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[Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

IluBabe

Volt-Modder(in)
[Guide] Einführung in die Spannungsversorgung


Inhaltsverzeichnis:
1. Einleitung
2. Grundlage
2.1. Spezifikationen der VDR
2.2. Verwendete Bauteile in einer Spannungsversorgung
2.3. Aufbau der Spannungsversorgung für den Prozessor
2.3.1. Vom Netzteil bis zur Phase
2.3.2. Der PWM Chipsatz
2.3.3. Wie funktioniert eine Phase?
2.4. Phasenlayout
2.4.1. Parallelisierung
2.4.2. Verschiedene Phasenarchitekturen
2.4.3. Was bewirken wahre Phasen und Phasenverdopplungen
3. Vergleichbarkeit von Komponenten
3.1. Spulen
3.2. Kondensatoren
3.3. Spannungswandler
3.4. Kühlkörper
4. Billig oder Fair?
5. Ausblick
6. Weiterführende Links



1. Einleitung
Ein Detail der Entscheidung welches Mainboard man kauft, ist die Spannungsversorgung. Neben anderen Eigenschaften wie Sound, PCIe Laneaufteilung und weiterem findet sie nur wenig Erwähnung. Viele sind sich der richtigen Wahl nicht bewußt. In einigen Fällen wird durch Empfehlung vorselektiert. Andere treffen die Entscheidung aus dem Bauch heraus und stellen erst im nachhinein fest, dass sie doch falsch lagen bzw. wundern sich warum das nicht so klappt, wie sie es sich vorstellten. Was ist nun richtig oder falsch? Worauf sollte man achten, wenn man selbst wählen muss oder will? Wo liegen die Fallstricke. Hier soll es um diese Fragen gehen, das Drumherum sowie allerdings auch die Grundlagen. Leider sind falsche Informationen im Internet zu der Materie zu finden. Insbesondere bei der Phasenanzahl kann einem schummrig werden. Bei Einführung einer neuen Generation von Mainboards wird gern spekuliert. Gerüchte halten sich lang - ja tradieren sich sogar. Informationsmaterial hierzu findet sich zumeist im englischsprachigen Raum, weshalb viele Begriffe auch direkt von dort übernommen werden für den Guide.



2. Grundlagen
Wie funktioniert es auf meinem Mainboard? Dieses Frage wird sich der ein oder ander schon gestellt haben. Wie es im konkreten Fall funktioniert ist vom Prozessoraufbau abhängig. Da die Technik über die Jahre weiterentwickelt wurde und es zu Änderungen gekommen ist, hat jede Generation ihre eigenen Kniffe. Nicht nur die Prozessoren änderten sich und stellten neue Anforderungen, ebenso gab es Fortschritte gerade im Bereich der für die Spannungsversorgung verwendeten Komponenten. Die Wichtigkeit einer ausreichend dimensionierten Spannungsversorgung enthüllt sich, wenn man auf einem System mehr machen will, als einen Prozessor auf voreingestellten Werten zu betreiben. Die Relevanz steigt für den Übertakter. An dieser Stelle sei gewarnt, dass Übertakten auf eigene Gefahr geschieht. Die CPU als auch das Mainboard laufen außerhalb der Spezifikationen!

Es wird nun folgend dargestellt wie es der Fall ist bei Intel im Jahr 2014 anhand von Haswell Prozessoren. Dazu müssen wir zuerst einen Blick auf den Prozessor werfen. Intel gibt den Herstellern ein Grundgerüst an Werten vor, die vom Strommanagment des jeweiligen Sockel eingehalten werden müssen. Zu finden ist dies in der so genannten VDR (Voltage Regulator Down). Dort enthalten sind Beschreibungen für das Strommanagement zwischen dem Prozessor und der Spannungsversorgung. Prozessoren der Intel Core-i-Serie sind seitens Intel mit einem "integrierten CMOS voltage regulator" versehen. Dieses Prinzip hat Intel nun seit einigen Generationen voran getrieben. Mit diesem Schritt sind Teile der Spannungsversorgung in die CPU gekommen. Intel begründete die Verlegung in die CPU damit, dass die bis dahin bestehenden Lösungen der Spannungsversorgung zu langsam wechselten zwischen benötigter Spannung und Zeiten in denen keine Last anfällt. Der jetzige Aufbau vereinfachte die Spannungszufuhr.



2.1. Spezifikationen der VDR
In der VDR ist für die Mainboardhersteller festgesetzt, wie die Spannungsversorgung der CPU zu gestalten ist.
Asrock Z97 Extreme 6 Haswell Spzifiziert nach VRD 12.5.JPGAsus P5Q Deluxe - VDR 11 Spezifiziert2.JPG
Foto Z97 Chipsatz zertifiziert für Intel Haswell nach VDR 12.5; Foto P45 Chipsatz zertifiziert für Core2Duo und Quad nach VDR 10; Mit diesen Logos wird die Einhaltung der Vorgaben garantiert (sry für die abgelagerte Schachtel)

Sockel 775, 1156 und 1366 ist VDR 10, VDR 11 und 11.1 (Voltage Regulator-Down 11.0: Processor Power Delivery Design Guide bzw. Voltage Regulator-Down 11.1: Processor Power Delivery Design Guide)
Sockel 1155, 1150 und 2011 ist VDR 12 und 12.5 ("Betriebsgeheimnis", wird nachgereicht)

Aus der VDR 11.1 von September 2009 lassen sich einige Informationen herausziehen. Zwar sind diese nicht für Haswell aktuell, doch da es in der Architektur eine Schrumpfung gegeben hat, sind nach VDR 12 und 12.5 ähnliche wenn auch geringere Werte vorgegeben. Es erfolgte ein Umstieg von der klassischen Voltage-ID (VID) auf eine serielle VID (SVID). Das Strommanagment wird gesteuert über 8-bit-Werte. Eine parallelen Interface ist vorgeschrieben für die Ansteuerung des Spannungsversorgung-Kontrollchip (PWM Controller/IC).

