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WIKI Cos'è un VRM? A cosa serve? Come funziona?

R3d3x

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Cos'è un VRM? A cosa serve? Come funziona?
Il VRM è un circuito integrato, che regola e decrementa la tensione in ingresso nella CPU, agendo quindi sulla tensione in arrivo dall'unità di alimentazione (Alimentatore a commutazione) che porta le varie rail, in particolare dalla 12V dalla quale attinge la CPU.

Partiamo quindi dalla base arriva nel nostro PSU una corrente alternata con un valore efficace di 230V +/- 10% ad una frequenza di 50Hz +/- 1% (definito per normativa europea), dal PSU in poi questa corrente diventa corrente continua a 12V che passerà per il VRM fino ad arrivare alla CPU come 1,2V.

1559039120623.png

Se vogliamo essere quindi completi nella spiegazione:
La corrente alternata è un onda sinusoidale con un ampiezza e un intensità variabili a differenza della corrente continua che è una linea retta.


1559040347936.png

In un onda sinusoidale distinguiamo due valori, di picco (valore massimo) e tensione efficace. In un onda sinusoidale, i valori di picco sono 2 in un solo ciclo.
Il ciclo è concluso quando le tensioni raggiungono tutti i valori possibili, positivi e negativi, completando quindi questa S per poi ripartire all'infinito.
Un solo ciclo dura 20 ms, se 1 sec è composto da 1000 ms, 1000 ms / 20 ms da come risultato una frequenza di 50 Hz ovvero quante volte questo ciclo si ripete in un secondo.
Il valore efficace è quindi dato dal V max * 0,707 (numero valido solo per onde sinusoidali), che è semplicemente l'inverso della radice di 2 (il numero di picchi in un ciclo).

1/√2 = 1/1,414 = 0,707
Il valore efficace di una corrente alternata è l’intensità della corrente continua (ampere) che, attraversando lo stesso conduttore, dissiperebbe per effetto Joule la stessa potenza della corrente alternata. Ovvero un resistore, se collegato alla rete elettrica alternata, dissiperebbe una potenza variabile. Se lo stesso fosse applicato ad una corrente continua avrebbe un valore medio intorno ai 230V.

Dobbiamo quindi qui distinguere tra alimentatori lineari e alimentatori a commutazione:
Un alimentatore Lineare dovrebbe quindi funzionare così:
Entra la 220V AC
1) Trasformatore, riduce il carico a 12V.
2) Il Ponte Raddrizzatore, con l'uso di diodi si raddrizza la corrente in una corrente unidirezionale (quindi va solo in avanti e non avanti e dietro) a onda intera o a semi onda.
3) Filtro a condensatore per livellare la tensione a livelli richiesti
4) Regolatore di tensione. Dopo il condensatore la tensione oscilla ancora un po' (ripple) e quindi è necessario un regolatore di tensione realizzato con un circuito integrato (voltage regulator) o con un semplice diodo zener.
Esce la DC

Funzionano bene per basse potenze, ma se sale la potenza richiesta le dimensioni diventano troppo ingombranti in quanto la grandezza del trasformatore e del condensatore di filtro è inversamente proporzionale alla frequenza di ingresso della tensione alternata. Poichè la frequenza della rete domestica è di 50 Hz (60 Hz in alcune nazioni), che è una frequenza molto bassa, il trasformatore ed il condensatore divengono molto grandi al crescere della potenza richiesta. Utilizzare un alimentatore lineare per il PC sarebbe una follia in quanto avrebbe dimensioni e peso eccessivi. La soluzione consiste quindi nell'uso di un alimentatore switching ad alta frequenza.

Caratteristiche Alimentatore Lineare:
Ingombrante, pesante, poco efficiente (30-40%), costoso, struttura semplice, Interferenza Elettromagnetica (EMI) basso rumore.
Adatti per situazioni in cui c'è bisogno sopratutto di precisione esempio nell'Hi-Fi. Genera rumore alla frequenze di rete quindi a 50-60Hz facilmente mitigabile. I due problemi principali sono l'ingombro e la bassa efficienza dovuta alla dissipazione dall'integrato di regolazione di tensione, della restante parte inutilizzata.

Si passa quindi agli alimentori Switching ad alta frequenza (50-100 kHz) che hanno quindi queste caratteristiche:
Sono piccoli, leggeri, efficienti (70-95%), economici, struttura complessa, EMI da filtrare assolutamente.
Vanno filtrati poiché funzionano a frequenze elevate dai 50 ai 100 kHz creando rumore elettronico alla frequenza di commutazione, ma grazie a questo trucco non c'è bisogno di PSU giganti in quanto viene innalzata ad alta frequenza prima di arrivare al trasformatore. Sfrutta quindi il PWM (Modulo di ampiezza di impulsi, che fa aumentare o diminuire il duty-cycle della tensione applicata al trasformatore in funzione del consumo del PC)
L'alimentatore si autoregola in funzione del carico che gli viene applicato e quando il PC consuma poco eroga una minore corrente sottoponendo i propri componenti critici ad un minore stress e quindi generando minore calore. Questo vantaggio non si ha invece negli alimentatori lineari che sono progettati per fornire la loro potenza massima anche quando questa non viene erogata con il risultato che la quantità di calore generata è rilevante e costituisce un ulteriore inconveniente per questo tipo di dispositivo.

La struttura di un alimentatore a commutazione senza PFC (Power Factor Correction) quindi è così composta:
Entra la 220V o a 120V AC
1) Filtro, per filtrare picchi e fenomeni indesiderati.
2) Commutatore di tensione (uno switcher) tra 125V e 220V.
2b) Se si usa una 125V utilizzeremo il duplicatore di tensioni
3) Raddrizzatore
....
o se abbiamo un PSU Switching con PFC:
Entra la 220V o a 120V AC
1) Filtro, per filtrare picchi e fenomeni indesiderati.
2) Raddrizzatore
3) PFC Attivo

4) Switcher

Primario
--------------------------------------
Secondario

5) Trasformatore (entra ed esce un onda quadrata e quindi abbiamo già la Corrente Continua, e per questo detti convertitori DC-DC)
6) Ponte raddrizzatore
7) Filtro
8) PWM (che funziona da regolatore in un anello chiuso ovvero se la tensione che esce dal filtro non è corretta, manda un segnale a monte - tipo un ormone di feedback nel sangue - cambiando il duty circle applicato al transistor, e quindi controlla più attentamente le tensioni come se ci fosse un sorvegliante che vi guarda mentre lavorate e vi cazzea e vi corregge con le sue mani se sbagliate) è isolato dalla zona del primario grazie ad un piccolo trasformatore ad isolamento
9) Isolatore

escludendo quindi eventuali protezione etc.






VRM Monofase
Il MOSFET High Side chiude il circuito lasciando passare per un breve lasso di tempo la corrente.

1559040373027.png

Al punto A avremo quindi 12 V. Quando la 12 V viene applicata all'induttore, l'induttore crea un campo magnetico che crea una caduta di tensione sull'output. Se il lasso di tempo aumentasse più questo aumenta e più aumenta la tensione al punto B arrivando fino ai 12V.
Prima che ciò avvenga si apre il circuito nell'High Side MOSFET, altrimenti friggiamo la CPU.
L'induttore ti dà il tempo necessario a chiudere il MOSFET grazie alla caduta di tensione, altrimenti arriverebbe subito a 12V.

1559040396555.png
Naturalmente nel lasso di tempo che è aperto non avremo corrente (in un circuito aperto non passa corrente, come quando mettete un tasto su 0 spegnete quel dispositivo, mentre su 1 lo accendete). Da qui però avremo una seconda parte composta dal Low Side MOSFET, dall'induttore e dal condensatore. L'induttore funge da generatore e ha un campo magnetico finché l'energia passa se non passa collassa il campo magnetico, quindi grazie all'immagazzinamento dei condensatori, cerca di mantenere il flusso di corrente costante alle componenti. Nasce però un problema senza il MOSFET Low Side, brucerebbe l'high side per un picco di tensione.

1559040418780.png

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Aprendo quindi il circuito nell'High Side MOSFET, in A abbiamo 0 V. L'induttore è ancora bello carico dal precedente passaggio poiché è come un ingorgo lento a smaltire le macchine. Il campo magnetico inizia quindi il suo collasso. La corrente c'è quindi nel punto B ma quest'ultima darebbe un picco di tensione quando riapriamo il MOSFET High Side trovandosi a 12V.
Per questo c'è un diodo detto flyback (ovvero l'improvviso picco di tensione) che lo elimina chiudendo l'interruttore Low Side MOSFET

L'obiettivo finale del circuito è fornire una tensione costante a nostra scelta. Su un CPU moderno questa dovrebbe essere di circa 1,2 volt. Per ottenere 1,2 V, il circuito deve interrompere la carica dell'induttore quando la tensione nel punto B raggiunge 1,2 V. Una volta che ciò accade, la tensione inizierà a scendere e il circuito tornerà a caricare l'induttore. L'intero ciclo viene ripetuto per sempre attraverso una tecnica nota come modulazione dell'ampiezza dell'impulso , mantenendo la tensione media alla tensione operativa desiderata. A un duty cycle di circa il 50% , la tensione di uscita al punto B sarà 6 V. Per ottenere il nostro desiderato 1.2 V il ciclo di lavoro dovrebbe essere del 10%.



PWM e Duplicator
Quello che determina l'apertura e la chiusiura dei MOSFET è un PWM insieme ad un driver Mosfet o ad un Duplicatore.
Dato che la CPU non è costante con le richieste, il PWM corregge il ciclo di feedback in base alle richieste.

VRM Multi Fase

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Inoltre considerando le multi fasi questo permette alla CPU di non rimanere senza tensione, in quel determinato periodo. Più fasi ci sono, meno si osserva l'effetto a catena perché c'è una riduzione nell'ampiezza dell'onda di ripple e quindi di corrente. Inoltre, con più fasi la riduzione dell'effetto si riduce anche. Ossia, passando da 2 fasi a 4 fasi, la riduzione del ripple è molto più che passare da 6 fasi a 8 fasi.


1559040476870.png

I VRM sono guidati da un controller PWM che di solito arriva in 4, 6 o 8 fasi. Ci sono alcuni PWM piuttosto rari che arrivano fino a 10 ma la stragrande maggioranza dei PWM là fuori sono PWM a 4 e 6 fasi e sono molto più comuni di 8 fasi. Le schede madri offrono VRM a 12, 16 e 24 fasi attraverso i duplicatori.


Duplicatore, Fasi Vere e Fasi False

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Un duplicatore di fase raddoppia il numero di fasi generando due segnali intercalati che si formano usando l'originale. L'uso di duplicatori generalmente aumenta i costi perché la scheda madre ha ora il doppio della quantità di circuiti integrati richiesti ma riduce molte cose come la corrente di carico su una data fase in modo simile a una "multi-fase" vera ma senza i benefici della più stretta tolleranza di tensione. È anche una soluzione molto più comune che si trova su molte schede madri che pubblicizzano 8 o 16 fasi (composte rispettivamente da 4 e 8 fasi "reali").
I termini True Phase e Virtual Phase sono stati sviluppati per distinguere tra le fasi che provengono direttamente dal controller PWM e i vari altri schemi come quelli utilizzati dai duplicatori. L'uso di fasi virtuali può a volte indurre in errore a credere che la scheda madre abbia un VRM migliore di quello che effettivamente fa.


