O que é um VRM em placas-mãe e por que é importante?

Se você já se interessou pela atividade de culto que é o overclock da CPU, um dos termos que você deve encontrar é VRM. O termo é onipresente na comunidade de PCs, mas quase ninguém dentro ou fora da comunidade realmente sabe como ele funciona. O VRM é uma daquelas coisas que as pessoas sabem que é crucial para a operação de seus PCs, mas parece tão misterioso que qualquer investigação adicional seria muito incômoda. É por isso que fizemos a pesquisa necessária e criamos este explicador para dizer o que é VRM na placa-mãe, como funciona e como afeta o desempenho da CPU.

Motherboard VRM: Explicado (2022)

Neste artigo, exploraremos tudo o que há para saber sobre VRMs e explicaremos por que eles são tão importantes. Veremos como a tarefa do VRM, embora simples, é essencial, pois é fundamental para garantir a estabilidade do sistema. Em outras palavras, vale a pena saber mais sobre o VRM e como ele funciona.

Além disso, também veremos como diferenciar entre um VRM de boa qualidade e um ruim. A ideia por trás disso seria criar uma ideia básica do que constitui uma boa configuração de VRM, para que você saiba o que procurar na próxima vez que comprar uma placa-mãe . Índice

O que significa VRM?

Antes de nos aprofundarmos no funcionamento do VRM, é essencial entender o que é e o que significa o termo. O termo significa “módulo regulador de tensão” e ele descreve um circuito eletrônico que regula e converte tensões para atender aos requisitos da CPU, memória e GPU. Pode ser útil pensar nos VRMs como uma espécie de mini fonte de alimentação, assim como a fonte de alimentação principal do seu computador que tira 120 ou 240 volts da parede e reduz para 12 volts de corrente contínua.

De certo modo, o VRM da placa-mãe faz exatamente isso, mas pela segunda vez. Ele pega a saída de 12 volts (CC) da fonte de alimentação e a converte em cerca de 1 V para uma GPU ou 1,4 V para uma CPU. A outra tarefa importante do VRM é fornecer essa tensão de forma constante, sem picos e quedas, pois isso pode afetar a estabilidade de todo o computador.

Componentes principais do VRM

Na imagem acima, você pode ver a arquitetura do VRM em uma placa-mãe moderna. Ele inclui três elementos principais: MOSFETs, bobinas e capacitores. A maioria deles geralmente está localizada sob dissipadores de calor que cercam o soquete da CPU e são bastante difíceis de detectar. Esses componentes principais são acompanhados por diodos e resistores, que garantem que a corrente elétrica que chega a esses componentes não ultrapasse determinados valores.

Como funcionam os VRMs da placa-mãe?

O princípio chave no qual os circuitos de regulação de tensão se baseiam é a capacidade de reduzir a tensão média de saída de um circuito ligando e desligando uma tensão de entrada. Assim, por exemplo, se você tiver uma entrada de 12 Vcc de sua fonte de alimentação e ligá-la e desligá-la por um período de tempo igual, a tensão média será de 6 Vcc.

Mas para atingir uma tensão média relativamente estável, isso precisa acontecer várias centenas de vezes por segundo. A comutação em quase todos os casos é conseguida através de um circuito MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal) relativamente simples. Mas, como veremos na próxima seção, o MOSFET não funciona sozinho, mas sim em conjunto com outras unidades como indutores, capacitores e controladores PWM para dar à CPU a potência mais estável possível.

Componentes do VRM na placa-mãe

MOSFETs

O primeiro componente que veremos é o MOSFET, que é essencialmente uma porta isolada, uma espécie de chave usada para amplificar ou minimizar sinais eletrônicos. O que ele faz na prática é regular a passagem de corrente, dependendo do sinal e valor enviado pelo chip controlador PWM, que é responsável por gerenciar as fases de alimentação e balancear os sinais (mais sobre isso adiante).

Para ilustrar melhor esse processo, podemos observar o diagrama abaixo. Um circuito VRM básico consiste em dois MOSFETs, que nesta situação são basicamente apenas interruptores, um indutor e um diodo.