Bei der Vorgabe für den PWM ist die VID Spannweite zwischen 1.6V und 0.5V vorgegeben, wobei unter 1V die VID Stufen in 5mV Schritten liegen sollen und oberhalb von 1V nicht 8mV überschreiten. Wer sich also wundert, warum nicht wie auf neueren Mainboards die Spannung in mV genau eingestellt werden kann, der ist reglementiert durch den verwendeten PWM-Controller auf beispielsweise eine Z68er Mainboard. Selbes gilt für eine Vcore von maximal 1.6V. Allerdings sind dies die Mindestregelbereiche. Viele der auf Mainboards verwendenten PWM Chips haben größere Regelbereiche und eine genaure Abstufung.

Die Ripple Voltage im Normalbetrieb darf 10mV von Spitze zu Spitze nicht überschreiten respektive 20mV im PSI# Fall. Die maximale Überspannunng beim Wechsel der Spannung die für den Lastzustand benötigt wird, darf diese bezeichnet als Vos_max gleich 50mV nicht überschreiten in einem Zeitraum von Tos_max 25µs. Ein Prozessor der etwa auf 1,4V Vcore betrieben wird, darf "kurzzeitig" im Lastwechsel auch 1,45V aufnehmen und wenn er vom Stromsparmodus wechselt, wären es sogar 1,470V!

Intel gibt für diese Prozessoren einen Strombedarf von 30-135A TDC vor. Die OVP (Over Voltage Protection dt. Überspannungsschutz) ist bestimmt mit 1,6V+200mV. Die OCP (Over Current Protection dt. Überstromsschutz) wurde auf 130% des vom VRM bereitgestellten Strom festgesetzt. Für den Sockel 1366 ist die Vorgabe ein maximaler Inputstrom Iccmax 145A, Sockel 775 Iccmax 125A und Sockel 1156 Iccmax 110A. Den Mainboardherstellern ist freigestellt wie sie ihr Phasendesign gestalten. Eine einzelne Phase nimmt Intel an sollte etwa 20A bereitstellen.

Mit Haswell folgte noch ein tiefergehender Schritt. Es gibt nunmehr zwei Stufen der Spannungswandlung. In der ersten Stufe dem größeren VRM auf dem Mainboard wird die vom Netzteil gelieferte Spannung von 12V auf die Eingangspannung (Vccin 1,8 bis 3V) des Prozessors gewandelt. Die zweite Stufe des VRM ist im Inneren des Prozessors und transformiert aus dieser Eingangsspannung wiederum Spannungen für die Vcore und andere Spannungen die für Prozessorteile notwendig sind wie die System Agent, Ring, pGFX und so weiter. Dies entlastet die Spannungswandler des Mainboards, da nun nicht mehr von 12V auf beispielsweise 1,2V direkt gewandelt werden muss, schafft jedoch zugleich im Prozessor selbst eine Wärmequelle durch darin integrierte Spannungswandler, die dann die Eingangspannung auf etwa die Kernspannung (Vcore) absenken.

Umstellung auf VIFR mit Haswell (Quelle: hothardware.com)


2.2. Verwendete Bauteile in einer Spannungsversorgung
Asus P5Q Deluxe - echte Werbung1.JPG
Schaltregler auch Spannungswandler als Transistoren aber zumeist als Mosfets ausgeführt (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), sind Bauteile die anstatt wie ein Widerstand Strom in Wärme umzuwandeln, um die Spannung zu transformieren, in kurzen Intervallen für eine vorgegebene Zeit Strom leiten und so Energie stückchenweise von einem höheren zur einem niedrigeren Spannungsniveau wandeln. Vollständig ohne Wärmefreisetzung ist die Transformation jedoch nicht möglich. Daher verwendet man auch Kühlkörper in verschiedenen Dimensionierungen.

Spulen (engl. Inductor oder Choke) sind Bauteile die in magnetischen Feldern Energie speichern. Je nach Form und Art sind es Wicklungen die in Ummantelungen auf dem Mainboard als mattschwarzen Keramikblöcke vebaut werden. Sie sind zum Filtern der Spannung notwendig, da durch das hochfrequente ein und ausschalten (pulsieren) der Spannungswandler wechselspannungsähnliche Effekte auftreten. Die Spule bestimmt neben den Spannungswandlern den maximal pro Phase verfügbaren Strom.

Kondensatoren (engl. Capacitor) oft in der Ausführung als Elektrolytkondensator sind Bauteile die in einem elektrischen Feld Energie speichern. Sie sind das Reservoir vor dem Prozessor der sich aus diesem Speicher bedient um bei Lastanstieg die Spannung zu halten.

PWM-Controller, -IC oder kurz PWM genannt (Pulse Width Modulator) ist das Herz der Spannungsversorgung. Er empfängt Befehle des Prozessor. Diese werden digital oder analog verarbeitet. Der PWM Chip steuert die Phasen. (siehe Kapitel 2.3.2.)

