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VRM (Voltage Regulator Module), qué es y cómo funciona

¿Qué es el VRM o Voltage Regulator Module?

El VRM (Voltage Regoulator Module) es una parte fundamental del mundo de los ordenadores y en esta guía, simplificada para llegar a un público lo más amplio posible, vamos a explicarles qué hacen y cómo funcionan. Comencemos con su propósito: proporcionar al procesador una tensión adecuada para su funcionamiento. Si, por ejemplo, usted establece desde la BIOS el voltaje de 1.25V, será el VRM quien proporcione ese voltaje en particular. Por lo tanto, es un componente crucial, dado el importante trabajo realizado.

Para empezar, los VRMs se dividen en los dedicados a Vcore (los destinados directamente al procesador) y, en el caso de SoC AMD (es decir, System On a Chip, es por lo tanto una única sección para todo el Southbridge insertado en el procesador y la GPU integrada), mientras que Intel divide todo en VGPU (para la GPU integrada), VCCIO (para el IMC, es decir, el controlador de memoria) y VCCSA (para el agente del sistema, especialmente útil si desea overclockizar el BCLK).

Recuerde que la RAM tiene su propio VRM separado, situado junto a las ranuras DRAM. Aunque muchas personas piensan que las fases de alimentación están compuestas exclusivamente por los “cuadrados” que se ven en la placa base, en realidad no es así. Éstos se componen de varios componentes que vamos a enumerar a continuación:

donde están los VRM

Controlador PWM

Suponemos que un controlador PWM no puede manejar más de 8 fases reales por sí solo sin recurrir a sistemas de duplicación excepto en raras excepciones (generalmente son placas madre reservadas para el sector de servidores, aunque algunos X570 están empezando a introducir este tipo de controlador en el mercado de consumo, por ejemplo Gigabyte con su X570 Master Xtreme ha insertado oficialmente un controlador de 16 fases).

Esta tiene la tarea de comunicar al resto de los componentes la tensión a suministrar a la CPU y regular el encendido y apagado constante de los MOSFETs mediante una señal llamada “PWM Signal” y gestionar la velocidad llamada “Switching Frequency”. Si el controlador es de alta calidad, la señal que emite será mejor y el voltaje se ajustará con mayor precisión. En muchos casos, es preferible un controlador mejor que una fase adicional.

En el caso de los controladores digitales, la frecuencia de conmutación puede ser ajustada manualmente por BIOS en un rango predeterminado de 350-500 KHz. Cuanto más rápido se enciendan y apaguen sus queridos amigos del MOSFET, más precisa y estable será la tensión entregada a su procesador, pero al mismo tiempo, aumentará el valor de “pérdida de corriente”, es decir, la pérdida de calor de los MOSFET en el acto de encenderse y apagarse.

Como resultado, estos alcanzarán temperaturas más altas que pueden reducir la vida de su placa madre o, si exceden demasiado y no hay un sistema de protección contra las altas temperaturas, la matarán en poco tiempo. Hay muchas otras ventajas de tener un controlador digital sobre uno analógico, y lo que merece ser explicado más que nada es definitivamente la Calibración de la Línea de Carga (LLC).

El vDroop. ¿De qué se trata?

Para explicar correctamente qué es la LLC y cómo funciona, primero debemos introducir brevemente el concepto de vDroop. A menudo, deambulando por foros, chats y otros lugares místicos, se encuentra con gente que critica a su placa madre porque, una vez que se le da una carga alta a la CPU, el voltaje de ésta cae por debajo de los valores preestablecidos por la BIOS. Bueno, en realidad es algo completamente normal y esperado por su placa madre: de hecho es el vDroop.

El vDroop es una medida de seguridad introducida por Intel que va a reducir el voltaje a medida que la CPU consume más corriente: haciendo un ejemplo, ajustando el voltaje a 1.25v desde la BIOS su procesador trabajará con ese voltaje sólo cuando esté sin carga (aún cuando esté en reposo usualmente cae ligeramente) y luego tendrá caídas más bien bruscas (digamos 1.2-1.17) cuando es puesto bajo tensión.

