Rehber Anakartlarda VRM nedir ve temel yapısı nasıldır?

Bayağıdır bu tarz bir konu hazırlamayı düşünüyordum kafamı toparladığıma göre başlayabilirim diye düşündüm, hem bilgi olsun hem de forumda detaylıca makalesi barınsın diye bu yüzden eksik gördüğünüz ya da geliştirmem gereken bir yer varsa bahsetmekten çekinmeyin.

---

Anakart araştırırken ya da önerisi istediğinizde illa VRM tabirini görmüşsünüzdür ve genelde önemli olduğundan bahsedilir ve evet bu doğrudur sebebini de anlayacaksınız. VRM'in açılımı İngilizce olarak Voltage Regulator Module demektir bunu dilimize uyarlarsak voltaj (gerilim) düzenleyici modül diyebiliriz, aslında kendisi tek başına bir devre elemanı değil devre elemanlarının bir bütünüdür aşağıdaki paragraflarda ayrıntılarına gireceğim. Peki tam olarak neden anakartlarda var?


Güç kaynaklarında +12V, +5V, +3.3V, +5VSB ve -12V olmak üzere 5 farklı voltaj kanalı bulunmaktadır, CPU ve GPU'lar günümüz sistemlerinde +12V kanalı beslemesi kullanırlar fakat bu birimlerin anlık çalışma voltajlarına baktığınızda 1.2, 1.5V gibi 12V ile alakasız değerler görürsünüz bunun sebebi ise bu tür küçük birimlerin yüksek voltaja karşı hassas olmasından dolayıdır ve işte VRM bu noktada devreye girerek güç kaynağından gelen voltajı alıcı birime uygun olan voltaja düşürür. Peki neden doğrudan 1.5V değil 12V? Bunun 2 sebebi var:

• 1.5V gibi oldukça düşük bir voltajın doğrudan iletimi oldukça verimsiz olur bu da alıcı birimin yeterince beslenemeyeceği anlamına gelir.
• +12V kanalı en yüksek akım veren kanaldır ve alıcı birimin (CPU, GPU v.b) güç tüketimine bağlı olarak gereken akım artacağı için bu kanaldan gereken akım ihtiyacı daha kolay karşılanabilir.

VRM'in ne amaçla kullanıldığını öğrendik şimdi ise iç yapısına geçebiliriz.



Tipik olarak 1 VRM fazında MOSFET'ler, PWM kontrolcüsü, indüktör (genelde bobin) ve kapasitör bulunur. Görselde gördüğünüz basite indirgenmiş tek fazlı bir VRM'in devre şeması, normalde bu kadar göründüğü gibi basit değil ama anlaşılabilir olması için bilerek böyle çizdim. Anakartlarda bu gördüğümüz yapılar birden fazla şekilde yani fazlar halinde bulunur ama tabii ki hepsi tek bir kontrolcüye bağlıdır. Peki neden birden fazla? Bunun için önce çalışma şeklini anlayalım. VRM çalışma prensibi aslında buck converter denilen devreler ile çok benzerdir bu yüzden VRM'in temel tasarımına buck tasarımı da denir. (ki buck converter devreleri de aynı şekilde voltaj ayarlamak için kullanılır). Ona yakın derecede basit bir devre şeması çizip bakalım.



Daha anlaşılır olması için temsili olarak switch koydum normalde yoksa MOSFET koymam gerek. 1 numaralı switch'i kapattığımızda yani On-State olduğunda indüktöre doğrudan güç geçişine izin vermiş oluruz, indüktörden akım geçtiğinde elektromanyetik alan oluşur bu durumda indüktörün giriş ve çıkış uçları arasında bir potansiyel fark oluşur bu da çıkış ucundan daha düşük voltajın geçmesi demek ancak indüktörde oluşan alanın büyüklüğü arttıkça (yani indüktör şarj oldukça) bu durum tersine döner ve iki uç arasındaki fark kapanır. Buradan anlayacağınız üzere indüktör doğrudan 12V iletimini engelleyip bir nevi istediğimizi yapıyor fakat bu durum indüktörün indüktans değerine de bağlı olarak hızlı bir biçimde gerçekleşir sonuç olarak da durum tersine döndüğü için CPU'muza bir anlık olsa da 12V iletilecek ve cortlamış olacak. Peki devam edelim ve 1 numaralı switch'i Off-State yapalım bu durumda devrenin ana kaynaktan gelen gücünü kesmiş oluruz fakat indüktörde hala daha elektromanyetik alan mevcut olduğu için çıkış ucunda bir akım oluşur bu sayede de devrenin kalanını beslemeye devam edebilir. Fakat oluşan akımla beraber voltaj aniden fırlama yapacağı için yine CPU'dan 12V geçmiş olacak ki bunu istemiyoruz, indüktöre bağlı olan diyot bu oluşan voltaj fırlamasının gidiş yönünü değiştirmek için konulur çünkü diyotlar yarı iletkendir bu sayede akım alıcı birim yerine diyot yönünde daha düşük dirençli yol üzerinden gidebilecek ve 1 numaralı switch kapalıyken akımın indüktörün yönüne doğru gitmesini sağlayıp kısa devre olmasını engelleyecek, devreyi tamamlamak için ise 2 numaralı switch'i On-State yaptığımızda bir döngü yaratmış oluruz. Bu döngü elektromanyetik alanın enerjisi bitene kadar devam eder.

