Daha önce bir bilgisayar topladıysanız veya aktif olarak araştırma yapıyorsanız anakart seçiminde “VRM (Voltage Regulator Module)” gibi bir terimle karşılaşmış olabilirsiniz. Özellikle hız aşırtmaya ilgi duyanlar voltaj regülatörleri hakkında daha ayrıntılı araştırma yapar.
Donanım dünyasında bu ismi sık sık duyabilirsiniz. Ancak çoğu kişi bu modüllerin nasıl çalıştığını, nasıl görev yaptığını bilmez. VRM’ler bilgisayar performansını, özellikle de CPU performansını etkileyebilir.
Anakartın Önemli Bir Parçası: VRM Nedir?
Şimdi VRM dediğimiz, voltaj seviyesini korumak için kullanılan bileşenlerin detayına inelim. Voltaj regüratörlerinin görevi basit olsa bile sistemin istikrarını sağlama konusunda anahtar rol oynayabilir.
Birazdan kaliteli ve vasat bir VRM arasındaki ayrıma da bakacağız. Buradaki bilgiler sayesinde artık yeni bir anakart satın alırken belki olaya farklı yaklaşacaksınız. Özellikle de üst düzey bir sistem toplarken.
VRM’nin nasıl çalışma şekline gelmeden önce, tam olarak ne olduğunu ve terimin ne anlama geldiğini anlatalım. “Voltaj regülatör modülü” anlamına gelen VRM, işlemci, bellek ve ekran kartının gereksinimlerini karşılamak için voltajları düzenleyen ve dönüştüren bir elektronik devredir.
VRM’leri bir tür mini güç kaynağı olarak da düşünebilirsiniz. Tıpkı duvardan 120 veya 240 volt alan ve 12 volt DC akıma dönüştüren ana güç kaynakları gibi.
Anakartlardaki VRM’ler ikinci kez de olsa aslında aynı işi yapar, ancak daha küçük ölçekli şekilde. Güç kaynağının 12 voltluk (DC) çıkışını alır ve bunu bir GPU için tipik olarak yaklaşık 1V’a veya bir CPU için 1,4 V’a dönüştürür. VRM’nin diğer önemli görevi ise voltaj dalgalanmalarını ve düşüşleri engellemek, her şeyi stabil hale getirmektir.
Yukarıdaki fotoğrafta yenil nesil bir anakarttaki VRM tasarımını görebilirsiniz. Güç dağıtım sisteminde üç ana eleman vardır: MOSFET’ler, bobinler (choke-şok bobinleri) ve kapasitörler (kondansatörler). Bunlar genellikle CPU soketinizi çevreleyen soğutucuların altında bulunur ve fark edilmeleri oldukça zordur. Güç sisteminde ayrıca böyle bileşenlere gelen elektrik akımının belirli değerleri aşmamasını sağlayan diyotlar ve dirençler bulunur.
Anakart VRM’leri Nasıl Çalışır?
Voltaj düzenleme devrelerinin dayandığı temel prensip, bir giriş voltajını açıp kapatarak bir devrenin ortalama çıkış voltajını düşürme yeteneğidir. Örneğin, güç kaynağınızdan 12V DC girişiniz varsa ve bunu eşit bir süre boyunca açıp kapatırsanız, ortalama voltaj 6V DC elde edilir.
İstikrarlı bir ortalama voltaj elde etmek için bunun saniyede birkaç yüz kez gerçekleşmesi gerekir. Anahtarlama, MOSFET (metal oksit yarı iletken alan etkili transistör) devresi aracılığıyla gerçekleştirilir. Ancak MOSFET tek başına değil, CPU’ya mümkün olan en istikrarlı gücü vermek için bobinler, kapasitörler ve PWM kontrolörleri gibi diğer birimlerle birlikte çalışır.
Anakart VRM Bileşenleri Nelerdir?
MOSFET
Esasen yalıtılmış bir kapı olan MOSFET, elektronik sinyalleri yükseltmek veya en aza indirmek için kullanılan bir tür anahtardır. Pratikte yaptığı şey, güç fazlarını yönetmekten ve sinyalleri dengelemekten sorumlu olan PWM kontrol çipi tarafından gönderilen sinyale ve değere bağlı olarak geçen akımı düzenlemektir.
Süreci daha iyi açıklamak için aşağıdaki şemaya bakabiliriz. Temel bir VRM devresi, bu durumda temelde sadece anahtarlar, bir indüktör ve bir diyot olan iki MOSFET’ten oluşur. VRM MOSFET’lerin tasarımı değişebilir fakat hepsi aynı işleve sahiptir. Bu nedenle MOSFET türlerine daha ayrıntılı bakmaya gerek yok. Basit bir tabirle, voltaj dönüşümü MOSFET’te başlar ve iş yükünün çoğu burada gerçekleşir.
VRM devresi CPU’ya geçen voltaj miktarını kontrol etmek için iki MOSFET anahtarı kullanmakta. İlk anahtar (yüksek taraf) kapatıldığında indüktörün girişindeki voltaj 12V seviyesindedir. Bu da akımın esasen manyetik bir çekirdeğin etrafındaki bobinden akmaya başlamasına neden olur, çıkış voltajı yavaşça yükseltilir.
Devam edelim. CPU veya GPU için istenen voltaja ulaşıldığında anahtar kapanır, bu da bobin girişinin sıfır olduğu anlamına gelir. Bobine giden elektrik beslemesi düştükçe etrafındaki manyetik yük dağılır, ters yönde bir voltaj gönderilir (böylece çıkış voltajı kesilmez, üzerine ekleme yapılır) ve bu voltaj zamanla düşer. Bahsettiğimiz işlem saniyede birçok kez tekrarlandığında voltaj istikrarı sağlanır. Diğer bir deyişle, voltaj nispeten sabit adımlarla artar ve düşer.
MOSFET’ler hakkındaki bir başka önemli detaya gelince, her açılıp kapandığında ısı üretilir ve bu ısı yaklaşık 150 santigrat derecenin üzerinde olabilir. Yani MOSFET’ler oldukça fazla ısınabilir, belirli durumlarda sınırlar zorlanır.
Sıcaklık her zaman birincil düşman. VRM MOSFET’ler çok ısınırsa yarı iletkenin direncini etkiler, bu da verimlilikte bir düşüşe yol açar. Üretilen ısıya bir dur dememiz lazım ve devreler sürekli olarak yüksek sıcaklıkta çalışamaz. Modern anakartlardaki çoğu MOSFET’in soğutucu veya minyatür fan gibi soğutma çözümleriyle desteklenmesinin temel nedeni de bu. Ayrıca görsel olarak da anakarta güzel bir estetik katıyor.
Bobinler
VRM’lerin bir başka temel bileşeni ise bobindir. Bobinler (indüktör), MOSFET’ten çıkan voltajı stabilize etmek için alternatif akım (AC) sinyallerini daha düşük frekanslara veya doğru akıma (DC) dönüştürmekten sorumlu.
Bir bobin PWM’den gelen yüksek frekanslı gücü (12V) alır ve sabit bir frekansa (1,2-1,4V) dönüştürür. Böylelikle güç CPU ve diğer bileşenler tarafından kullanılabilir hale gelir. Yani özünde aynı anda iki işlev için hizmet eder. Birincisi gücü depolamak ve filtrelemek, ikincisi ise gücün genel kalitesini kontrol etmek.
Her zaman olmasa da genelde metalden yapılan şok bobinleri anakarta sağlanan gücün kalitesinde önemli rol oynar. Dolayısıyla anakartların sunduğu hız aşırtma becerileri konusunda önemlidir. İndüktörler ne kadar iyi olursa anakartın hız aşırtmaya dayanma kabiliyeti de o kadar yüksek olur.
Ayrıca bir anakart üzerindeki her bir bobin aynı zamanda bir güç fazını temsil eder. Ve genel bir kural olarak, bir anakarttaki faz sayısı ne kadar yüksekse, voltaj o kadar istikrarlı olur.
Kondansatörler
VRM’nin inceleyeceğimiz son temel analog bileşeni ise kondansatör. Kapasitör olarak da bilinen bu bileşenler elektronik cihazlarda enerjiyi bir elektrik alanında depolamak için kullanılır, gerektiğinde enerjiyi bağlı oldukları boşaltabilir. Deyim yerindeyse pil gibi hareket eder, ancak tüm enerjisini hızlı bir şekilde verebilmesi için daha yüksek depolama kapasitesine sahiptir.
Bir VRM ve ona karşılık gelen güç fazları için de aynı amaca hizmet eder. Kondansatörlerin VRM işleyişinde iki ana işlevi var. Bunların ilki elektrik akımını biriktirmek. İkincisi ise voltaj dalgalarını depolamak ve devredeki dalgalanmaları azaltmak. Buradaki fikir, bobinden alınan akımı depolamak ve CPU’nun ihtiyaç duyduğu doğru miktarda gücü sağlamak diyebiliriz. Lazım olmayan kısım toprak yoluyla boşaltılır veya serbest bırakılır.
Özetle kapasitörler güç dağıtım sisteminin en önemli bileşenidir. Bir VRM’ye kaliteli diyebilmek için yüksek standartlı ve yüksek kaliteli kapasiteli kapasitörler kullanılması gerekir. Bu tür gelişmiş ürünler Solid Capacitor (Katı Kapasitör) veya Hi-C Capacitor olarak biliniyor. Yeni nesil anakartlarda daha çok katı hal kapasitörleri kullanılıyor ve elektrolitik olanlara fazla yer verilmiyor.
1990’ların sonu ve 2000’lerin başında, özellikle Tayvanlı üreticilerin birçok anakartında katı olmayan kapasitörler kullanılıyordu. Bu anakartlarda beklenenden daha yüksek arıza olanları gözlemlendi. Arızalar büyük ölçüde korozyona neden olan elektrolit bileşiminden kaynaklanıyordu ve kapasitörlerin patlamasına neden olan yüksek seviyelerde gaz oluşuyordu.
Bu durum 2000’li yılların başında kapasitör salgını olarak biliniyordu ve bilgisayar camiasında kötü bir üne sahipti. Nihayetinde ise yavaş yavaş alkalin kapasitörlerden katı hal kapasitörlere geçiş başladı.
PWM Denetleyici
VRM’lerin temel analog bileşenlerini tartıştığımıza göre, şimdi devrenin PWM (darbe genişlik modülasyonu) kontrolörü adı verilen elektrik akışını kontrol eden kısmına geçme zamanı. Bu kontrolör, daha sonra devrenin analog kısmına – MOSFET’ler, Şoklar vb. beslenen PWM darbelerini sağlar.
PWM Kontrolcü
VRM’lerin temel analog bileşenlerinden bahsetmişken PWM (pulse width modulation-darbe genişlik modülasyonu) kontrolcüsü adı verilen, elektrik akışını kontrol eden birimlere geçelim. PWM kontrolcüsü, devrenin analog kısmına (MOSFET, bobin vb.) gönderilen PWM darbelerinden sorumlu.
Ancak PWM kontrolörleri sadece sabit bir darbe atan basit cihazlardan ibaret değil, oldukça karmaşık bir yapısı var. Özellikle üst düzey kontrolcüler çoklu faz kontrol sistemlerine sahiptir ve VRM’nin bir diğer önemli işlevi olan izleme işlevini de yerine getirir. Dahası, CPU veya GPU’nun voltajı hiçbir zaman tam olarak sabit olmadığından dolayı çip daha verimli olmak için gerekli gücü düzenli olarak azaltmak veya artırmak için çok fazla iş yapar.
Peki PWM ne kadar güç sağlayacağına nasıl karar veriyor? Basitçe söylemek gerekirse, bunu CPU ve PWM arasında bir geri bildirim döngüsü oluşturarak yapıyor. PWM denetleyicisi, anakartın BIOS ayarlarında bulunan CPU’nun referans voltajını (VREF) alır ve sürekli olarak VRM’yi besler. Bu voltaj daha sonra mevcut voltaj ile ölçülüyor, VREF ile gerçek voltaj arasında bir fark varsa PWM kontrolcüsü çıkış voltajını tekrar aynı hizaya getirmek için sinyali değiştiriyor.
