد. «طراحی توان فاز» به صورت یک عبارت A+B مانند 2+8 یا X+Y+Z مانند 2+2+16 نشان داده می‌شود. اما این اعداد در مادربرد به چه معناست؟

معمولاً اولین عدد که از همه بزرگتر است به تعداد فازهای اختصاص داده‌شده به پردازنده اشاره دارد و اعداد بعدی به فازهای مدار VRM برای حافظه رم یا چیپست اشاره دارد. در مواردی که تعداد فاز‌های اختصاص داده‌شده به پردازنده بیش از هشت باشد، سازندگان مادربرد معمولاً از قطعه‌ای به نام دابلر (doubler) استفاده می‌کنند.

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. اضافه کردن دابلر به یک ولتاژ رگولاتور ماژول که ۸ فاز واقعی دارد، بهبودهای قابل توجهی را در فرایند فازبندی توان همراه با هزینه تولید کمتر فراهم می‌کند.

روش تشخیص مدار VRM با کیفیت در مقایسه با نمونه ضعیف

اما برای ارزیابی مادربردها از نظر کیفیت پیکربندی ماژول تنظیم‌کننده‌ ولتاژ، باید چندین عامل مهم را در نظر گرفت. اگر به دنبال اورکلاک سیستم خود نباشید، باید به VRM اهمیت دهید. چرا که یک VRM ضعیف می‌تواند مشکلاتی در زمینه تامین انرژی پایدار به وجود آورده و به سیستم شما آسیب بزند. اما درباره شناسایی مدار VRM باکیفیت به چه نکاتی باید توجه کرد؟ در ادامه به چگونگی تمایز دادن مدار VRM با پیکربندی سطح بالا و سطح پایین اشاره شده است:

طراحی توان فاز (Phase Power): یکی از راه‌های ساده برای تشخیص کیفیت پیکربندی VRM، بررسی تعداد چوک‌های روی مادربرد است. در ضعیف‌ترین مادربردها که از چیپست AMD سری 6 استفاده می‌کنند باید بتوانید حداقل ۴ تا ۶ فاز توان را مشاهده کنید. این رقم در مادربردهای متوسط یا باکیفیت بالا از 10 فاز بیشتر خواهد بود تا بتوان نسبت به کنترل قطعاتی با توان بالا استفاده کرد.

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 دیرتر خراب می‌شوند.

چوک‌های آلیاژی باکیفیت (Alloy Chokes): مادربردهای خوب از چوک‌های SFC (Super Ferrite Chokes) یا چوک‌های آلیاژی با کیفیت بالا استفاده می‌کنند. این چوک‌ها مصرف برق کمتری داشته و نسبت به خوردگی مقاوم‌اند و تداخل الکترومغناطیسی کمتری دارند.

جمع‌بندی و پاسخ به سوالات پرتکرار

توضیح مفهوم مدار VRM تا حدودی پیچیده است. این مدارها شامل مجموعه‌ای از اصطلاحات فنی مانند ماسفت‌ها، چوک‌ها، خازن‌ها و کنترل‌کننده‌های PWM است که فهم عملکرد آنها برای همه دشوار است.

اما چیزی که باید بدانیم این است که ولتاژ رگولاتور ماژول ها به‌عنوان یک جزء اصلی برای انتقال بهینه ولتاژ به پردازنده و سایر اجزای اساسی در سیستم عمل می‌کنند. در مطلب فوق به معرفی ماژول تنظیم‌کننده‌ ولتاژ و اجزای آن پرداخته و نحوه تشخیص یک VRM با کیفیت را برای شما بیان کردیم.

VRM به چه معناست؟

VRM که به عنوان منبع تغذیه مادربرد نیز شناخته می‌شود؛ در واقع به عنوان یک رگولاتور عمل کرده و ولتاژ را بر اساس نیاز پردازنده، حافظه و سایر قطعات روی مادربرد تنظیم می‌کند.

آیا VRM برای بازی مهم است؟

بله. گیمرهایی که به اورکلاک پردازنده یا کارت گرافیک برای بالا بردن سرعت بازی‌ها متوسل می‌شوند باید از مادربرد یا کارت گرافیک مجهز به ماژول VRM قدرتمند استفاده کنند.

VRM روی GPU چیست؟

مدار VRM در کارت گرافیک نیز وظیفه تامین انرژی پایدار برای پردازنده گرافیکی و حافظه‌های متصل به آن را بر عهده دارد و عدم توجه به آن می‌تواند موجب آسیب به کارت گرافیک خصوصاً در هنگام اورکلاک سیستم شود.

کیفیت VRM چیست؟

ماژول‌های VRM از کیفیت‌های مختلفی در ساخت قطعات الکترونیکی بهره می‌برند و یک سیستم مجهز به VRM با کیفیت نشانه‌هایی دارد که در مطلب فوق بدان اشاره شده است.