Şimdi gelelim işin voltaj regülasyonu kısmına, 1 numaralı switch'i On-State yapıp indüktörü şarj ettiğimiz sırada çıkış ucundaki voltaj CPU'nun istediği değere ulaştığında indüktörün şarjını kesmek için switch'i tekrardan Off-State yapıp ardından diğer switch'i devreye alarak döngüyü başlatacağız fakat deşarj sırasında voltajımız sabit kalamayacağı için indüktörü tekrar şarj etmemiz gerekecek, yani aslında buradaki asıl döngü indüktörün çıkış ucunu belli bir voltaj değerine ulaşana kadar şarj edip ardından deşarj etmek bunu sonsuz döngüde yaptığımızda ise istediğimiz voltaj değerinde kalmasını sağlamış oluyoruz.

Buradaki temelde tek fazlı bir devre ancak günümüzde anakartların hemen hepsi çok fazlı VRM yapısına sahiptir, bu sayede istenen yük dağıtılarak hem daha verimli hem de daha kompakt bir yapı elde edilebilir çünkü yüksek yükü tek bir faz kullanarak beslemek istersek buna dayanıklı devrenin boyutu büyüyecek ki konu bilgisayar anakartı olduğu için alandan da tasarruf etmememiz gerekeceğinden uygun bir seçim olmaz.


Genelde anakart üreticilerinin sitelerinde 8+1, 5+3, 6+2 gibi faz değerlerini belirttiklerini görebilirsiniz. Burada ilk belirtilen değer CPU Vcore yani doğrudan CPU'nun çekirdeklerine giden fazlardır diğeri ise SoC VRM (genelde bu tabir AMD platformlarında kullanılır) ya da VCCGT VRM fazlarının değerini belirtir bu da iGPU, bellek kontrolcüsü gibi CPU'nun diğer işlev birimlerini besleyen fazlardır. Bunların toplamı ise tüm fazları belirtir. Faz sayısının fazla ya da az olması tek başına bir önem arz etmez çünkü kullanılan komponentlerin kalitesi de önemlidir. Fakat daha fazla CPU Vcore fazının olması tek bir faza daha az yükün düşmesi demek bu termal verimliliği arttırsa da tek başına çok önemli değil ki bunun detaylarına aşağıda daha çok bahsedeceğim.

Peki bu VRM'i biz anakartta nereye bakarsak görebiliriz? Bunu da açıklamadan geçmeyeyim. Her anakartın tüm VRM komponentleri çıplak bir şekilde görülemeyebilir çünkü üreticiler hem görsel bakımından hoş gözükmesi için hem de termal verimlilik açısından VRM komponentlerinin üzerine soğutma blokları yerleştirirler. Ancak yine de temel dizilim şu şekildedir:


Görselde gördüğünüz MSI B550-A PRO'nun VRM komponentleri. Sarı dairede PWM kontrolcüsü, kırmızı dairede MOSFET'ler, turuncu dairede ise indüktörler ve kapasitörler var (sol indüktör sağ kapasitör).

Ek bilgi olarak PWM kontrolcüleri kimi modellerde PCB'nin arka yüzünde de olabilir.



Temeli anladık şimdi ise detaylara inebiliriz ilk olarak MOSFET'lerden başlayalım.

