Падает напряжение на процессоре под нагрузкой

Обновлено: 04.07.2024

Многие пользователи используют в материнских платах функцию калибровки линии нагрузки Load-Line Calibration (LLC), которая уменьшает просадку напряжения питания на процессоре. Особенно востребована функция при разгоне высокопроизводительных ЦП. Но неправильная установка режима калибровки способна вывести процессор из строя. Давайте разберемся, как работает LLC и дадим рекомендации по его правильной настройке.

Почему при стабилизированном напряжении VRM происходит просадка питающего напряжения

Для начала вспомним, для чего необходим VRM (модуль регулятора напряжения) центрального процессора и как он работает. VRM преобразует напряжение от блока питания (12 В) в низковольтное стабилизированное напряжение питания процессора (от 1,1 до 1,4 В). Сила тока при этом может достигать 150 А и более, в зависимости от модели ЦП.

Физически VRM состоит из импульсных стабилизаторов, часто называемых фазами питания, которые включают в себя индуктивно-емкостные LC-фильтры. С помощью коммутаторов на них подаются короткие импульсы. Благодаря интегрирующим свойствам фильтров, поступающие импульсы сглаживаются. То есть, форма питающего напряжения становится приемлемой для питания центрального процессора, хоть и имеет остаточную пульсацию. Эти импульсы формируются фазами питания не одновременно, а поочередно, при этом количество импульсов в одном цикле работы VRM будет соответствовать количеству фаз питания. Таким образом, чем больше фаз, тем больше импульсов в одном цикле, и тем выше качество сглаживания напряжения и больше максимальная развиваемая мощность.

Более подробно ознакомиться с работой модуля регулятора напряжения можно в специализированном материале. А о количестве фаз читайте здесь.

VRM является следящей системой автоматического регулирования. Это значит, что выходной регулируемый параметр (в нашем случае — напряжение с выхода VRM) через цепь обратной связи подается на вход этой системы. Затем происходит оценка отклонения от заданного значения и формирование управляющего воздействия для его корректировки.

При увеличении процессором тока потребления, напряжение на выходе VRM начинает уменьшаться и по цепи обратной связи поступает на схему сравнения. Последняя дает ШИМ-контроллеру команду на увеличение длительности импульсов. Это приводит к возрастанию передаваемой мощности через фазы питания и увеличению выходного напряжения до исходного уровня.

Почему же происходит просадка питающего напряжения при увеличении нагрузки? Дело в том, что VRM контролирует и стабилизирует напряжение только в той точке, от которой ответвляется цепь обратной связи. Фактическое значение на выводах центрального процессора VRM «не видит» — соответственно, на изменение этого напряжения он никак не реагирует.

К примеру, ток потребления процессора при мощности в 200 Вт и напряжении питания 1,2 В составляет 166 А (1,2 × 166 = 200). Участок цепи питания от выхода VRM до выводов ЦП состоит из фольгированных токопроводящих дорожек длиной несколько сантиметров и точечных контактов сокета, которые не способны обеспечить такое сопротивление, при котором не происходило бы падение напряжения при прохождении тока максимальной нагрузки.

Даже при сопротивлении этого участка цепи в 1 мОм (миллиом) и токе 166 А, на нем произойдет падение напряжения величиной в 0,16 В (166 × 0,001 = 0,16), которое вычитается от стабилизированного значения на выходе VRM (см. рисунок ниже). Чем больше ток потребления, тем больше падение напряжения питания на самом процессоре. Этот эффект и называется просадкой.

Как работает функция Load-Line Calibration (LLC)

Для современного ЦП большие просадки напряжения могут оказаться критичными, его работа будет нестабильной. Самый простой вариант решения проблемы — частично компенсировать разницу путем поднятия значения напряжения в простое, но это приводит к увеличению температуры и ускоренной деградации чипа. А значит, преждевременному выходу из строя.

Именно поэтому производителями материнских плат была внедрена функция Load-Line Calibration. Она добавляет фиксированное значение к проседающему напряжению питания процессора в периоды нагрузки. Наиболее актуальной функция LLC становится при разгоне процессора, так как в этом случае ток потребления значительно увеличивается — просадка приобретает критическое значение.

Почему при неправильной установке LLC возможно повреждение процессора

LLC обладает одной неприятной особенностью. При изменении нагрузки на процессор, компенсация не происходит мгновенно — включение и отключение длится некоторый короткий промежуток времени, называемый переходным процессом. Давайте посмотрим, как это влияет на практике.

Исследование проводилось специалистами ElmorLabs с использованием следующей конфигурации комплектующих и измерительного оборудования:

материнская плата ASUS ROG Maximus XI;
процессор Intel Core i9-9900K @ 4,7 ГГц при 1,2 В;
осциллограф Siglent SDS1104X-E.

Из второй осциллограммы видно, что функция LLC выходит на полноценный режим работы не в момент увеличения нагрузки, а только по истечении времени переходного процесса, что приводит к кратковременной недокомпенсации. На графике это выглядит как провал питающего напряжения (до 1,12 В), который не представляет опасности для работоспособности процессора.

Гораздо страшнее смотрится переходный процесс при завершении работы LLC. По окончании нагрузки на процессор напряжение питания восстанавливается до первоначального значения. Но функция компенсации еще не успела закончить свою работу и продолжает увеличивать это значение. Происходит перекомпенсация напряжения, которая выглядит как скачок до 1,27 В. Превышение установленного напряжения составило целых 0,8 В! Подобный перепад амплитуды способен вывести ЦП из строя.

Угрожающий характер эта ситуация принимает при разгоне процессора. В этом случае изначально устанавливается повышенное напряжение питания, а к нему добавляется еще и перекомпенсированное значение. Далеко не каждый чип способен пережить подобную «шоковую терапию».

Вольтметром данный скачок выявить нельзя: он измеряет среднеквадратичное (усредненное) значение напряжения. По той же причине не получится это сделать с помощью различных программ.

Как правильно настроить LLC

По результатам исследования можно сделать вывод о том, что устанавливать максимальный режим компенсации не рекомендуется, а при разгоне процессоров так и вовсе категорически не стоит этого делать. При выборе оптимального режима нужно искать компромисс между приемлемой компенсацией просадки и безопасной эксплуатацией процессора. Попробуем выбрать допустимый уровень LLC для вышеприведенной тестовой конфигурации. Для этого сравним осциллограммы всех уровней — с первого по восьмой.

В данном конкретном случае рекомендуется выбирать режим с шестым, а при разгоне процессора — с пятым уровнем компенсации. Скачки напряжения еще не имеют большой величины и превышают исходное напряжение питания на 0,5 В и 0,4 В соответственно (против 0,8 В у восьмого уровня LLC). При этом режимы имеют приемлемую компенсацию просадки напряжения — 75 % и 50 %.

На других материнских платах, и даже на этой плате, но с другим процессором, работа LLC может существенно поменяться. Кроме того, настройки режима калибровки линии нагрузки у разных производителей отличаются. Например, ASRock использует всего пять уровней, тогда как у ASUS и MSI их восемь. А компания Gigabyte вместо цифровых обозначений применяет более емкие словесные: «turbo», «extreme» и «ultra extreme».

Но общая рекомендация остается прежней — старайтесь не устанавливать максимальный уровень Load-Line Calibration. Держитесь промежуточных значений, особенно при разгоне процессора.

Читайте также: