什么是VRM ?为什么我的CPU/GPU需要一个VRM ?

2019年的10月25日

计算机的直流电源

你需要将这个电源的12v输出转换到较低的水平，以便在你的CPU中使用。

电源转换，无论是交-交，交-直流，还是DC-DC，都是现代生活的基础。如果没有电源转换，我们可能就只能用范德格拉夫发电机为电子设备供电了。当涉及到计算机世界，特别是cpu，超稳定的DC-DC电源转换是必需的。计算机行业权衡了不同DC-DC转换器的成本和收益，最终决定采用稳压模块(vrm)为cpu提供稳定的直流电源。

那么什么是VRM呢?有很多方法可以在直流电压级别之间进行转换，而VRM正是这样做的。VRM本质上是一个精心设计的buck转换器，在相同的工作原理下工作。然而，用于高性能计算机的vrm，特别是超频游戏计算机，倾向于使用标准稳压电路或IC中通常没有的组件。

什么是VRM及其工作原理?

VRM将计算机电源的12v输出转换为较低的电压(范围从1.1 V到3.3 V)，供CPU或GPU使用。尽管VRM使用的组件与典型的开关稳压器不同，但该开关稳压器实现为buck转换器，布局相当简单。就像一个buck-boost转换器或正激转换器，VRM使用PWM在mosfet中提供开关，提供所需的调节。然后可以通过选择适当的占空比和频率来设置输出电压和电流。

如果一个VRM基本上是一个buck转换器，那么为什么不使用一个典型的开关式稳压器用于CPU/GPU电压调节的IC ?CPU中的电子器件已经在较低的直流电压下运行，但与在较高电压下运行的集成电路相比，它们的噪声边际非常小。非常低的噪声裕度要求高度稳定的电压调节。与典型的buck变换器相比，VRM的电压调节更精确、更稳定。

VRM有两种类型:单级VRM和多级VRM(有时称为多相VRM)。典型单级VRM的电路图如下图所示。低侧MOSFET和电感提供反馈调节，处理器看到的电压由电容稳定。多级VRM将mosfet和电感平行分布在多个级上，具有低占空比(通常为~10%，但这取决于级的数量)。

单级和多级vrm电路图

为什么使用多级VRM?

现代计算机使用多级VRM，通常有3个或更多的阶段。因为mosfet是并联级联的，它们自然地切换有一些延迟，等于的接通时间脉宽调制信号．这导致各个阶段按顺序切换。使用多级的好处是，在mosfet中产生的热量被分散到更大的区域，尽管这增加了每块板的成本。然而，这是现代高性能计算的一个重要方面，因为热调节可能是gpu的一个主要问题，特别是在超频处理器中。

来自VRM的输出电压将被阻尼，并将缓慢下降，就像任何RLC电路的情况一样。这应该说明了使用多级VRM的另一个好处:输出电压本质上是一个阻尼的瞬态响应，当切换发生得更频繁时，瞬态电压将有更短的时间下降。注意，最小占空比是开关频率乘以PWM信号的最小接通时间。

使用多级允许每个MOSFET的PWM频率较低，但输出电压将由于每级的开关得到补偿。这导致输出电压的任何下降都小于单级VRM或在给定时间常数下使用较长占空比的典型开关稳压器。如下图所示。

电压输出从3级和单级VRM。需要注意的是，两个VRM的输出具有相同的时间常数，但多级VRM的输出有~1%的变化，而单级VRM的输出有近10%的变化。

VRM组件

vrm可用于CPU、GPU调优以外的其他应用。当用于CPU或GPU时，上图所示的电感器并不是一个电感器，它实际上是一个超级铁氧体扼流圈。这些扼流圈对于消除每级mosfet的开关噪声非常重要。超铁氧体扼流圈具有比电感更低的寄生电容，本质上相当于一个并行RLC电路。低寄生电容在输出端的瞬态响应中提供了更高的阻尼。由于电流从mosfet和他们产生的热量，如果空间允许，mosfet应该包括一个翅片散热器。

在VRM电路图中所示的电容器应选择具有大于PWM开关频率的自谐振频率(即，它的行为像一个理想的电容器)，以便为任何高频噪声提供低阻抗到地面的路径。注意，负载、输出电容和铁氧体扼流圈的组合形成了一个复杂的RLC电路。在选择电容和铁氧体扼流圈时，应使等效RLC电路中的瞬态响应具有过阻尼，以确保VRM的输出更稳定。

黑色PCB上CPU的多级VRM