Treiber (engl. Driver) sind kleine Transistoren die dem PWM-Controller behilflich sind die Spannungswandler zu schalten. Benötigt wird dieses Zwischenelement, da die Ausgangsspannungen des PWM-Controller zu klein sind um die Mosfet direkt zu steuern.

Doppler sind Frequenzweichen die es erlauben mehrere Treiber zugleich anzusteuern. Sie dienen den Mainboardherstellern in erster Linie die native Phasenzahl, welche durch die Ausgänge des PWM Chips vorgegenben sind, zu verdoppeln.

Leistungstufen (Power Stages) sind Lösungen die zwei Spannungswandler (Highside und Lowside Mosfet genannt) mit einem Treiber kombinieren und in einem Bauteil zusammenfassen. Enthalten in der Leistungsstufe kann zusätzlich ein Schottky Diode sein.



2.3. Aufbau der Spannungsversorgung für den Prozessor
2.3.1. Vom Netzteil bis zur Phase
Die Spannungsversorgung (engl. Voltage Regulator Module krz. VRM, VR oder VRC für voltage regulators circuit) beinhaltet verschieden Komponenten. Dazu zählen die Komponenten Stromanschluss, die Vorschlaltung zur Spannungsglättung der 12V Inputspannung, PWM-Controller und Phasen.

Vom Netzteil ausgehend, findet der Strom seinen Eingang in das Mainboard über den 8-Pin ATX12V Anschluss. Je nach Stromstärke bei gegebener Spannung die zum Betreiben der CPU benötigt wird, reicht auch die kleine Variante 4Pin. Auf "übertakter Mainboards" finden sich sogar zusätzliche 4 oder 8 Pin Anschlüsse neben dem meist verwendeten 8Pin EPS Anschluss um Strom bereitstellen zu können (bsp.: 8Pin+4Pin auf MSI MpowerMax Ac oder 2x8Pin auf Asrock OC Formula). Im Normalfall ist aufgrund der benötigten Ströme von Haswell-Prozessoren ein 8Pin Anschluss jedoch ausreichend. Der Stromanschluss kann eine Leistung in der 4 pin ATX Variante für 2x12V, 16A, 192W und als 8 pin EPS Variante für 4x12V, 28A, 336W bereitstellen. (Weitere Informationen hierzu finden sich auf Verschiendene Anschlüsse auf Mainboards)

Der Strom fließt vom Netzteil über die Vorschaltung in die einzelnen Phasen. Dadurch wir die Spannung nochmals "verbessert", um auszuschließen das durch nicht ATX Konforme Netzteile "schlechte" 12V Gleichspannung auf die Folgebauteile weitergeleitet wird. Durch Kondensatoren und Spulen wird die Qualität von Wechselstromeinflüßen gereinigt. Neue Netzteile müssen zertifiziert sein. Durch bessere Technik in den Netzteilen konnte die Vorschlatung vereinfacht werden, weil der Strom den heutige Netzteile liefern schon qualitativ gut ist. Die Mainboardhersteller gehen davon aus, dass ordnungsgemäße Netzteile verwendet werden. Aus diesem Grund sollte man zu einem aktuellen Mainboard auch ein aktuelles Netzteil wählen, welches die Normen erfüllt.



2.3.2. Der PWM Chipsatz
PWM steht für Pulsweitenmodulation (engl. Pulse Width Modulation). Wie eine PWM-Schaltung Spannungen steuert ist in diesem Videoclip erklärt. Die Funktionsweise ist ähnlich zu dem auf Mainboards verwendeten integrierten Schlatkreisen. Hier werden jedoch mehrere Ausgänge gesteuert und weitere zur Funktion wichtige Einheiten befinden sich im inneren des Chips. PWM besitzen Eingänge für den BUS und für Monitorfunktionen sowie primäre und mitunter auch sekundäre Ausgänge. Die auf Mainboards für die Spannungsversorgung der CPU und damit zur Steuerung der Phasen eingesetzen PWM Chips können dies nur auf den primären Ausgängen tun. Die sekundären Ausgänge werden dazu verwendete andere Spannungen zu steuern wie etwa QPI/VTT - VCC IO oder VCCSA - IMC. Ausnahmen bilden hier die Regel. Die Anzahl der primären Ausgänge bei PWMs die auf Mainboards Einsatz finden, reicht zumeist von 2 bis 10 und bei den sekundären Ausgängen sind ein oder zwei vorhanden. Je nach VRD dürfen nur zertifizierte PWM Chips auf den Mainboards genutzt werden. Von diesem Bauteil kommt die Vorgabe von Freuquenz und Schaltlänge an die Spannungswandler. Ein weiteres Kriterium in das PWM Chips unterscheidbar sind, ist die analoge oder digitale Steuerung. Moderne digitale PWM Chips können verschiedene Werte wie Temperatur, Spannung und Stromstärke auslesen und zur Ansicht an das BIOS weiterleiten, welche dann über das Betriebssytem einsehbar sind. In analogen Steuerkreisläufen müssen diese Messungen über Zusatzsschaltungen realisiert werden (Temperaturfühler, die mit der Stromstärke skalieren können mitunter abweichende bis "unrealistische" Werte dem System übermitteln). Der Chip nutzt diese Informationen um die Spannung bei entsprechendem Strombedarf konstant zu halten. Mit dem PWM kann man die "Spannungswünsche" der CPU übergehen, vorgegeben in der VID und ihr stattdessen selbstgewähle Spannungen zukommen lassen, was Übertakter zu schätzen wissen, wenn sie den Takt des Prozessors oder Arbeitsspeichers erhöhen wollen.