O design dos MOSFETs VRM pode variar, mas todos eles têm a mesma função, então achamos que não é necessário nos aprofundarmos e começarmos a explicar um pouco de engenharia elétrica avançada. No entanto, se você quiser uma discussão mais detalhada da função de cada componente, vá para a página de explicação do VRM do WikiChip. A parte importante que você precisa saber é que a conversão de tensão começa no MOSFET, e é aqui que ocorre a maior parte da carga de trabalho. Uma representação de um circuito VRM

Mas, para explicar brevemente, o circuito VRM usa dois interruptores MOSFET para controlar a quantidade de tensão que passa para a CPU. Quando a primeira chave (MOSFET de lado alto) é fechada, a tensão na entrada do indutor se torna 12V. Isso faz com que a corrente comece a fluir através do indutor, que é essencialmente uma bobina de fio em torno de um núcleo magnético – aumentando lentamente a tensão de saída.

Então, uma vez que a voltagem desejada para a CPU ou GPU é atingida, a chave é fechada, o que significa que a entrada para o afogador se torna zero. À medida que o fornecimento elétrico para o indutor diminui, a carga magnética ao redor dele se dissipa, induzindo uma tensão na direção oposta (aumentando a tensão de saída em vez de cancelá-la), que cai lentamente com o tempo. Este processo, quando repetido várias dezenas de vezes por segundo, nos dá um aumento e uma diminuição relativamente constantes na tensão (como visto na figura da tensão). A abertura e o fechamento do MOSFET criam uma tensão estável

A outra coisa que devemos ter em mente sobre os MOSFETS é que toda vez que liga ou desliga, gera calor, que pode estar acima de 150 graus Celsius. Isso significa que, à medida que você empurra os MOSFETs cada vez mais até o limite, eles tendem a esquentar muito. Esse calor importa? Simplificando, ele faz.

Se os MOSFETs VRM esquentarem demais, isso afeta a resistência do semicondutor, o que leva a uma queda na eficiência e, a partir daí, é um loop sem fim que só vai gerar mais calor. E esta é a principal razão pela qual a maioria dos MOSFETs em placas-mãe modernas são cobertas por soluções de resfriamento como dissipadores de calor ou ventiladores em miniatura.

estrangulamentos

A próxima parte dos VRMs que veremos é chamada Chokes . São indutores de forma cúbica (embora nem sempre) normalmente feitos de metal, que são responsáveis por converter sinais de corrente alternada (CA) em frequências mais baixas ou corrente contínua (CC) para estabilizar a tensão que sai do MOSFET. O que isto significa?

Essencialmente, um indutor pega a energia de alta frequência (12V) proveniente do PWM e a transforma em uma frequência estável (1,2-1,4V), de modo que se torna utilizável pela CPU e outros componentes. Então, em essência, ele serve a duas funções. Primeiro, para armazenar e filtrar a energia e, em segundo lugar, para controlar a qualidade geral da energia. Estrangulamentos sem capa protetora

Como os chokes desempenham um papel importante na qualidade da energia fornecida à placa-mãe, eles são essenciais para decidir a capacidade de overclock. Quanto melhores os choques, maior a capacidade da placa-mãe de suportar overclocking. Além disso, cada estrangulamento em uma placa-mãe também representa uma fase de alimentação. E como regra geral, quanto maior o número de fases em uma placa-mãe, mais estável a tensão (mais sobre isso mais tarde).

Capacitores

O último componente analógico central do VRM que iremos explorar é o Capacitor. É um componente elétrico comum usado em muitos dispositivos eletrônicos para armazenar energia em um campo elétrico e, quando necessário, pode descarregar essa energia no circuito ao qual está conectado. Ele age como uma bateria em certo sentido, mas tem maior capacidade de armazenamento por sua capacidade de produzir rapidamente toda a sua energia. Capacitores vêm em vários tamanhos

Para um VRM e suas fases de energia correspondentes, ele serve ao mesmo propósito. Os capacitores têm duas funções principais no funcionamento do VRM. A primeira é acumular corrente elétrica, e a segunda é armazenar e prevenir surtos de tensão e reduzir ondulações no circuito eletrônico. A ideia é armazenar a corrente recebida da bobina e fornecer a quantidade certa de energia exigida pela CPU, o restante é descarregado ou liberado via terra.

Isso significa que o capacitor não é apenas uma parte importante do VRM, mas sim uma necessidade existencial. Por isso, para qualquer VRM ser considerado bom, certamente ele teria que utilizar capacitores de alto padrão e qualidade. Normalmente, os capacitores de alta qualidade são marcados como capacitores sólidos, capacitores Hi-C e muito mais. Na geração moderna de placas-mãe, os capacitores de estado sólido são a forma dominante de capacitores e suplantaram principalmente os eletrolíticos.

Mas nem sempre foi assim. No final dos anos 1990 e início dos anos 2000, muitas placas-mãe, principalmente de fabricantes taiwaneses, tiveram taxas de falha acima do esperado de capacitores não sólidos. Isso ocorreu em grande parte devido à composição do eletrólito que causava corrosão, levando a altos níveis de geração de gás, que frequentemente causavam a explosão dos capacitores. Isso era conhecido como a praga do capacitor do início dos anos 2000 e é infame na comunidade de PCs. Embora o problema fosse muito complicado, com toda uma série de controvérsias, desde espionagem industrial até corrupção, sua maior implicação foi que a indústria mudou gradualmente de capacitores alcalinos para capacitores de estado sólido.

Controlador PWM

Agora que discutimos os principais componentes analógicos dos VRMs, agora é hora de passar para a parte do circuito que controla o fluxo de eletricidade chamada controlador PWM (modulação por largura de pulso). Este controlador fornece os pulsos PWM, que são então alimentados na parte analógica do circuito – MOSFETs, Chokes, etc. controlador PWM

Esses controladores PWM, no entanto, não são dispositivos simples que apenas disparam um pulso fixo. Em vez disso, eles próprios são circuitos integrados bastante complexos. Alguns controladores, particularmente os mais sofisticados, possuem sistemas de controle de múltiplas fases e também cuidam de outra função crucial do VRM, ou seja, monitoramento. Além disso, como a voltagem da CPU ou GPU nunca é verdadeiramente constante, o chip faz muito trabalho para reduzir ou aumentar regularmente a potência necessária para ser mais eficiente.

Então, como ele sabe quanta energia enviar? Simplificando, ele faz isso formando um loop de feedback entre a CPU e o PWM. O controlador PWM pega a tensão de referência (VREF) da CPU, encontrada nas configurações do BIOS da placa-mãe, e a alimenta constantemente no VRM. Essa tensão é então medida com a tensão atual e, se houver uma diferença entre o VREF e a tensão real, o controlador PWM modifica o sinal para trazer a tensão de saída de volta à linha.

Esse processo era, até uma década atrás, feito principalmente por PWMs analógicos, mas na maioria das vezes foi substituído por PWMs digitais hoje. A vantagem dos PWMs digitais é que eles abrem o microcontrolador para considerar uma gama muito maior de outras variáveis e parâmetros em seus cálculos de correção de tensão. Podem ser sensores de temperatura, configurações do BIOS e outros valores armazenados. A desvantagem dos controladores PWM digitais é que eles são mais caros e complexos de configurar. Placas-mãe modernas usam quase exclusivamente PWMs digitais para fornecimento de energia de CPU e memória, mas PWMs analógicos às vezes são usados para partes menos críticas de uma placa.

Quais são as fases de energia de uma placa-mãe?

Como a ativação e desativação do sinal elétrico pelo MOSFET é normalmente feita várias centenas de vezes por segundo, a tensão pode flutuar mais do que a CPU pode tolerar. E como ele já está operando em uma velocidade tão alta, não é prático tentar mudar muito mais rápido do que isso. Portanto, na busca por uma melhor estabilidade, o que precisamos não é de MOSFETs mais rápidos, mas de mais deles em quantidade. Múltiplas fases VRM significam que a tensão de saída pode ser aumentada mais regularmente do que com uma única fase

Um único circuito VRM pode ser eficaz o suficiente para certas aplicações, mas para garantir uma entrega de tensão tão suave quanto possível, você pode ter vários VRMs em paralelo, criando o que já mencionamos – um VRM multifásico (a imagem acima representa um circuito multifásico). -fase VRM). Como é que isso funciona?

No diagrama acima, você pode ver que, se cada fase do VRM for escalonada da maneira correta, as fases distribuem a carga de energia por um número maior de componentes. Isso não apenas fornece à CPU ou GPU uma potência mais suave, pois o tempo entre os pulsos de energia pode ser reduzido, mas também ajuda a reduzir a produção de calor e o estresse nos componentes.