Esta tecnología fue introducida para asegurar que la CPU nunca exceda los límites de voltaje establecidos por la BIOS, de hecho mientras el procesador está bajo carga, usted tendrá un aumento constante de ondulación hasta el final del estado de carga que termina con un pico de voltaje. Gracias al vDroop puede mantener esta fase bajo control bajando el voltaje y evitando así que se excedan los dictados por la BIOS.

Calibración de la línea de carga o Load Line Calibration (LLC): un arma de doble filo

La Calibración de la Línea de Carga (LLC) le permite disminuir el vDroop en un porcentaje basado en el nivel en el que lo ha configurado. Es una herramienta muy poderosa y realmente puede hacer una diferencia para aquellos que quieren hacer overclock. Sin embargo, la pregunta que surge es: ¿cuándo y cómo debe utilizarse?

Mientras puedas conseguir un overclock estable sin usar LLC, el consejo es simplemente dejar el ajuste en “auto” pero si quieres apretar más de tu procesador una vez que llegues al límite de voltaje recomendado por el fabricante del chip (y en caso de que tengas un sistema de enfriamiento adecuado) vale la pena intentar usar esta característica.

El vDroop, aunque es una medida de seguridad muy útil, puede limitar las capacidades de overclocking de tu procesador: por ejemplo, si quieres llevar tu Core i7-8700K a 5 GHz con una tensión de 1,45V (es decir, la máxima recomendada por Intel) y ponerlo bajo carga sin ningún nivel de LLC, la tensión podría caer a 1,3-1,35, haciendo que el PC se estrelle y arruinando tus sueños de gloria.

En estos casos la Calibración de la Línea de Carga funciona en nuestra ayuda: ajustando sabiamente el procesador bajo carga se mantendrá a un voltaje mucho más cercano al que hemos establecido por el BIOS (pongamos 1.40-1.43V considerando un nivel medio-alto dependiendo de la placa base en la que se esté trabajando), teniendo como única contraindicación la temperatura definitivamente más alta que alcanzará su procesador.

Sin embargo, es posible hacer daño usando esta opción, ajustarla a un nivel demasiado alto podría resultar en un aumento considerable de voltaje (incluso 0.1-0.15V) que, además de causar problemas térmicos mayores, podría ser muy dañino para la CPU a largo plazo, especialmente si la mantienes bajo tensión por largos períodos de tiempo consecutivos (por ejemplo, si la usas para renderizar video).

Para usar LLC de forma segura, debe configurarlo a un nivel intermedio, controlar el comportamiento de la tensión con programas especiales durante la carga y asegurarse de que siempre hay un ligero vDroop.

También encontramos la posibilidad de establecer cuando nuestra CPU debe ir en la aceleración térmica, la forma de gestionar el balanceo actual de los VRMs (es decir, la regulación de la corriente basada en la temperatura de los MOSFETs), la cantidad genérica de corriente que puede utilizar la CPU y muchas otras funciones menores.

La señal PWM

Simplemente el nombre de la señal que su controlador envía a los MOSFETs. Los controladores generalmente alcanzan un máximo de ocho señales PWM (con las raras excepciones mencionadas anteriormente) y cada una corresponde a una fase real. Aunque los controladores generalmente alcanzan un máximo de ocho fases, es posible tener más fases utilizando componentes adicionales que veremos más adelante.

MOSFET, NEXFET, DrMOS y Dual N-Fet

Una vez que el controlador envía la llamada “señal PWM”, ésta, al pasar dentro de un controlador (que también puede ser integrado en el FET o controlador), llegará a nuestros queridos MOSFETs. Comencemos diciendo que MOSFET es sólo un nombre genérico y que hay diferentes tipos de semiconductores usados en las placas madre, mencionamos los cuatro más populares: MOSFET, NexFET, DrMOS y Dual N-Fet.