PWM (analog).png
Analog
Vorteil:
- sehr schnell (Frequenz bis mehrere MHz);
- ohne Fehler, da nur Hardware;
- einfach zu implementieren;
- günstig

Nachteil:
- Schutzschaltungen müssen extra realisiert werden;
- Übersteuerung / Untersteuerung (Overshoot) der Spannung: Über das Feedback der Steuerung kommt es zu einer minimalen Zeitverzögerung. Der Befehl offen speißt - der gewünschte Wert wird erreicht - während dieser Zeitpunkt eintritt wird bedingt durch die Verzögerung trotzdem weitergemacht -Folge ist Übersteuern - Daraus folgt ein Nachsteuern - Folge ist Untersteuerung und so weiter. Spannung und Strom pendeln um den Idealwert bestimmt durch die Frequenz.

PWM (digital).png
Digital
Vorteil:
- Phasenkontrolle (abschalten einzelner Phasen bei wenig Last);
- Präzision: vorausnehmende Berechnung und damit Steuerung anhand von "erwarteten Verbrauch durch CPU Anforderung" weil berechnet werden kann, was genau an Spannung gebraucht wird und welche Frequenz sowie Schaltdauer dafür der Mosfet geöffnet werden muss;
- direkter Einfluss durch den Nutzer (programmierbar);
- direkte Einsicht in Spannungen, Ströme, Temperaturen;
- Schutzschaltungen integriert
Nachteil:
- ADC (Analog zu Digitalwandler) rufen Verzögerung hervor, dadurch "langsamer" als die Analogtechnik;
- Frequenzen nur zwischen mehreren hundert kiloHz bis in den MHz-Bereich (allerdings werden PWM Chips die auf die Ausgänge solche hohen Frequenzen anlegen sehr warm, weswegen derzeit etwa 300MHz ein Optimum darstellen)



2.3.3. Wie funktioniert eine Phase?
In der Phase angekommen wird die Eingangsspannung mittels eines Mosfets heruntergebrochen auf die benötigte Spannung. Seine Schaltbefehle bekommt der Mosfet vom Treiber, welcher den Duty Cycle und die Frequenz weiterleitet. Diese empfängt der Treiber vom PWM Chipsatz. Als Duty Cycle wird die Zeit bezeichnet die der Mosfet offen ist und Strom fließt. Wie oft hingegen geöffnet wird ist durch die Schaltfrequenz bestimmt die der PWM Controller vorgibt. Nach dem Mosfet sind noch eine Spule zum Zwischenspeichern der Energie in einem magnetischen und Kondensatoren in einem elektrischen Feld vorhanden. Diese beiden Elemente verbessern qualitativ die Gleichspannung, bevor sie dann letztendlich in den Prozessor entlassen wird. Spule und Kondensator verringern die Ripplevoltage (Störspannung), die durch das hochfrequente Schalten der Mosfets erzeugt werden.

Das Funktionsprinzip der Abwärtswandung ist neben Wikipedia auf der Seite von 3Dcenter.org im Artikel Geheimnis Spannungswandler erklärt. In modernen VRMs werden N-Channel Mosfets verwendet. Im nachfolgenden Bild erkennt man wie Highside Mosfet und Lowsidemosfet miteinander zusammenwirken.

Schaltung 4 Phasen (Highside-Lowside).png
Veranschaulichung einer 4 Phasen Steuerung

Der Highsidemosfet hat eine kürzere Schaltzeit, muss aber in dieser Zeit eine hohe Potentzialdifferenz von 12V Ausgangsspannung auf die Eingangsspannung für den Prozessor wandeln. In älteren VRMs hat eine Diode die Aufgabe des zweiten Mosfet übernommen. Es stellte sich heraus, dass der Einsatz eines zweiten Mosfet den Leistungsverlust reduziert und die Effizienz erhöht. Beide Mosfets müssen nicht das selbe Produkt sein. Während der Highsidemosfet ausgeschaltet ist übernimmt der Lowsidmosfet die Schaltung für die eigentliche Energieabgabe - würde dieses Bauteil oder eben eine Diode fehlen, so wäre es keine kontinuierliche Leistungsabgabe im Kreislauf, sondern die Spule täte ihre Energie die sie durch die Speisung vom Highsidemosfet empfing "ohne Rücksicht" in die CPU pumpen, was zu einer dramitischen Spannungsspitze führt. Sollten sowohl Highside als auch Lowside Mosfet ausgeschaltet sein begrenzt eine Schottky Diode den Leistungsverlust im Schwingkreis.



