Actualizado a: 19 de enero de 2024
Seguro que en más de una ocasión has escuchado hablar del VRM, ya sea en temas referidos a la GPU o a la CPU, placas base, etc. Pues bien, hoy te hablamos de este circuito electrónico encargado de una función esencial y que no todos conocen.
¿Qué es VRM?
Un VRM (Voltage Regulator Module), o módulo regulador de voltaje, es un circuito electrónico que regula y reduce el voltaje que le llega a su entrada para dar una salida adecuada al chip al que va a alimentar. Por ejemplo, puede tomar el voltaje que le llega a través del riel de la fuente de alimentación, que puede ser de 12v, 5v o 3.3v (Vcc) y convertirlo en un voltaje operativo mucho más bajo, como 1.2v, 1v, 0.8v, etc.
Estos otros voltajes son los que necesitan chips como la GPU o la CPU para funcionar. Además, estos circuitos se suelen colocar cerca de la CPU o GPU, en la PCB, generalmente alrededor de ella.
Tipos de VRM
Dentro de los VRM existen varios tipos que deberías conocer:
VRM de fase única
Un VRM de fase única se implementa como un convertidor reductor de voltaje. El objetivo de este circuito es tomar un voltaje dado por la fuente de alimentación y aportar un voltaje operativo mucho más bajo como he comentado anteriormente.
El objetivo es entregar un voltaje constante a un determinado valor usa un circuito elemental compuesto por diodos, transistores, condensadores, y un inductor. Su diseño es bastante simple, usando PWM para proporcionar conmutación en el MOSFET y lograr así la regulación deseada. Además, la corriente y voltaje de salida se pueden configurar eligiendo el ciclo de trabajo y la frecuencia apropiados a los que funciona este VRM, por lo que no es fijo.
Te puedes estar preguntando que si es básicamente un convertidor reductor, ¿por qué no usar un circuito integrado regulador convencional? La respuesta está en que la CPU o GPU tienen márgenes de ruido muy reducidos en comparación con otros circuitos integrados que trabajan con voltajes más altos. Estos márgenes reducidos requieren una regulación de voltaje altamente estable, y por eso se usan VRM, que son capaces de proporcionar mayor precisión y estabilidad frente a un convertidor reductor convencional.
VRM multifásico
Los VRM multifase son los que incluyen varias etapas en paralelo y que funcionan con un ciclo de trabajo bajo, generalmente un 10% más bajo, aunque dependerá del número de etapas que tenga. Estos circuitos son los más populares en los sistemas modernos, ya que para la CPU o GPU actuales se suelen implementar VRM de 3 o más fases (4, 6, 8,…).
Estos VRM funcionan de manera muy similar al monofásico descrito anteriormente, pero utilizan multiples circuitos en paralelo para manejar una parte de la corriente total en cada etapa o fase. Cada fase está ligeramente desplazada de modo que, en un momento dado, solo una fase tiene el interruptor del lado alto cerrado y acumulando una carga en su inductor, el resto de fases están descargando en ese momento.
De esta forma, aún estamos generando un mismo voltaje deseado, solo que cuando en una fase comienza a caer el voltaje, la siguiente fase se hace cargo. Esto da como resultado un promedio de voltaje mucho más estable. Por tanto, estos VRM son ideales para chips tan meticulosos con el voltaje como la CPU o la GPU.
Por otro lado, también hay que destacar que al tener varias fases, cada una de las fases manejará solo un porcentaje de la corriente total. Por ejemplo, en un VRM de dos etapas o fases, cada fase manejará aproximadamente el 50% de la corriente media. Esto genera que las fases estén sometidas a menor presión sobre cualquiera de sus componentes individuales.
Y no solo eso, debido a la conmutación del MOSFET del lado alto y del bajo, hay una ondulación en la señal de voltaje no deseada. Cuantas más fases, menos se observará este efecto, por lo que también será beneficioso.
Fases verdaderas y virtuales
Seguramente, también has encontrado términos como True Phases o Virtual Phases a la hora de investigar sobre los VRM. Y es que se debe diferenciar entre las fases que provienen directamente del controlador PWM, etc.
Por ejemplo, algunas placas base usan controladores PWM duales de 6+1 fases, como el chip Intersil ISL6367, pero verás que en las descripciones del producto pueden apuntar que tienen 8 fases o más. Esto se lugra duplicando 4 de las 6 fases para obtener 8 fases, dejando las dos fases restantes sin usar. Por tanto, aquí se puede decir que existen 8 fases virtuales, pero 4 fases reales o verdaderas.
La ventaja en este caso es que hay una mejor entrega de energía debido a la mejor distribución de la corriente. Sin embargo, el efecto de entrelazado sigue siendo relativamente pobre en comparación con 6 u 8 fases verdaderas. Además, el uso de fases virtuales a veces puede inducir a error a creer que la placa base tiene un mejor VRM del que realmente tiene.