MOSFET'in İngilizce açılımı Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor demektir yani kendisi bir transistör çeşididir. Transistörler anahtarlama ya da akım/voltaj kazancı için kullanılabilen bir devre elemanıdır. VRM devresinin çalışma şekilinden anlayabileceğiniz üzere buradaki amacı anahtarlamadır. MOSFET'ler diğer transistörlere kıyasla ağır yüklere karşı dayanabilir ve genelde yanıt süreleri kısadır. VRM devresinde aktif devre elemanlarından biri olduğu için kullanılan MOSFET'lerin kalitesi önemlidir. Faz başına en az 2 MOSFET vardır bunların biri High Side diğeri ise Low Side olarak adlandırılır fakat daha düşük seviye MOSFET kullanıp bu sayıyı 3-4'e çıkaran üreticilerde vardır. MOSFET'ler sürekli olarak açıp kapama işlemi yaptığından aşırı ısınabilirler bu yüzden üzerine soğutucu bloklar yerleştirilebilir ancak üreticiler maliyet odaklı anakartlarda buna pek yanaşmaz ki zaten ona göre düşük MOSFET'ler kullanırlar bu sayede durum tolere edilmiş olur. Ama yine de böyle bir VRM tasarımına sahip anakarta yüksek güç değerine sahip bir CPU takıp tam yükte kullandığınızda MOSFET'ler aşırı ısınacaktır en iyi senaryoda dengesiz voltajdan dolayi sadece mavi ekran alırsınız en kötü senaryoda da MOSFET'lerin yapısının bozulmasından ötürü anakartın VRM'leri arızalanır. Tabii bu senaryolar anakartta bulunan ya da sistemdeki diğer korumalara bağlı olarak gerçekleşir veya gerçekleşmez.

MOSFET'lerin üzerinde maximum kaldırabildiği amper yani akım değeri bulunur (eğer yoksa da üzerindeki model kodunu internette aratıp datasheet dosyasını bularak ulaşmak gerekir), bu önemlidir çünkü yüksek TDP değerine sahip işlemcilerin hem stok hem de O.C yapılmış halleri yüksek akım gereksinimine sahip olabilir eğer düşük seviyeli MOSFET'ler kullanılmış bir anakartta bu tür işlemcileri kullanırsak üst paragraftaki olayların aynılarını ya da benzerlerini yaşarız.

Buna ek olarak MOSFET'lerin ısınmasına sebep olan bir diğer faktör de MOSFET'lerin RDS değeri yani MOSFET'in iç direncidir, ne kadar az direnç o kadar az ısı olacağından bu aynı zamanda MOSFET'in verimliliği hakkında da bize bilgi verir. Kompakt yani daha küçük yapıda MOSFET'lerin genelde iç dirençleri daha düşüktür.

VRM fazlarından bahsederken faz sayısının fazla olmasının tek başına bir artı özellik olmadığını ve yine tek başına önemli olmadığını belirtmiştim bunda kullanılacak MOSFET'lerin yeri büyük. 5 fazlı bir tasarımda 25A MOSFET kullandık diyelim aynı MOSFET'leri 8 fazlı bir tasarımda da aynı şekilde kullanırsak burada kazanacağımız şey sadece faz başına binen yükün bir nebze azalmasından ötürü MOSFET'lerde oluşan ısının azalması olur, daha ağır yüklerde senaryolar pek de değişmez.

Yani buradan çıkarmamız gereken şey kullanım durumuna ve elimizdeki işlemcinin güç gereksinimine uygun şekilde VRM tasarımına sahip anakart seçmektir, birini maksimum birini minimum değil dengeli olacak şekilde yani.

Daha üst seviye anakartlarda (özellikle MSI modellerinde) DrMOS'u duymuşsunuzdur bunun anlamı aslında Driver MOSFET demek yani MOSFET'in ve sürücü olarak kullanılabilecek farklı devre elemanlarının (direnç, diyot, transistör v.b) tek paket içinde olması demektir, bunların ilk örnekleri hassas olduklarından kolay arızalanmaya yatkın olsalar da günümüzdekiler için bu pek söz konusu değil.

High-end ya da flagship anakartlarda MOSFET yerine ''power stage'' tanımını görebilirsiniz, bunların işlevleri aynıdır farklı şeyler değil yani. Normal bildiğimiz MOSFET'le beraber akım, sıcaklık gibi parametreleri izleyecek sensörler ve MOSFET sürücü elemanlarının tek paket içerisinde olduğu bir yapıdır.


Peki gelelim sırada bu MOSFET'lerin davranışlarını kontrol eden elemana yani PWM kontrolcüsüne.