2.4. Phasenlayout
2.4.1. Parallelisierung
In diesem Abschnitt geht es vorwiegend um die "Architektur" der Spannungsversorgung. Der Aufbau hängt dabei vom zu erzielenden Ergebnis ab. Praktisch kann man eine Leistungsschwache CPU mit einer geringen TDC (nicht verwechseln mit TDP) mit nur einer Phase betreiben. Da der Strombedarf wie in der VDR für große Prozessoren schon die 100A im Normalbetrieb übersteigt und wenn übertakten weiteren Energiebedarf fordert, wird der Elektrotechniktrick die Parallelisierung verwendet. Es gibt derzeit keine Mosfets die unter geringer Wärmeabgabe solch hohen Ströme durchleiten können während sie die Spannung um den Faktor ~10 herabsenken und dies im hochfrequenten Kiloherz- bis in den Megaherzbereich hinein. Mit zusätzlichen Phasen werden die Intervalle je nach Anzahl vergrößert. Der Mosfet auf der ersten Phase hat also potenziell die doppelte Zeit, um sich abzukühlen während sein Partner auf der zweiten Phase seine Aufgabe übernimmt. Dieses Prinzip ist fortführbar bis soviel Phasen nebeneinander geschaltet sind, um die gewünschte Stromstärke abgreifen zu können. Dem gemäß vervielfacht sich aber auch die Anzahl der Bauteile bei gleicher Leistungsfähigkeit. Auch in der Leistungsfähigkeit unterscheiden sich Mosfets, Spulen und Kondensatoren (siehe Absachnitt 3.). Hinzu kommt eine Beschränkung der Anzahl der Phasen vorgegeben durch den verwendeten PWM-Controller. Je mehr Phasen dieser gleichzeitig zu steuern hat umso aufwändiger muss der Chip dimensioniert sein. Aus diesem Grund findet sich mehrere Wege die zu einer Lösung führen. Im Beispielsfall von 100A ist dies ideal durch 2 Phasen a 50A, 3 Phasen a 33,3A, 4 Phasen a 25A, 5 Phasen a 20A, 6 Phasen a 16,6A oder 8 a 12,5A zu realisieren. Verluste an den Bauteilen erfordern jedoch größere Ströme und potenzieren sich je weiter man durch Übertaktung die Spannung steigert. Spätestens bei der letzten Lösung und darüber hinaus könnten aber auch Platzprobleme eine Rolle spielen wie etwa auf µATX und ITX Mainboards.

Asus_Maximus_VII_Impact_6-pcgh HochhausVRM.jpg
Hierfür wird dann wie etwa auf der ITX ROG Impact Reihe von Asus in die Höhe gebaut, was hohe Mehrkosten und Leistungsverluste mit sich bringt, die dann der Endkunde zu tragen hat. (Quelle: pcgh)



2.4.2. Verschiedene Phasenarchitekturen
Phasen Architektur.png
Zusammenstellung oft benutzter Layouts.

Der PWM Chip gibt durch seine Anzahl an Ausgängen die Anzahl der steuerbaren Phasen vor. Es müssen nicht alle Ausgänge benutzt werden - unbenutzte Ausgänge sind dann blind! Was allerdings wichtig ist, ist das die Phasen in sich symetrisch sein müssen damit die Spannung, der Strom und die Schaltzeiten gleich sind, da sonst Querströme zum Ausgleich zwischen den Phasen fließen würden.

Hersteller geben nicht immer die "wahre" Anzahl an Phasen an sofern sie Doppler verwenden oder einen Treiber benutzen um zwei Phasen (Fakephase) zeitgleich zu steuern. Ohne eigenen Driver und eigenes Steuersignal ist eine Phase keine true Phase! Die Marketingabteilung von Asus hat also im Bild unten Glatteis produziert, da das P5Q meines Wissens nach keinen 16 Ausgänge steuernden PWM Chip hat. Die wahre Phasenanzahl ist ersichtlich aus dem verwendeten Controller. Beispielsweise ein 6+2 PWM Chip kann nicht als acht Phasen Chip genutzt werden (Ausnahmen bestättigen diese Regel: Selten verwendet werden PWM Controller die tätsächlich den sekundären wie einen Primärausgang nutzen könne, jedoch sind diese kostspieliger als ein echter 8 Primärausgangs-PWM). Im Fall des 6+2 PWMs wenn der Hersteller 8 Phasen angibt, so wurden zwei der sechs Phasen blind geschaltet und vier der Ausgänge sind über Doppler auf 8 Phasen aufgebläht. Je mehr Ausgänge ein PWM Chip besitzt, desto teurer ist er in der Regel unabhängig ob es sich dabei um eine analoge oder digitale Variante handelt.

Asus P5Q Deluxe - echte Werbung3.JPG
Asus "True 16-Phase Power" Werbung. Früher waren Mainboardhersteller halbwegs ehrlich und schrieben, dass zu jeder echten Phase ein Treiber gehört wie auf dem P45 P5Q-Deluxe von Asus. Ein PWM Chip mit 16 Ausgängen wird man dennoch nicht im Mainboardbereich vorfinden. Da die benötigte Stromstärke zum erbringen der Rechenleistung mit neuen Fertigungstechnologien sinkt, wird auch der Strombedarf wohl weiter fallen, so dass die Stromversorgung günstiger ausfällt. Außer man sieht den umgekerten Fall das auf einer Architektur immer mehr Takt versucht wird vom Hersteller zu erreichen und damit die Stromversorgung mitwachsen muss, potenziell also Mainboards die neuesten Prozessoren nicht mehr vernünftig versorgen können, da ihre VRD einstmals auf wesentlich weniger Gesamtstromstärke ausgelegt war, wie im Fall der AMD FX-Serie.