Los MOSFETs clásicos son los que encontramos en la gran mayoría de las placas base baratas, cada fase tiene, al menos, un MOSFET de Alto Lado y un MOSFET de Bajo Lado, pero, en caso de que haya problemas de tipo térmico o de disponibilidad de energía, puede incluso llegar a tener dos pares por fase (para un total de cuatro MOSFETs). Los MOSFETs de Lado Alto y Lado Bajo siempre se encienden y apagan en diferentes momentos y nunca hay dos MOSFETs asociados con dos señales PWM diferentes para encender y apagar al mismo tiempo.

Los NexFETs se encuentran en placas base de gama alta, son un único “paquete” y son generalmente más eficientes y capaces de suministrar más corriente que los “pares” de MOSFETs, lo mismo ocurre con DrMOS, pero estos últimos también incluyen el controlador dentro de ellos.

Las Dual N-Fets son una especie de compromiso entre las dos: incluyen un lado superior y un lado inferior MOSFET en su interior, pero se presentan como un único “paquete” para garantizar una mejor capacidad térmica.

Los MOSFETs tienen la función de encenderse y apagarse de forma continua y alterna para que la inductancia esté correctamente cargada y descargada (básicamente actúan como interruptores) siguiendo las instrucciones dadas por la señal PWM asociada a ellos. Cuanto mayor sea la calidad del FET, menor será la cantidad de calor que emitirá. También puede proporcionar una mayor ayuda para ajustar el voltaje.

Choques (o inductancias, si queremos usar un término genérico)

Inductores, choques, cuadrados, llámalos como quieras. La inductancia tiene la tarea de oponerse a una resistencia de 12v de la fuente de alimentación (PSU) para llevarla a la tensión requerida a través de la regulación llevada a cabo por los MOSFETs. Estos, de hecho, se aseguran de mantener siempre los inductores en el nivel de voltaje correcto al pasar una cierta cantidad de voltios a través de ellos. Los inductores no producen calor, sino que crean un “campo magnético” a su alrededor, ya que retienen la corriente.

Condensadores

Lo que hacen los condensadores en los VRM es, aproximadamente, lo que hacen siempre los condensadores: son un sistema de filtrado.

Sistemas de división

A menudo habréis oído que para saber el número de fases de una placa madre dada, basta con contar esos bonitos “cuadrados” (a los que hemos aprendido a llamar inductores) situados junto a los grandes disipadores de calor. Bueno, saber cuántas fases reales tiene tu placa madre, desafortunadamente, no es tan simple.

Existen muchos sistemas de “división” utilizados por los fabricantes de placas base, pero sólo hay dos que le permiten tener ventajas en términos de regulación de tensión. Vamos a verlas todas ahora y explicar por qué se usan y cómo pueden confundirte en el conteo de fases.

Más MOSFETs para todos

El primer método de “división” es insertar múltiples MOSFETs para cada señal PWM individual. Usando este método y pretendiendo adoptar un esquema de semiconductores clásico (es decir, con MOSFET de lado alto y lado bajo) obtendrá dos de lado alto y dos de lado bajo asociados con la misma señal PWM y que se encenderán y apagarán al mismo tiempo (pero siempre alternando el lado alto y el lado bajo). A veces las empresas optan por duplicar sólo el Lado Bajo porque es el que tiene mayor impacto desde el punto de vista térmico.

Este sistema se utiliza por varias razones: la primera es tener más corriente disponible, ya que los MOSFETs determinan cuántos amperios puede suministrar una placa madre en particular y la segunda es un principio térmico: de hecho, aumentar el número de semiconductores también aumentará su eficiencia. La división realizada de esta manera no tiene ninguna ventaja en términos de regulación de tensión, pero no complica su vida cuando se pasa a “contar las fases” a través de los inductores.

Larga vida a la abundancia

Este sistema es bastante similar al primero, pero junto con los MOSFETs también duplican las inductancias y la regla de “contar los cuadrados” encuentra su primer obstáculo. Desafortunadamente, muchas placas base utilizan este sistema y los fabricantes comercializan sus soluciones asociando un número irreal de fases con ellas. Podemos decir que gran parte de las placas madre 1151 y AM4 adoptan este sistema, citando sólo los sistemas más recientes.