Retroalimentación y regulación
Como debes saber, el voltaje de una CPU rara vez es constante, porque para ser más eficiente, tiene técnicas de escalado de frecuencia y voltaje dinámicas para adaptarse a la carga de trabajo que tienen en cada momento y así reducir el consumo y mantener controlada la temperatura.
Esto crea una situación que no es ideal para un VRM, ya que necesitará compensar y corregir la caída de voltaje en cada instante. Esta corrección se realiza mediante un circuito de retroalimentación. De hecho, en muchas placas base actuales, estos sistemas suelen ser bastante avanzados para cumplir con las necesidades del hardware actual.
Para que todo funcione, se necesita un voltaje de referencia, que suele estar configurado en el BIOS/UEFI (SVID/DVID), que será con el que se alimente la CPU. De esta forma, comparando el voltaje de referencia y el voltaje real alimentado de la CPU, se puede usar para modificar la señal PWM con la que se puede corregir con mayor precisión la señal de voltaje enviada a la CPU.
Hay que decir que estos VRM pueden servir tanto para circuitos analógicos como para circuitos digitales. Además, los propios VRM pueden ser analógicos o digitales.
En la actualidad se suelen usar VRM digitales, donde el voltaje de referencia ya es digital y se alimenta directamente a un microcontrolador. Además, como algunos valores de monitoreo son analógicos en la retroalimentación, también incluirá un conversor A/D para transformar las señales analógicas en digitales.
En los VRM digitales actuales, el microcontrolador o MCU tomará todas las líneas de retroalimentación, el voltaje de referencia y también otras variables que provienen de sensores varios, configuraciones BIOS/UEFI y otros valores almacenados. Como este MCU tiene una pequeña cantidad de memoria para almacenar configuraciones personalizadas, permitirá mayor personalización.
A medida que continúa el muestreo y la corrección, la nueva señal se calcula en función de las modificaciones anteriores, lo que da como resultado que se alcancen umbrales más estrictos. La principal ventaja de usar un circuito digital es la gran cantidad de libertad y control de personalización. Además de las diversas protecciones (por ejemplo, OVP , OCP , OTP , UVP y SCP ), los controladores avanzados pueden controlar cuántas fases se encienden y apagan para aumentar la eficiencia del sistema y otras configuraciones específicas de fase VRM.
Hay una serie de desventajas en tales circuitos digitales. Además de ser mucho más costosos, también requieren la implementación de códigos y algoritmos bastante complejos para que sean efectivos. También vale la pena señalar que las soluciones digitales no son ni mucho menos perfectas porque la frecuencia de muestreo es considerablemente más lenta de lo necesario, por lo que se implementa algún tipo de interpolación.
Componentes
Para finalizar, si quieres localizar estos elementos VRM en tu placa base, es muy fácil, ya que, como he dicho anteriormente, suelen estar rodeando al socket de la placa base o al microprocesador soldado en la placa. Lo mismo para las PCB de tarjetas gráficas, que suelen tener estos elementos alrededor del chip GPU.
Uno de los más fáciles de visualizar son los condensadores (de polímero de aluminio FP5K 821)que hay alrededor del chip de procesamiento, y también los voluminosos estranguladores (Trio R51A) que rodean al procesador. En la imagen anterior podemos ver los condensadores (capacitors) en rojo, y los estranguladores (chokes) en color verde.
Por otro lado, también puedes apreciar unos disipadores térmicos bajo los cuales están los transistores MOSFET (tipo 5525L y 9025L), ya que estos se pueden calentar bastante, más aún en el caso de un sistema con overclocking.
Por ejemplo, en la placa base de arriba tenemos 16 fases que se componen de 16 condensadores, 16 estranguladores, 32 MOSFETs, 16 diodos y 16 resistencias. Y dado que no existe un PWM de 16 fases, está claro que en esta placa base se han duplicado, por lo que no serán etapas o fases reales, sino virtuales. De hecho, este modelo concreto se anuncia como VRM de 16+2 fases, pero solo usa 8 fases verdaderas duplicadas en 16 virtuales.
Además, en esta placa base en particular, de la marca ASUS, esta firma también implementó un chip o controlador PWM llamado PEM como puedes ver. También tienes un chip llamado EPU (Energy Processing Unit), que es una unidad de procesamiento de energía. En el caso del chip EPU es un ASP0800 y en el caso del PEM es un ASP0801, cada uno de los cuales ofrece 4 fases sincronizadas con las 8 fases reales. Luego, estas 8 fases se duplican como he comentado anteriormente para hacer las 16 virtuales.
Además, en esta placa base, el EPU tiene características adicionales, como la capacidad de modificar dinámicamente los ciclos PWM en función de la carga, así como la exposición de esta funcionalidad a través del software para un ajuste manual por parte del usuario si es necesario o para la modificación de las frecuencias.
Ahora ya sabes qué es un VRM, y también sabes ya cómo identificarlo…