2.4.3. Was bewirken wahre Phasen und Phasenverdopplungen
Der Hauptvorteil von vielen Phasen ist die Trägheit beim Laden der Spulen mit Energie zu kompensieren. Kommt es zu starken Lastwechseln bräuchte es aber kurzfristig die Energie. Diese ist durch die Kondensatoren bestimmt. Da aber nach dem Lastwechsel von wenig auf sehr viel dennoch weiterhin der starke Strom benötigt wird, dienen die Kondensatoren nur als kurzfristige Puffer. Die Spulen sind direkt für die konstante Stromabgabe notwendig. Der nächste Vorteil mehrere Phasen zu haben ist die Verringerung der Zeit die ein Mosfet die Spule mit Energie speißt. Wenn der Mosfet in einem normalen Lastfall Strom leitet so befreit ihn jede weitere Phase um 1/n von steter Schaltung. Dadurch haben diese Bauteile eine "längere" Zeit für die Wärmeabfuhr. Die Bauteile sind je mehr verwendet werden vergleichbar kühler, was ihre Effizienz erhöht und die Lebensdauer verlängert. Die Phasen im Mainboardsubstrat sind aus Metallen wie Kupfer und können nur eine bestimmte Menge an Stromfluss vertragen, weshalb baubedingt eine einzelne Phase nur eine ihrem Querschnitt entsprechende Stromstärke maximal verträgt. Prozessoren verbrauchen jedoch mehr Strom als eben durch eine einzelne Phase leitbar ist und daraus ergibt sich physikalisch die Notwendigkeit bei "Stromschluckern" auf mehrere Phasen das VRM auszulegen. Ein weiterer Vorteil ist dass jede Phase die Strommenge die maximal in die CPU geleitet werden kann erhöht. Nachteilig wirkt sich die Verwendung von Dopplern aus. Diese halbieren die Steuerfrequenz pro Treiber/Mosfet. Um den Stromfluss jedoch so konstant wie möglich zu halten ist eine größere Frequenz wünschenswert. Schließlich soll so schnell wie möglich auf Lastwechsel reagiert werden. Zudem ergibt sich bei Verwendung von mehreren Phasen im Vergleich zu wenigeren, dass der Ripplestrom sinkt, welcher sich negativ auf die Lebensdauer der Komponenten wie Kondensatoren und CPU auswirkt. Spule und Kondensator wirken wie ein Tiefpass-Filter. Das Rauschen durch das schnelle Schalten der Phasen wird weitestgehend neutralisiert. Gänzlich läßt sich dies jedoch nicht von der CPU fernhalten. Je weniger Strom fließt, desto weniger Ripple gibt es. Der letzte Effekt kommt aber nur zu stande bei echten Phasen. Die Vergrößung der Anzahl über einen Doppler, Quadropler oder Switch wirken sich hierauf nicht aus. So kann aus einer guten Freuqenz des PWM mit 300MHz schnell auf 150MHz oder gar 75MHz reduziert werden, was jedoch als Zyklus zu lang wäre um "schnell" genug die geforderte Leistung bei Lastwechseln nachzuregeln (Overshoot Problematik), andernfalls wären OCP und OVP im Dauereinsatz um Spitzen zu kappen.
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Der Effekt der den Ripplestrom betrifft ist im Datenblatt des ISL6366 dargestellt. Aussagbar ist, dass sechs wahre Phasen besser sind als vier. Acht wiederum besser als sechs. Jedoch nimmt der Effekt expotenziell ab. So ist der Sprung von vier auf sechs Phasen was den Rippleeffekt betrifft wesentlich stärker als von sechs auf acht Phasen. Eine wirkliche Empfehlung möchte ich an dieser Stelle nicht aussprechen, wieviele Phasen den nun eine "glatte" Versorgung mit sich bringen. Immerhin ist diese auch eine Frage des Preises und sollte jeder für sich individuell klären. Es erhöht sich der absolute Werte mit steigendem Strom, da der Rippleeffekt prozentual vom Gesamtstrom abhängt. Je mehr Strom gebraucht wird, desto stärker ist der Effekt als Absolutwert. Besonders im Wasserkühlungsbereich und in noch stärkere Kühlungsarten hinein, wird dieser Effekt versuch zu reduzieren. Wer auf Taktjagd im Extrembereich geht kommt also kaum umhin sich ein entsprechend gut ausgelegtes Mainboard zu kaufen. Da es keine Komponenten gibt die verlustfrei leiten, ist ein Nachteil von mehr Phasen das der Stromverbrauch mit zunehmender Phasenzahl ansteigt. Als veranschaulichendes Extrembeispiel: Bei einem Pentium oder Celeron der über 16 Phasen anstatt drei versorgt würde, hätte es hohen und unnötigen Energieverlust im VRM, da diese Prozessoren jedoch in der Regel nicht übertaktet werden und ihr Stromverbrauch an sich recht gering ist, wäre ein überdimensioniertes und somit teures Mainboard nicht sinnvoll.



3. Vergleichbarkeit von Komponenten
3.1. Spulen
Als Hauptressource für den konstanten Strom und das Filtern von Ripplestrom kommt der Spule ein hohe Verantwortung zu. Zudem bestimmt sie neben den Mosfets die maximale Stromstärke die eine einzelne Phase liefert. Zumeist ist deren Sättigungsspannung über dem Output der vorgeschalteten High-Side Mosfets, weswegen dessen Output die Stromstärke der Gesamtphase limitiert. Durch gute Wicklung und das eingießen sowie verstauen in Keramikblöcken sollte das beklagte Spulenfiepen reduziert sein.