Conclusioni

Quindi circuito chiuso in High Side MOSFET, arrivano 12V al punto A passa per l'induttore e appena il punto B raggiunge 1,2 V si stacca (10% del duty circle quindi per esempio su 1 secondo rimane aperto per 0,1 secondo), qui c'è la parte secondaria che evita il flyback (picco di tensione) nel punto B grazie al diodo e al Low Side MOSFET.

La componentistica è fondamentale, sicuramente quello che ricerchiamo come Choke sono i Premium Alloy Choke (fatti con super ferrite) e come Condensatori, i Dark Capacitor o anche detti Condensatori Jappo.
Naturalmente il lavoro del MOSFET genera un enorme quantità di calore, maggiore rispetto a tutti gli altri componenti del VRM, sono quindi necessari dei buoni heatsink al sopra della zona dei MOSFET. La scelta migliore per questi Heatsink è a forma di lamelle, per aumentare il rapporto superficie/volume. Ancora meglio se sull'heatsink dei VRM fosse posta una ventola come si fa per le schede video; in genere sono molte poche le schede madri che le montano, a memoria ricordo qualche ASUS ed EVGA.
I MOSFET sono componenti fragili e la loro rottura, o anche un numero insufficiente di MOSFET o fasi rispetto alla piena potenza, può essere causata da un over-heat o un over-capacity, causando la morte della scheda madre.
Ci sono MOSFET di alta qualità con un ottimo design, e con una migliore efficienza (tra source, il drain, e il gate).
Ci sono MOSFET di bassa qualità ai limiti degli standard dell'Amperage Rating, che naturalmente pregiudicano la salute della scheda madre in overclock.

Il carico è suddiviso tra le fasi, che forniscono una frazione della potenza richiesta dalla CPU, creando un continuum di tensione grazie alla sincronizzazione delle varie fasi data dal PWM che deve essere in grado di gestire un determinato numero di fasi e non deve essere quindi sottodimensionato rispetto alle fasi stesse. Inoltre il PWM cerca di evitare i Voltage Drop o anche detto VDrop, ovvero le cadute di tensione. Un sufficiente numero di fasi con un buon PWN, possono garantire una migliore stabilità dell'overclock con tensioni più esigue o raggiungere tensioni maggiori e reggere maggiormente OC più spinti ed estremi.

Nelle specifiche della scheda madre non sempre vi diranno se le fasi sono fasi vere o fasi false ma sicuramente vi daranno un incipit del numero di fasi che avrà la CPU e quelle destinate alla RAM. Quindi quando leggiamo 4+1 o 4+3 o 8+2, il primo numero sono le fasi destinate alla CPU, il secondo numero sono le fasi destinate alla RAM ed altri componenti siti sulla motherboard.



 
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#2
Ciao! Buona guida, ottima l'iniziativa di voler far chiarezza su un argomento poco chiaro e trattato, sopratutto in Italia.
Ci sono però delle imprecisioni, soprattutto nella prima parte che vorrei farti notare.
Quando hai parlato di tensione efficace non hai dato una buona definizione. I valori efficaci di tensione o corrente sono i valori che in corrente continua e con lo stesso carico resistivo dissiperebbero la stessa potenza media.
Per quanto riguarda gli alimentatori, nello specifico quelli switching utilizzati nei nostri pc, non sono fatti proprio come li hai descritti te. Sempre rimanendo sul superficiale, la tensione viene dapprima raddrizzata, poi livellata tramite tutti i vari componenti presenti nel primario, quali condensatori, induttori, zener, ecc, per poi essere oscillata ad alta frequenza (qualche decina di kHz) e a questo punto trasformata dal trasformatore. Questo è fondamentale in quanto permette di utilizzare trasformatori notevolmente più piccoli a parità di potenza, in quanto lavorano a frequenze molto più alte.
Il PWM, come hai ben detto sta per modulazione dell'ampiezza tramite un onda impulsiva. E' quindi una tecnica di modulazione della tensione. L'High-side mosfet, che possiamo vedere un po' come un interruttore, apre e chiude il circuito con una frequenza molto alta originando un'onda quadra. Questo permette di ottenere una tensione media inferiore rispetto ai 12V, di valore pari ai classici 1.2V, 1.3V, ecc. Giusto per fare un esempio, se l'high side mosfet aprisse il circuito e lo richiudesse per uno stesso lasso di tempo, sarebbe circa come se alla cpu arrivassero 6V. La tensione non è però continua e qua entrano in gioco condensatore, induttore e Low-side mosfet. Per farla breve i primi due servono a livellare la tensione, l'ultimo a permettere il passaggio di corrente anche quando il primo mosfet apre il circuito, sfruttando l'energia immagazzinata dall'induttore.
Ripeto nuovamente che questi sono solo piccoli appunti per rendere il contenuto ancora migliore e se ho commesso qualche imprecisione fatemelo pure notare :)
 

R3d3x

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#4
Ciao! Buona guida, ottima l'iniziativa di voler far chiarezza su un argomento poco chiaro e trattato, sopratutto in Italia.
Ci sono però delle imprecisioni, soprattutto nella prima parte che vorrei farti notare.
Quando hai parlato di tensione efficace non hai dato una buona definizione. I valori efficaci di tensione o corrente sono i valori che in corrente continua e con lo stesso carico resistivo dissiperebbero la stessa potenza media.
Per quanto riguarda gli alimentatori, nello specifico quelli switching utilizzati nei nostri pc, non sono fatti proprio come li hai descritti te. Sempre rimanendo sul superficiale, la tensione viene dapprima raddrizzata, poi livellata tramite tutti i vari componenti presenti nel primario, quali condensatori, induttori, zener, ecc, per poi essere oscillata ad alta frequenza (qualche decina di kHz) e a questo punto trasformata dal trasformatore. Questo è fondamentale in quanto permette di utilizzare trasformatori notevolmente più piccoli a parità di potenza, in quanto lavorano a frequenze molto più alte.
Il PWM, come hai ben detto sta per modulazione dell'ampiezza tramite un onda impulsiva. E' quindi una tecnica di modulazione della tensione. L'High-side mosfet, che possiamo vedere un po' come un interruttore, apre e chiude il circuito con una frequenza molto alta originando un'onda quadra. Questo permette di ottenere una tensione media inferiore rispetto ai 12V, di valore pari ai classici 1.2V, 1.3V, ecc. Giusto per fare un esempio, se l'high side mosfet aprisse il circuito e lo richiudesse per uno stesso lasso di tempo, sarebbe circa come se alla cpu arrivassero 6V. La tensione non è però continua e qua entrano in gioco condensatore, induttore e Low-side mosfet. Per farla breve i primi due servono a livellare la tensione, l'ultimo a permettere il passaggio di corrente anche quando il primo mosfet apre il circuito, sfruttando l'energia immagazzinata dall'induttore.
Ripeto nuovamente che questi sono solo piccoli appunti per rendere il contenuto ancora migliore e se ho commesso qualche imprecisione fatemelo pure notare :)
Grazie per gli appunti. Hai fatto bene a farmeli notare vedrò di apportare le modifiche e di rifare al volo il video domani mattina. È stata un po' un improvvisata a dir il vero e le mie conoscenze di elettronica e degli alimentatori sono abbastanza ridotte rispetto a Blume e Falco.
Probabilmente ho utilizzato uno schema degli alimentatori lineari invece di uno scheda di quelli switching dato che molte delle mie conoscenze sugli alimentatori sono provenute da lo studio di quest'ultimi.

@Blume deformazione professionale, ho detto sinusale come il ritmo cardiaco :ninja

Faccio un ricapitolo delle correzioni da fare:


Onda Sinusoidale.

Migliore definizione di tensione efficace.

Schema degli Switching invece dei lineari. Raddrizzatore > Filtro > Trasformatore

Andare più nel dettaglio per l' high side MOSFET.
 
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R3d3x

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#5
@SirPlatypus Con la spiegazione dei lineari penso che anche un bambino la capiva, andando negli Switching mi sembra difficile renderlo facile a tutti. Sto tipo a 4 pagine di appunti :scared per cercare di renderlo più facile.

vediamo se questo ricapitolo va bene:

In un onda Sinusoidale distinguiamo due valori, di picco (valore massimo) e tensione efficace. In un onda sinusoidale i valori di picco sono 2 in un solo ciclo. Il valore efficace è quindi dato dal V max x 0,707 (numero valido solo per onde sinusoidali), che è semplicemente l'inverso della radice di 2 (il numero di picchi in un ciclo). Il valore efficace di una corrente alternata è l’intensità della corrente continua (parliamo di ampere giusto?) che, attraversando lo stesso conduttore, dissiperebbe per effetto Joule (ok) la stessa potenza della corrente alternata (non mi è proprio chiara sta parte).
Se ho ben capito dovrebbe anche essere un valore dato per convenzione a 220 V.

Un alimentatore Lineare dovrebbe quindi funzionare così:
Entra la 220V AC
1) Trasformatore, riduce il carico a 12V.
2) Il Ponte Raddrizzatore, con l'uso di diodi si raddrizza la corrente in una corrente unidirezionale (quindi va solo in avanti e non avanti e dietro) a onda intera o a semi onda.
3) Filtro a condensatore per livellare la tensione a livelli richiesti
4) Regolatore di tensione. Dopo il condensatore la tensione oscilla ancora un po' (ripple) e quindi è necessario un regolatore di tensione realizzato con un circuito integrato (voltage regulator) o con un semplice diodo zener.
Esce la DC

Funzionano bene per basse potenze, ma se sale la potenza richiesta le dimensioni diventano troppo ingombranti in quanto la grandezza del trasformatore e del condensatore di filtro è inversamente proporzionale alla frequenza di ingresso della tensione alternata. Poichè la frequenza della rete domestica è di 50 Hz (60 Hz in alcune nazioni), che è una frequenza molto bassa, il trasformatore ed il condensatore divengono molto grandi al crescere della potenza richiesta. Utilizzare un alimentatore lineare per il PC sarebbe una follia in quanto avrebbe dimensioni e peso eccessivi. La soluzione consiste quindi nell'uso di un alimentatore switching ad alta frequenza.

Caratteristiche Alimentatore Lineare:
Ingombrante, pesante, poco efficiente (30-40%), costoso, struttura semplice, Interferenza Elettromagnetica (EMI) basso rumore.
Adatti per situazioni in cui c'è bisogno sopratutto di precisione esempio nell'Hi-Fi. Genera rumore alla frequenze di rete quindi a 50-60Hz facilmente mitigabile. I due problemi principali sono l'ingombro e la bassa efficienza dovuta alla dissipazione dall'integrato di regolazione di tensione, della restante parte inutilizzata.