Este sistema se utiliza por las mismas razones que antes, así como por razones comerciales (los fabricantes suelen escribir el número de inductancias en lugar del número de fases reales). Este sistema aumenta la distancia entre los MOSFETs al expandir la superficie de disipación, por lo que las temperaturas serán ligeramente mejores que las del método anterior.

La falsa duplicación

El peor sistema es sostener un simple par de MOSFETs y añadir una inductancia por fase. Este sistema es totalmente inútil, pero sigue estando de moda entre los fabricantes de placas base, especialmente en el extremo inferior, para comercializar su propia placa base, pasando de ser una placa base con muchas fases de suministro de energía.

La verdadera división

Casi pierdes la esperanza, ¿eh? Y sin embargo, aquí está, ante sus propios ojos, el sistema de división que puede hacerle decir en voz alta: “¡Mi placa madre tiene 16 fases reales de potencia!

Este sistema consiste en pasar la señal PWM a través de un “doblador” que reducirá a la mitad la frecuencia de conmutación (que parte del controlador doblado respecto a lo que realmente debería tener, sólo para asegurar que la velocidad de encendido y apagado sea la adecuada) y la doblará, transformando así nuestras 8 señales en 16 (mantendré el ejemplo de 8 dobladas en 16 para futuras explicaciones de este paso).

Claramente, la calidad de las fases divididas de esta manera se ve ligeramente comprometida, sobre todo porque no todos los dobladores mantienen un soporte completo para la funcionalidad del controlador (por ejemplo, el balanceo de corriente que a menudo es manejado por los dobladores como si fuera una placa madre con 8 fases y no 16) y también la calidad de la señal en sí misma se ve comprometida: siempre será mejor tener 16 fases lisas (lo que es bastante improbable si no se eligen los raros casos excepcionales) que tener 8 fases divididas en 16, aunque en el segundo caso se pueden obtener rendimientos más parecidos a los de una tarjeta con 16 fases que a los de una con 8.

La división suprema

Esto es la división suprema. No voy a entrar demasiado en la explicación, ya que sólo se puede encontrar en tableros muy caros y, normalmente, no en la clase de consumo (sólo lo utiliza el Z390 Xtreme de Gigabyte): simplemente hay dos controladores, uno reservado para Vcore con adición de doblador y otro reservado para “el resto”. Eso es todo.

Claramente este es el mejor método, ya que con él se pueden obtener 16 fases reservadas exclusivamente para el Vcore y alrededor de 2-3 reservadas para el resto.

¿Cómo se puede saber de un vistazo si las fases de una tarjeta son eficaces?

Hay un pequeño truco, desafortunadamente no es factible en todas las placas madre para entender sobre la marcha si una tarjeta tiene fases reales o fases donde simplemente hay el doble de componentes. Mirando las inductancias, alias “cuadrados”, a veces se puede leer un número precedido de una pequeña abreviatura: “TR”, o la capacidad de transmisión de la inductancia.

Al insertar el doble de los componentes, por razones de ingeniería, nos vemos obligados a duplicar el TR de cada uno de ellos para asegurarnos de que no sea demasiado bajo (ya que este valor, al insertar dos inductancias por fase real, se dividiría a la mitad). El valor correcto está alrededor de 18-24, así que cuando te encuentras leyendo números a los treinta o cuarenta años es siempre un sistema de división “ficticio”.

Cuando este número no es reportado (la mayor parte del tiempo), usted debe ir y buscar los componentes de la placa madre para saber si se monta o no dobladores.

Recuerde que esta es una guía extremadamente simplificada sobre el funcionamiento de los VRMs, para que esté disponible para todos. No hemos hablado de los diodos Flyback y hemos explicado en detalle cómo funciona el circuito VRM, pero para tener una idea general de cómo funciona la información dada debería ser más que suficiente.

Esto, entonces, es todo lo que hay que saber para tener una base mínima con respecto al funcionamiento del VRM, esperamos no haberle aburrido demasiado debido a no ser este el tema más emocionante del mundo.

QUE SON y COMO FUNCIONAN las VRM Voltage Regulator Module o FASES DE ALIMENTACION

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