3.2. Kondensatoren
Kondensatoren sind teure Bauteile und entsprechend wird hier mit Marketingtricks versucht hohe Wertigkeit auszuweisen. 6000 Stunden bis 12000 Stunden Lebensdauer bei 105°C und Japan als Herstellungsort sollen hohe Qualität vermitteln. Man sollte sich auch nicht durch "militärische Standards" ins Bockshorn jagen lassen. Diese Kondensatoren werden bei 85°C auf ihre Belastbarkeit getestet und erreichen unter solchen Vorraussetzungen um einges längere Lebensdauern als die zuvor auf 105°C bestimmten. Es ist also kein direkter Vergleich zwischen den zivilen Standards und militärischen möglich. Kondensatoren fallen an sich durch höhre Temperaturen schneller aus. Eine gesonderte Kühlung ist zwar nicht notwendig, allerdings sollten sie nicht durch naheliegende Bauteile wie die Kühlkörper oder andere Wärmequellen aufgeheizt werden. Ein Negativbeispiel hierfür ist das AsRock X79 Extreme4-M. Wichtig ist ebenso die Lötqualität, da diese Einwirkung hat auf die Eigenschaften des Dielektrikums und somit auf die Lebensdauer.


3.3. Spannungswandler
Die Spannungswandler sind untereinander nur schwer zu vergleichen. Jeder Hersteller veröffentlicht eigene Kennlinien und verschleiert so wie leistungsfähig und effizient das Produkt ist. Unter Betriebsbedingungen ergeben sich je nach Kennlinie andere Werte. Gemeinsam ist die Ausweisung der zu leitenden Stromstärke unter Richttemperatur von 25°C. Die herstellerseitig aufgeführte Stromstärke ist als Wert direkt abhängig von der Kühlung. Einige Hersteller kühlen für reale 40A die Spannungswandler wie eine CPU (extreme Kühlkörper mit aktiv Kühllösungen), während bei anderen Mosfets dafür nur kleine passive Kühlkörper schon reichen. Diese 25°C Temperatur ist zudem utopisch im Dauerbetrieb unter Last. Spannungswandler arbeiten real noch sehr effektiv in den Bereich von über 100°C hinein. Die Spannweite der Stromstärke die in diesem Fall tatsächlich realisiert wird reicht von Zehnerstellen bis hin zu 45A über alle Produkte. Die Spannungswandler sind auch die Hauptursache für nicht ausreichende Gesamtstromstärke beim übertakten. Die Verwendung von leistungsschwachen Mosfets, welche nur gerade so die TDC dem Prozessor zuführen können, haben dann doch ihre Auswirkung gezeigt wie im Fall Asrock und den verwendeten D-Pak Mosfets.

Um das ganze zu verdeutlichen sehen wir uns drei Beispiele an. Das Asrock Z97 Pro3, das Gigabyte GA-Z97X-SLI und das Gigabyte GA-Z97X-SOC (ohne Force!). Die drei Mainboards haben gemein, dass alle auf einer wahren 4 Phasenarchitektur ohne Doppler beruhen. Unfair ist der Vergleich, da hier unterschiedliche Preisbereiche angesprochen werden und wohl auch die Mainboards für jeweils andere CPUs zum übertakten vorgesehen sind. Nach Spezifikation sollten alle den von Intel vorgesehenen Takt halten können, zusätzliches Übertakten wie man es den vor hat, sofern man eine k-CPU verbaut ist jedoch dann im Einzelfall kaum oder nicht mehr maximal möglich. (Werte aus der VRM Liste von fateswarm siehe weiterführende Links)
Asrock Pro3: PWM Chip ein ISL9582 - Highside: NXP PSMN9R1-30YL Lowside: NXP PSMN5R8-30LL
Id=57A Ptot=52W @ 25°C ->18,3A @ 6,5W = 4x 18,3A = 73,2A
Gigabyte GA-Z97X-SLI: PWM Chip ein ISL9582 - Highside: Vishay SiRA12DP Lowside: Vishay SiRA12DP
Id=25A Ptot=31W @ 25°C ->25A @ 6,5W = 4x 25A = 100A
Gigabyte GA-Z97X-SOC: PWM Chip ein IR3564B - Highside/Lowside: IR 3553 Powerstage
Id=40A Ptot=11W @ 25°C ->35A @ 6,5W = 4x 35A = 140A

sins Hardware 1648495.png
Verbrauch eines i7 4770k Haswell Prozessors (Quelle: overclock.net/Sin's hardware)

Wenn wir uns verdeutlichen was ein i7 4770k bei gegebenener Spannung an Leistung verbraucht, wie 1,26V (Eingangsspannung hierfür beispielsweise 1,80V) zu 138W für einen nicht unrealistisch erreichbaren Takt auch unter Luft von 4,7GHz (spätestens beim nicht viel anders aufgestellten i7 4790k) nimmt sich der Prozessor nach P=U*I einen Strom von 138W/1,80V = ~77A. Unter realen Bedingungen wird die Stromversorgung mit entsprechenden Verlusten auf dem Asrock Pro3 nicht ausreichen. Das Gigabyte GA-Z97X-SLI ist auch sehr knapp kalkuliert, spätestens wenn die weitere Stufe auf 1,26V zusätzlich wandeln muss und weitere Verluste erzeugt, so dass es hier in eine Übertaktungsmauer durch die Stromversorgung läuft (Referenz für das OC Problem). Und selbst das übertakter Mainboard SOC, was für "Super Over Clock" steht ist mit den 140A Strom ohne weitere Verluste in Spule und Kondensator etc., doch nicht so "super" fürs übertakten geeignet wie Gigabyte im Namen verlauten läßt.