Bu işlem on yıl öncesine kadar çoğunlukla analog PWM’ler tarafından yapılmaktaydı, ancak günümüzde çoğunlukla dijital PWM’ler kullanılıyor. Dijital PWM’lerin avantajı, mikrodenetleyicinin voltaj düzeltme hesaplamalarında çok daha fazla sayıda başka değişken ve parametreyi dikkate almasına olanak sağlamasıdır. Sıcaklık sensörleri, BIOS ayarları ve diğer izlenen değerler sürece katkı sağlamakta.
Dijital PWM kontrolcülerinin dezavantajına gelince, tahmin edebileceğiniz gibi daha pahalı ve entegrasyon süreci daha karmaşık. Yeni nesil diyebileceğimiz anakartlarda CPU ve bellek güç dağıtımı için dijital PWM’ler tercih ediliyor. Öte yandan üreticiler, daha önemsiz anakart bileşenleri için analog PWM’ler kullanabiliyor.
Güç Fazı Nedir?
Elektrik sinyalinin MOSFET tarafından açılıp kapatılması normalde saniyede birkaç yüz kez yapıldığından, voltaj CPU’nun tolere edebileceğinden daha fazla dalgalanabilir. Dolayısıyla kararlılık sağlamak için çok sayıda MOSFET kullanılması gerekiyor.
Tek bir VRM devresi belirli uygulamalar için yeterince etkili olabilir, ancak mümkün olduğunca düzgün voltaj dağıtımı sağlamak için çok fazlı VRM oluşturarak paralel VRM sistemi oluşturmak mümkün. Her bir VRM fazı doğru şekilde kademelendirildiği takdirde fazların enerji yükünü daha fazla sayıda bileşene dağıtması sağlanmakta. Bu sayede CPU veya GPU’ya daha hafif şekilde güç sağlanırken aynı zamanda ısı üretimi ve bileşenler arasındaki stres azaltılır.
Anakart üreticilerinin sıklıkla 8+3 veya 6+2 gibi A+B formatında yüksek sayıda fazın reklamını yaptığını görürsünüz. Peki bu ne anlama geliyor? Basitçe özetleyecek olursak, ilk sayı CPU’ya ayrılan fazları, ikincisi ise RAM gibi anakartın diğer parçalarına ayrılan faz sayısını gösteriyor.
Fazla sayısı arttığında daha yumuşak, daha stabil güç iletimi yapılabiliyor. Örneğin, giriş seviyesi anakartlar genellikle üç veya dört fazlı CPU gücüne sahipken, daha yüksek kaliteli anakartlar altı-sekiz faza sahip olabilir.
VRM Kalitesi CPU Performansını Etkiler mi?
Çoğu bilgisayar kullanıcısının VRM’ler hakkında sorduğu soru şudur: VRM sistemi performansa nasıl etki eder? Doğruyu söylemek gerekirse, VRM’nin kalitesi diğer bileşenler kadar etkili değildir. Ancak güç sistemi gelişmiş olursa, uzun ömürlülük ve sistem kararlılığı açısından büyük farklar yaratabilir.
Ucuza üretilen VRM’ler zamanla arızalanmaya başlayabilir ve stok hızlarda sistem kararsızlığına ve hatta çökmelere yol açabilir. Ayrıca düşük kaliteli bir VRM, anakartınızın güç dağıtımını diğer pahalı bileşenlere zarar verebilecek noktaya kadar bozabilir.
Son olarak, alt seviye bir anakartta hız aşırtma yapmak istiyorsanız buna yeltenmeseniz daha iyi olur. Eğer overclock yapmak istiyorsanız da işleri ağırdan alın, küçük artışlarla başlayın. Özetle, hız aşırtma sırasında bilgisayar zorlandığından dolayı daha yüksek voltaj kontrolüne ihtiyaç vardır. Bu da yalnızca yüksek kaliteli VRM’ler tarafından sağlanabilir.