Si passa quindi agli alimentori Switching ad alta frequenza (50-100 kHz) che hanno quindi queste caratteristiche:
Sono piccoli, leggeri, efficienti (70-95%), economici, struttura complessa, EMI da filtrare assolutamente.
Vanno filtrati poiché funzionano a frequenze elevate dai 50 ai 100 kHz creando rumore elettronico alla frequenza di commutazione, ma grazie a questo trucco non c'è bisogno di PSU giganti in quanto viene innalzata ad alta frequenza prima di arrivare al trasformatore. Sfrutta quindi il PWM (Modulo di ampiezza di impulsi, che fa aumentare o diminuire il duty-cycle della tensione applicata al trasformatore in funzione del consumo del PC)
L'alimentatore si autoregola in funzione del carico che gli viene applicato e quando il PC consuma poco eroga una minore corrente sottoponendo i propri componenti critici ad un minore stress e quindi generando minore calore. Questo vantaggio non si ha invece negli alimentatori lineari che sono progettati per fornire la loro potenza massima anche quando questa non viene erogata con il risultato che la quantità di calore generata è rilevante e costituisce un ulteriore inconveniente per questo tipo di dispositivo.

La struttura di un alimentatore a commutazione senza PFC (Power Factor Correction) quindi è così composta:
Entra la 220V o a 120V AC
1) Filtro, per filtrare picchi e fenomeni indesiderati.
2) Commutatore di tensione (uno switcher) tra 125V e 220V.
2b) Se si usa una 125V utilizzeremo il duplicatore di tensioni
3) Raddrizzatore
....
o se abbiamo un PSU Switching con PFC:
Entra la 220V o a 120V AC
1) Filtro, per filtrare picchi e fenomeni indesiderati.
2) Raddrizzatore
3) PFC Attivo

4) Switcher

Primario
--------------------------------------
Secondario

5) Trasformatore (entra ed esce un onda quadrata e quindi abbiamo già la Corrente Continua, e per questo detti convertitori DC-DC)
6) Ponte raddrizzatore
7) Filtro
8) PWM (che funziona da regolatore in un anello chiuso ovvero se la tensione che esce dal filtro non è corretta, manda un segnale a monte - tipo un ormone di feedback nel sangue - cambiando il duty circle applicato al transistor, e quindi controlla più attentamente le tensioni come se ci fosse un sorvegliante che vi guarda mentre lavorate e vi cazzea e vi corregge con le sue mani se sbagliate) è isolato dalla zona del primario grazie ad un piccolo trasformatore ad isolamento
9) Isolatore

escludendo quindi eventuali protezione etc.


Passando alla parte dei VRM dove credo di essere almeno un po' più ferrato l'High Side chiude il circuito lasciando passare per un breve lasso di tempo la corrente a 1,2 - 1,3 V. Naturalmente nel lasso di tempo che è aperto non avremo corrente, quindi grazie all'immagazzinamento dei condensatori, al filtraggio degli induttori ma sopratutto al low side mosfet che chiude il circuito abbiamo una corrente continua applicata alla CPU.

Ditemi se ci sono, o sto andando fuori strada alle 2 di notte...
 
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@SirPlatypus Con la spiegazione dei lineari penso che anche un bambino la capiva, andando negli Switching mi sembra difficile renderlo facile a tutti. Sto tipo a 4 pagine di appunti :scared per cercare di renderlo più facile.

vediamo se questo ricapitolo va bene:

In un onda Sinusoidale distinguiamo due valori, di picco (valore massimo) e tensione efficace. In un onda sinusoidale i valori di picco sono 2 in un solo ciclo. Il valore efficace è quindi dato dal V max x 0,707 (numero valido solo per onde sinusoidali), che è semplicemente l'inverso della radice di 2 (il numero di picchi in un ciclo). Il valore efficace di una corrente alternata è l’intensità della corrente continua (parliamo di ampere giusto?) che, attraversando lo stesso conduttore, dissiperebbe per effetto Joule (ok) la stessa potenza della corrente alternata (non mi è proprio chiara sta parte).
Se ho ben capito dovrebbe anche essere un valore dato per convenzione a 220 V.

Un alimentatore Lineare dovrebbe quindi funzionare così:
Entra la 220V AC
1) Trasformatore, riduce il carico a 12V.
2) Il Ponte Raddrizzatore, con l'uso di diodi si raddrizza la corrente in una corrente unidirezionale (quindi va solo in avanti e non avanti e dietro) a onda intera o a semi onda.
3) Filtro a condensatore per livellare la tensione a livelli richiesti
4) Regolatore di tensione. Dopo il condensatore la tensione oscilla ancora un po' (ripple) e quindi è necessario un regolatore di tensione realizzato con un circuito integrato (voltage regulator) o con un semplice diodo zener.
Esce la DC

Funzionano bene per basse potenze, ma se sale la potenza richiesta le dimensioni diventano troppo ingombranti in quanto la grandezza del trasformatore e del condensatore di filtro è inversamente proporzionale alla frequenza di ingresso della tensione alternata. Poichè la frequenza della rete domestica è di 50 Hz (60 Hz in alcune nazioni), che è una frequenza molto bassa, il trasformatore ed il condensatore divengono molto grandi al crescere della potenza richiesta. Utilizzare un alimentatore lineare per il PC sarebbe una follia in quanto avrebbe dimensioni e peso eccessivi. La soluzione consiste quindi nell'uso di un alimentatore switching ad alta frequenza.