PWM'i yine açmak gerekirse Pulse-Width Modulation yani Darbe Genişliği Modülasyonu demektir, buradaki darbeden kasıt kare dalga sinyali oluşturarak devrenin frekansını belirlemek, kare dalgalar 2 farklı değerden sadece birini alabilir. Örnek olarak 0V ya da 12V değerleri diyelim bu durumda her 12V değerinde MOSFET'lere darbe şeklinde voltaj uygulanmış olur. PWM kontrolcünün nitelikleri aynı zamanda VRM devresinin de niteliklerini belirler, tanımdan anladığınız üzere ilk başta anlattığım döngüyü kontrol eden birim bu olduğu için VRM tasarımında önemlidir. Yerleşik olarak belirli bir faz sayısını kontrol edebilecek güçte olsalarda phase doubler dediğimiz şeylerle niteliklerini arttırmak mümkün. Bazı orta-üst yani mainstream anakartlarda buna benzer örneklere rastlayabilirsiniz, örnek olarak Gigabyte B550 Gaming X'in PWM kontrolcüsü olan Renesas RAA 229004'ün normalde 8 faz desteği bulunurken Gigabyte phase doubler kullanarak Vcore VRM fazlarını 5+5 olacak şekilde değiştirebiliyor. Bu nasıl oluyor derseniz şöyle:

Gördüğünüz gibi 2 fazımız var ve kontrolcünün frekansı 400 kHz bu demek oluyor ki saniyede 400000 kere MOSFET'lermize sinyal gidiyor, kontrolcümüz yerleşik olarak 2 faz besleyebiliyor bunu biz 4 faz yapmak istiyoruz. Kontrolcü ve MOSFET'ler arasına doubler bağladığımızda sinyal MOSFET'lerden önce bunlara gidecek, burada sinyalin frekansı ikiye bölünerek daha fazla sinyal oluşturmuş olacağız bu sayede normalde kontrolcüde 2 sinyal çıkışı varken totalde 4 tane sinyal elde etmiş oluyoruz.



Temelde çok iyi bir şey gibi gözüksede sadece faz arttırmaya yarıyor olay bu, üretici kontrolcü maliyetinden kaçmak için buna başvurabilir. Onun haricinde termal verimliliğe de katkısı var.

Bir VRM tasarımında doubler vb. bir tekniğin kullanıp kullanılmadığını öğrenmenin en kolay yolu eğer belirtilmiş ise True Phase ve Virtual Phase sayılarına bakmaktır. True Phase PWM kontrolcüden gelen yerleşik fazları belirtir, Virtual Phase ise doubler kullanarak oluşturulan fazların sayısıdır.

Doubler haricinde MOSFET sürücüleri kullanılarak da faz sayısı arttırılabilir.

Her ne kadar tek amacımız belirli bir voltajı sabitlemek gibi gözükse de aslında bu hep verimli olmaz, CPU'lar duruma göre daha da az voltaj gereksinimi duyabilirler. Bu yüzden PWM kontrolcülerine bunu yönetmek için bir güç ünitesi eklenebilir ya da bu ayrı şekilde de olabilir (Asus'un EPU çözümü gibi). Bu ünite BIOS konfigüre dosyasından gelen referans voltajı, kişiselleştirilmiş BIOS ayarları, sensör verileri gibi değişkenleri izleyip baz alarak PWM kontrolcüsünün davranışını değiştirebilir.


Son olarak da indüktör ve kapasitörlere değinelim. İndüktörleri aslında konunun başında bolca bahsettim, özetle gelen akıma karşı direndiği için manyetik alan oluşturan ve bu alanı depolama özelliğine sahip bir devre elemanı kendisi. VRM devresinde her fazın çıkış akımı ve voltajını sınırlayacak final elemanıdır. Bununla beraber akıma karşı gösterdiği direnç nedeniyle aynı zamanda bir filtre görevi görür. Kapasitörler de aynı şekilde devrede filtreleme için bulunur, enerji depolayabildiği için olası aşırı akımları ve voltaj dalgalanmalarını bu sayede önler ve bir ucu toprağa bağlı olduğu için bunlar hızlıca boşaltabilir, gerektiğinde devreye güç sağlayabilir.


Her ne kadar konuda anakartlardaki CPU VRM devresinden bahsetmiş olsamda bu yapılar anakartta daha düşük voltajla çalışması gereken farklı birimlerde de görülebilir, bununla beraber GPU ve RAM'lerde de VRM devreleri vardır.