Muitas vezes você verá fabricantes de placas-mãe anunciarem um grande número de fases em um formato A+B, como 8+3 ou 6+2. Então o que isso quer dizer? Em teoria, é bastante simples. O primeiro número é o número de fases dedicadas à CPU, enquanto o segundo é o número de fases dedicadas a outras partes da placa-mãe como a memória.

Motherboard AsRock Z490 com 16 fases de alimentação (créditos: ASrock)

É neste contexto que você pode ficar tentado a pensar que mais fases equivalem a uma entrega de energia mais suave. Isso é verdade até certo ponto. Por exemplo, as placas de nível básico geralmente têm potência de CPU trifásica ou quadrifásica, enquanto as placas de qualidade superior podem ter de seis a oito. No entanto, onde fica complicado é quando os fabricantes de placas-mãe dizem que uma placa tem, por exemplo, um design 16+2, mas pode na verdade estar usando um duplicador e ter apenas uma configuração verdadeira de 8 fases.

Um dobrador permite que você multiplique o benefício das fases existentes sem incluir fases adicionais no quadro. O resultado líquido é uma redução semelhante na carga geral e na geração de calor como um circuito multifásico normal, discutido acima, mas apenas com uma redução de ondulação de tensão de metade dos circuitos. Dito isso, porém, o benefício geral de um número maior de fases está diminuindo bastante. Portanto, você obterá uma placa-mãe mais confiável em certo sentido, mas como o hardware de fornecimento de energia é essencialmente semelhante a uma fase inferior, provavelmente não fará overclock também.

Além disso, múltiplas fases também têm outro benefício. Digamos que você tenha uma CPU que exija 100 amperes para funcionar com uma única fase. Portanto, todos os 100 amperes teriam que passar diretamente por esses componentes. Mas com duas fases, apenas 50A passa por cada fase, o que significa que componentes com classificação mais baixa podem ser usados, e esses componentes geralmente são mais baratos. Isso permite que os fabricantes façam VRMs de 4 fases a uma taxa muito mais barata do que, digamos, se tivessem que fazer um VRM de 2 fases com componentes de melhor qualidade.

A qualidade do VRM pode afetar o desempenho da CPU?

A pergunta que a maioria dos usuários de computador tem sobre VRMs é – Como o VRM afeta o desempenho do meu sistema? Verdade seja dita, a qualidade do VRM não terá o impacto de, por exemplo, ter uma nova placa gráfica de 600€ no seu sistema. Mas a qualidade dos seus VRMs pode fazer uma grande diferença quando se trata da longevidade e estabilidade do seu sistema. Capacitores com falha ao lado do soquete da placa-mãe da CPU

Isso ocorre porque os VRMs fabricados com baixo custo podem começar a falhar com o tempo e podem levar à instabilidade do sistema e até travar em velocidades de estoque. Além disso, um VRM de baixa qualidade pode atrapalhar o fornecimento de energia de sua placa-mãe a ponto de danificar outros componentes caros.

E, finalmente, se você quiser começar a fazer overclock em uma placa-mãe de má qualidade, diga adeus a esse sonho, pois você não irá longe com um módulo VRM mal projetado. Por que? Porque conforme você força seu PC durante o overclock, você precisa de um controle de alto nível quando se trata de tensões, que só podem ser fornecidas por VRMs de alta qualidade.

Como você pode saber se o seu VRM está à altura da tarefa?

Você deve estar olhando para sua placa-mãe e se perguntando, como posso ter certeza de que meu VRM está pronto para a tarefa de overclock e não entrará em combustão simultaneamente quando eu aumentar um pouco as tensões? Decifrar os VRMs de uma placa-mãe pode ser um pouco complicado, mas uma das coisas mais fáceis que você pode fazer é apenas contar o número de bobinas que você vê na placa-mãe.

Como já mencionamos, cada estrangulamento em sua placa-mãe corresponde a uma fase de energia e, geralmente, todos, exceto um ou dois desses estrangulamentos ao redor do soquete da CPU, são reservados para os núcleos da CPU. Isso significa que se você tem uma placa-mãe com muitas bobinas, provavelmente ela tem várias fases que podem dividir a tensão do overclock, aliviando a carga em cada fase.

Portanto, se você tem uma placa-mãe com três ou quatro fases para o processador, provavelmente é uma placa básica. Isso significa que provavelmente não é adequado para chips de desempenho ultra-alto. Mas se você tiver seis, oito ou até mais fases em sua placa-mãe, provavelmente é uma placa de ponta que não deve ter problemas para manter seu sistema estável mesmo sob carga.

Além disso, também é uma boa ideia verificar se sua placa-mãe vem equipada com capacitores de estado sólido ou capacitores líquidos baratos que contêm líquido condutor. Capacitores líquidos (eletrolíticos) podem causar problemas ao sistema se não forem construídos corretamente. E mesmo que sejam feitos corretamente, eles têm uma grande chance de inchar, romper ou até explodir com o tempo.

O que fica complicado é quando os fabricantes dizem que sua placa-mãe tem, por exemplo, um design 16+2, mas a placa pode na verdade estar usando dobradores e possui apenas uma configuração verdadeira de 8 fases. Descobrir a configuração exata pode exigir um pouco de investigação, seja pesquisando fontes on-line que já fizeram a escavação ou pesquisando os chips PWM e descobrindo quantas fases são realmente classificadas para lidar com a carga.

Se o chip tiver apenas quatro ou oito fases e o tabuleiro reivindicar 16, claramente alguma duplicação está acontecendo. Para a maioria das pessoas, não será uma preocupação de uma forma ou de outra, mas se você está procurando uma vantagem competitiva séria em overclocking, uma configuração robusta de VRM é crucial.

Então você deveria se preocupar se sua placa-mãe tiver apenas 4 fases? Bem, depende de qual processador você está usando. Se for uma CPU moderna de gama média, como um processador Intel Core-i3/i5 (8ª geração ou posterior) ou um processador AMD Ryzen, tudo bem. As CPUs chegaram a um ponto em que podem fazer muito mais com muito menos energia. E como a indústria está se movendo em direção a chips mais eficientes em termos de energia, os dias das fases de alta numeração de energia estão chegando ao fim. Mas se você é alguém que deseja atualizar para um chip de alto desempenho/overclock, seria ideal se sua placa-mãe tivesse um número maior de fases de alimentação.

Por que bons VRMs são necessários para overclocking?

Embora a quantidade de VRMs, seu tamanho e o número de fases de energia suportadas por sua placa-mãe sejam um fator importante, isso não tem um grande impacto no seu desempenho diário. No entanto, é importante para entusiastas, jogadores e outros profissionais que desejam fazer overclock de sua CPU. Isso ocorre porque o overclocking sobrecarrega diretamente o VRM , pois aumentar a tensão é essencial quando se trata de overclocking de hardware. À medida que mais e mais tensão passa pelo sistema, regulá-la torna-se uma tarefa cada vez mais difícil.

Esta é a situação em que tudo, desde o número de fases até o tamanho do dissipador de calor e a qualidade dos capacitores, começa a importar. E é por esse motivo que o overclock de alto nível é reservado apenas para as melhores placas-mãe. Essas placas-mãe não apenas têm um grande número de fases de energia, mas também são construídas com subcomponentes premium, como capacitores de estado sólido que têm a capacidade de suportar uma grande quantidade de tensão e corrente. Além disso, essas placas-mãe também estão equipadas até os dentes com boas configurações de resfriamento, já que algumas até têm resfriamento ativo, que inclui pequenos ventiladores ou até mesmo blocos de resfriamento líquido.

VRMs: perguntas frequentes

Como descobrir se minha placa-mãe tem capacitores sólidos? Quais são suas vantagens?

O método mais fácil de ver quais capacitores a placa-mãe do seu PC possui é visualizá-los fisicamente. Visualmente, os capacitores parecem muito diferentes, pois ambos têm designs fundamentais. Os capacitores de estado sólido são geralmente menores em tamanho em comparação aos capacitores eletrolíticos.

Você pode ver facilmente a diferença na imagem comparativa abaixo, onde a placa-mãe da primeira imagem foi projetada usando apenas capacitores de estado sólido, e a placa-mãe da segunda imagem usa capacitores eletrolíticos mais comuns e baratos.