Caratteristiche Alimentatore Lineare:
Ingombrante, pesante, poco efficiente (30-40%), costoso, struttura semplice, Interferenza Elettromagnetica (EMI) basso rumore.
Adatti per situazioni in cui c'è bisogno sopratutto di precisione esempio nell'Hi-Fi. Genera rumore alla frequenze di rete quindi a 50-60Hz facilmente mitigabile. I due problemi principali sono l'ingombro e la bassa efficienza dovuta alla dissipazione dall'integrato di regolazione di tensione, della restante parte inutilizzata.

Si passa quindi agli alimentori Switching ad alta frequenza (50-100 kHz) che hanno quindi queste caratteristiche:
Sono piccoli, leggeri, efficienti (70-95%), economici, struttura complessa, EMI da filtrare assolutamente.
Vanno filtrati poiché funzionano a frequenze elevate dai 50 ai 100 kHz creando rumore elettronico alla frequenza di commutazione, ma grazie a questo trucco non c'è bisogno di PSU giganti in quanto viene innalzata ad alta frequenza prima di arrivare al trasformatore. Sfrutta quindi il PWM (Modulo di ampiezza di impulsi, che fa aumentare o diminuire il duty-cycle della tensione applicata al trasformatore in funzione del consumo del PC)
L'alimentatore si autoregola in funzione del carico che gli viene applicato e quando il PC consuma poco eroga una minore corrente sottoponendo i propri componenti critici ad un minore stress e quindi generando minore calore. Questo vantaggio non si ha invece negli alimentatori lineari che sono progettati per fornire la loro potenza massima anche quando questa non viene erogata con il risultato che la quantità di calore generata è rilevante e costituisce un ulteriore inconveniente per questo tipo di dispositivo.

La struttura di un alimentatore a commutazione senza PFC (Power Factor Correction) quindi è così composta:
Entra la 220V o a 120V AC
1) Filtro, per filtrare picchi e fenomeni indesiderati.
2) Commutatore di tensione (uno switcher) tra 125V e 220V.
2b) Se si usa una 125V utilizzeremo il duplicatore di tensioni
3) Raddrizzatore
....
o se abbiamo un PSU Switching con PFC:
Entra la 220V o a 120V AC
1) Filtro, per filtrare picchi e fenomeni indesiderati.
2) Raddrizzatore
3) PFC Attivo

4) Switcher

Primario
--------------------------------------
Secondario

5) Trasformatore (entra ed esce un onda quadrata e quindi abbiamo già la Corrente Continua, e per questo detti convertitori DC-DC)
6) Ponte raddrizzatore
7) Filtro
8) PWM (che funziona da regolatore in un anello chiuso ovvero se la tensione che esce dal filtro non è corretta, manda un segnale a monte - tipo un ormone di feedback nel sangue - cambiando il duty circle applicato al transistor, e quindi controlla più attentamente le tensioni come se ci fosse un sorvegliante che vi guarda mentre lavorate e vi cazzea e vi corregge con le sue mani se sbagliate) è isolato dalla zona del primario grazie ad un piccolo trasformatore ad isolamento
9) Isolatore

escludendo quindi eventuali protezione etc.


Passando alla parte dei VRM dove credo di essere almeno un po' più ferrato l'High Side chiude il circuito lasciando passare per un breve lasso di tempo la corrente a 1,2 - 1,3 V. Naturalmente nel lasso di tempo che è aperto non avremmo corrente, quindi grazie all'immagazzinamento dei condensatori, al filtraggio degli induttori ma sopratutto al low side mosfet che chiude il circuito abbiamo una corrente continua applicata alla CPU.

Ditemi se ci sono, o sto andando fuori strada alle 2 di notte...
Alla faccia degli appunti :asd
Comunque per il discorso dei valori efficaci forse così ti è più chiaro. Se prendiamo un resistore da 230 Ohm e lo colleghiamo alla rete di casa, la potenza che dissipa non sarà costante, dato che corrente e tensione variano nel tempo. Possiamo però trovare un valore medio di potenza (230W). I valori efficaci di tensione e corrente sono quei valori che in corrente continua dissiperebbero quella stessa potenza con lo stesso resistore. L'avevi spiegato bene comunque :ok
Il valore della tensione presente nelle nostre abitazioni è stata stabilita da una normativa europea (che l'ha cambiata dagli ex 220V) non mi ricordo quanti anni fa. Il fornitore deve garantire 230V +/-10% e frequenza di 50Hz +/-1%.
La parte dell'alimentatore switching mi sembra ben spiegata ed esaustiva, visto il contesto. Vedi te se metterla tutta o un riassunto ancora più breve visto che l'argomento del video sono i VRM. Ovviamente aspetta il parere di gente che è più esperta (@Blume e @Falco75).
Per il discorso low-side, anche l'induttore funge da generatore, insieme al condensatore, quando l'High side apre il circuito. L'induttore accumula energia tramite il campo magnetico, ma riesce a farlo fin tanto che una corrente lo attraversa. Quando questa cambia, soprattutto se repentinamente, il campo collassa. L'induttore cerca quindi di mantenere il flusso di corrente costante e, se non ci fosse il Low-Side mosfet, genererebbe una sovratensione ai suoi capi che farebbe un gran casino distruggendo con buona probabilità l'High side. Il Low side permette invece di far circolare corrente, facendo scaricare l'induttore e alimentando al tempo stesso la cpu.
Comunque mi rendo conto che spiegare questi concetti rendendoli semplici anche a persone che hanno poche conoscenze in materia è piuttosto difficile.
 

R3d3x

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Alla faccia degli appunti :asd
Comunque per il discorso dei valori efficaci forse così ti è più chiaro. Se prendiamo un resistore da 230 Ohm e lo colleghiamo alla rete di casa, la potenza che dissipa non sarà costante, dato che corrente e tensione variano nel tempo. Possiamo però trovare un valore medio di potenza (230W). I valori efficaci di tensione e corrente sono quei valori che in corrente continua dissiperebbero quella stessa potenza con lo stesso resistore. L'avevi spiegato bene comunque :ok
Il valore della tensione presente nelle nostre abitazioni è stata stabilita da una normativa europea (che l'ha cambiata dagli ex 220V) non mi ricordo quanti anni fa. Il fornitore deve garantire 230V +/-10% e frequenza di 50Hz +/-1%.
La parte dell'alimentatore switching mi sembra ben spiegata ed esaustiva, visto il contesto. Vedi te se metterla tutta o un riassunto ancora più breve visto che l'argomento del video sono i VRM. Ovviamente aspetta il parere di gente che è più esperta (@Blume e @Falco75).
Per il discorso low-side, anche l'induttore funge da generatore, insieme al condensatore, quando l'High side apre il circuito. L'induttore accumula energia tramite il campo magnetico, ma riesce a farlo fin tanto che una corrente lo attraversa. Quando questa cambia, soprattutto se repentinamente, il campo collassa. L'induttore cerca quindi di mantenere il flusso di corrente costante e, se non ci fosse il Low-Side mosfet, genererebbe una sovratensione ai suoi capi che farebbe un gran casino distruggendo con buona probabilità l'High side. Il Low side permette invece di far circolare corrente, facendo scaricare l'induttore e alimentando al tempo stesso la cpu.
Comunque mi rendo conto che spiegare questi concetti rendendoli semplici anche a persone che hanno poche conoscenze in materia è piuttosto difficile.
Il problema principale è questo. Riuscire a rendere facile un discorso abbastanza complesso e ampio a persone che hanno poche basi.
Andrebbero fatti due video, uno come arriva la corrente alternata e come viene trasformata da un lineare e come viene trasformata da uno switching.
L'altro dovrebbe essere un focus sui VRM.
Rimanendo sul semplice e sul vago su entrambi però.

Cmq si ora mi è chiaro il valore efficace (spero), vedo di spiegarlo nel modo più semplice che riesco:
Immaginiamo un resistore (elemento che causa una resistenza [per questo spesso chiamati erroneamente così] al passaggio e quindi una caduta di tensione in base a quanta resistenza oppongono Ω . Facendo un analogia con le auto: una strettoia ad una corsia in una strada a 3 corsie che fa decadere la velocità della macchina quella zona sarà più calda poiché ci saranno più macchina che stanno consumando troppo per fare 2 passi alla volta. Sto facendo un esempio errato?) attraversato da corrente elettrica si riscalda per effetto Joule, quindi una parte dell'energia in arrivo viene dissipata in calore, questa potenza dissipata che arriva alla presa non è costante poiché varia l'intensità e la tensione in una corrente alternata, un po' come nell'onda sinusoidale vediamo questa fluttuazione dei valori e abbiamo momenti di più o meno potenza dissipata. Il valore efficace è quindi un valore medio che invece di averli come corrente alternata li avessimo come corrente continua, dissiperebbero quella stessa potenza con lo stesso resistore.

La normativa europea ha fissato questo valore ad un 230 V +/- 10% e a frequenza di 50 Hz +/- 1%.

Qui dovremmo aver risolto :roftl ma chi me l'ha fatto fare! Era meglio che parlavo solo dei VRM.
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"Passando alla parte dei VRM dove credo di essere almeno un po' più ferrato. Cit."

Il MOSFET High Side chiude il circuito lasciando passare per un breve lasso di tempo la corrente.

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Al punto A avremo quindi 12 V. Quando la 12 V viene applicata all'induttore, l'induttore crea un campo magnetico che crea una caduta di tensione sull'output. Se il lasso di tempo aumentasse più questo aumenta e più aumenta la tensione al punto B arrivando fino ai 12V.
Prima che ciò avvenga si apre il circuito nell'High Side MOSFET, altrimenti friggiamo la CPU.
L'induttore ti dà il tempo necessario a chiudere il MOSFET grazie alla caduta di tensione, altrimenti arriverebbe subito a 12V.

Naturalmente nel lasso di tempo che è aperto non avremo corrente (in un circuito aperto non passa corrente, come quando mettete un tasto su 0 spegnete quel dispositivo, mentre su 1 lo accendete). Da qui però avremo una seconda parte composta dal Low Side MOSFET, dall'induttore e dal condensatore. L'induttore funge da generatore e ha un campo magnetico finché l'energia passa se non passa collassa il campo magnetico, quindi grazie all'immagazzinamento dei condensatori, cerca di mantenere il flusso di corrente costante alle componenti. Nasce però un problema senza il MOSFET Low Side, brucerebbe l'high side per un picco di tensione.

Aprendo quindi il circuito nell'High Side MOSFET, in A abbiamo 0 V. L'induttore è ancora bello carico dal precedente passaggio poiché è come un ingorgo lento a smaltire le macchine. Il campo magnetico inizia quindi il suo collasso. La corrente c'è quindi nel punto B ma quest'ultima darebbe un picco di tensione quando riapriamo il MOSFET High Side trovandosi a 12V.
Per questo c'è un diodo detto flyback (ovvero l'improvviso picco di tensione) che lo elimina chiudendo l'interruttore Low Side MOSFET

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L'obiettivo finale del circuito è fornire una tensione costante a nostra scelta. Su un CPU moderno questa dovrebbe essere di circa 1,2 volt. Per ottenere 1,2 V, il circuito deve interrompere la carica dell'induttore quando la tensione nel punto B raggiunge 1,2 V. Una volta che ciò accade, la tensione inizierà a scendere e il circuito tornerà a caricare l'induttore. L'intero ciclo viene ripetuto per sempre attraverso una tecnica nota come modulazione dell'ampiezza dell'impulso , mantenendo la tensione media alla tensione operativa desiderata. A un duty cycle di circa il 50% , la tensione di uscita al punto B sarà 6 V. Per ottenere il nostro desiderato 1.2 V il ciclo di lavoro dovrebbe essere del 10%.

Facendola super easy:
Quindi circuito chiuso in High Side MOSFET, arrivano 12V al punto A passa per l'induttore e appena il punto B raggiunge 1,2 V si stacca (10% del duty circle quindi per esempio su 10 secondi rimane aperto per 1 secondo), qui c'è la parte secondaria che evita il flyback (picco di tensione) nel punto B grazie al diodo e al Low Side MOSFET.

Quello che determina l'apertura e la chiusiura dei MOSFET è un PWM insieme ad un driver Mosfet o ad un Duplicatore.

Inoltre considerando le multi fasi questo permette alla CPU di non rimanere senza tensione, in quel determinato periodo.
Più fasi ci sono, meno si osserva l'effetto a catena perché c'è una riduzione nell'ampiezza dell'onda di ripple e quindi di corrente. Inoltre, con più fasi la riduzione dell'effetto si riduce anche. Ossia, passando da 2 fasi a 4 fasi, la riduzione del ripple è molto più che passare da 6 fasi a 8 fasi.


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I VRM sono guidati da un controller PWM che di solito arriva in 4, 6 o 8 fasi. Ci sono alcuni PWM piuttosto rari che arrivano fino a 10 ma la stragrande maggioranza dei PWM là fuori sono PWM a 4 e 6 fasi e sono molto più comuni di 8 fasi. Le schede madri offrono VRM a 12, 16 e 24 fasi attraverso i duplicatori. Un duplicatore di fase raddoppia il numero di fasi generando due segnali intercalati che si formano usando l'originale.
L'uso di duplicatori generalmente aumenta i costi perché la scheda madre ha ora il doppio della quantità di circuiti integrati richiesti ma riduce molte cose come la corrente di carico su una data fase in modo simile a una "multi-fase" vera ma senza i benefici della più stretta tolleranza di tensione. È anche una soluzione molto più comune che si trova su molte schede madri che pubblicizzano 8 o 16 fasi (composte rispettivamente da 4 e 8 fasi "reali").
I termini True Phase e Virtual Phase sono stati sviluppati per distinguere tra le fasi che provengono direttamente dal controller PWM e i vari altri schemi come quelli utilizzati dai duplicatori .
L'uso di fasi virtuali può a volte indurre in errore a credere che la scheda madre abbia un VRM migliore di quello che effettivamente fa.

Dato che la CPU non è costante con le richieste, il PWM corregge il ciclo di feedback in base alle richieste.


Detto questo penso che posso anche buttare la testa sotto l'acqua fredda.
 

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#8
Sì dai come spiegazione va più che bene :D
Ripeto, complimenti per il grande impegno che c'hai messo :)

Inviato dal mio POCOPHONE F1 utilizzando Tapatalk
 
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#12
Veramente la X570 Aorus Master ha 12 fasi piene senza sdoppiatori gestite da un controller da 16 fasi di classe server:asd
 
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#14
Duplicatore, Fasi Vere e Fasi False
Un duplicatore di fase raddoppia il numero di fasi generando due segnali intercalati che si formano usando l'originale. L'uso di duplicatori generalmente aumenta i costi perché la scheda madre ha ora il doppio della quantità di circuiti integrati richiesti ma riduce molte cose come la corrente di carico su una data fase in modo simile a una "multi-fase" vera ma senza i benefici della più stretta tolleranza di tensione. È anche una soluzione molto più comune che si trova su molte schede madri che pubblicizzano 8 o 16 fasi (composte rispettivamente da 4 e 8 fasi "reali").
I termini True Phase e Virtual Phase sono stati sviluppati per distinguere tra le fasi che provengono direttamente dal controller PWM e i vari altri schemi come quelli utilizzati dai duplicatori. L'uso di fasi virtuali può a volte indurre in errore a credere che la scheda madre abbia un VRM migliore di quello che effettivamente fa.
Io sapevo che esistono tre tipi di fasi: le fasi nude e crude, quelle sono e quelle restano, le fasi duplicate, rendono come le fasi vere (quasi, dipende anche dal doubler), ma con maggior ripple introdotto dal doubler (cui si può ovviare overcloccando lo switching frequency) e le fasi collegate in parallelo, che rendono come se fossero la metà...

Quindi quando leggiamo 4+1 o 4+3 o 8+2, il primo numero sono le fasi destinate alla CPU, il secondo numero sono le fasi destinate alla RAM ed altri componenti siti sulla motherboard.
Giusto, il primo numero sono le fasi Vcore, ma il secondo sono le fasi SOC, le fasi per la ram non sono quasi mai indicate, sarebbe scritto ad esempio 4+2+1 (per una mobo con 4 fasi Vcore, 2 SOC e 1 per la ram), 4*2+2+1 (per una mobo con 4 fasi Vcore "grosse" perché collegate in parallelo, 2 SOC e 1 ram), 8+2+1 (le fasi duplicate le indicano come quelle non duplicate).
Sempre se non fanno i furbi, per esempio Gigabyte e Asrock le indicano come se utilizzassero i doubler, quando invece il controller non glielo permetterebbe, quindi sono collegate in parallelo (il riferimento è alle X470:sisi).
 
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