Man sieht also das sich Übertakten trotz Z97 Chipsatz nicht mit jedem Prozessor und Mainboard verträgt. Wer also eine i7 4790k CPU kauft die auf einem anderen Mainboard beispielsweise auf 1,3V 4,8Ghz geschafft hat, kann mit einem zu gering dimensionierten Mainboard dann ggf. nur 4,6GHz erreichen, obwohl die CPU an sich wie ertestet auch mehr schaffen würde. Würde man auf einem günstigen Board wie dem im beispiel genannten Pro3 etwa einen Anniversary Pentium oder i5 4690k betreiben sähe die Sachlage wegen des geringeren Verbrauchs anders aus und es ist etwa erwartbar die selben Taktraten zu schaffen wie auf einem der teueren Boards aus dem Vergleich.

Im Vergleich zu den oben erwähnten Beispielen stellt das MSI XPower AC mit der Powerstage IR 3550 und 48A@6,5W auf 16 Phasen ein vielfaches bereit und ist ein Overkill für jeden zwar ambinotionierten jedoch nicht extremen Übertakter. Wenn Spitzen in der Stromversorgung durch hohe Lastwechsel verursacht werden, gibt es beim PWM Controller auch die Möglichkeit, dass Phasen die sonst versetzt zueinander geschaltet sind gleichzeitig pulsieren, um die benötigte Spannung konstant zu halten bei erhöhtem Stromverbrauch auf kurze Zeit. Insofern muss ein Mainboard nicht notwendigerweise den Dienst versagen. Sollte gleichzeitig gepulst werden, belastet dies die Komponenten in einem Maß, dass für eine lange Lebensdauer nicht wünschenswert ist.


3.4. Kühlkörper
Die Kühlkörper sind für die Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Spannungswandler verantwortlich. Ihre Größe und Gestaltung hat mit dem jeweiligen Luftstrom Einfluss darauf wie kühl die Spannungswandler im Betrieb sind. Indirekt bestimmt sich dadurch auch deren Effizienz und haben EInfluss auf die Haltbarkeit. Da es keine Angaben durch die Hersteller gibt um diese direkt miteinander zu vergleichen, ist die Auswahl beschränkt. Als gestalterisches Mittel dienend, fällt dem Kunden eher das Design ins Auge.
Kühlkörper Gaming3 vs UD3H.jpg
Gegenüberstellung Gigabyte Ga-z97 Gaming 3 und Z97 UD3H (Quelle: EasyCOM auf en.gecid.com) (Quelle: wccftech.com)
Bei gleicher Spannungsversorgung kann durchaus mit unterschiedlichen Kühlkörpern gearbeitet werden. Zu klein dimensionierte Külkörper können Folgen haben auf die Leistungsfähigkeit der Spannungswandler. Hier ziehen sich Hersteller durch die Ausweisung von Kühlvorschriften aus der Verantwortung. Mit Top-Blow-Kühlern etwa wird der Luftstrom direkt auf die Kühlkörper gelenkt, um die Wärme besser abzutragen.

Vorschrift Kühlung.png
Vermerk der Kühlungsart Asrock - 970 Extreme3 R2.0 (Quelle: asrock.com)

Oder aber es werden Sonderlüfter für die Montage auf den Kühlkörpern beigefügt beziehungsweise integriert. Solche sind in der Regel unnötig, da eine Kühlung zumeist passiv möglich ist. Einige Hersteller bieten mit Anschlüssen die Möglicheit die Kühlkörper in einen Wasserkühlungskreislauf einzubinden. Problematisch hierbei ist das Aluminium aus dem Kühlkörper gefertigt werden, was in üblichen kupferbasierten WaKü-Kreisläufen zu Problemen führen kann (galvanisch Zelle).

normal_ASRockOCFormula_022.jpg
Integrierter Lüfter und Wasserkühlung in Kühlkörper auf ASRock Z77 OC Formula (Quelle: ocaholic.ch)



4. Billig oder Fair?
Wo die Phasen magisch wachsen?
Einer der beliebtesten Marketingtricks ist es Phasen nicht komplett auszuweisen. Es wird also nicht auf die wahre Anzahl abgestellt die der PWM Controller vorgibt sondern die durch Doppler ereichte. Gern wird auch verwirrt mit den X+Y Angaben. Diese stehen nicht für sekundäre Ausgänge. Hier stellt man auf die "marketing Phasen" der CPU ab und addiert die Phasen eines anderen eingeständige PWM Controllers der für die Spannungsversorgung der DRAM Bänke zuständig ist hinzu.

Analoge Verwirrung im digitalen Zeitalter
Ein weiterer beliebter Trick ist analoge PWM Controller als digitale Spannungsversorgung zu bezeichnen. Auch wenn der BUS mit dem sich Controller und CPU "unterhalten" digital ist, so erfolgt in diesen analogen ICs die Signalaufnahme analog und auch die Steuerung ist nicht digital. Es handelt sich also um "Hybriden". (Siehe Abschnitt 2.3.2.) Es ist nicht die Tatsache ob digitale oder analoge PWM Chips verwendet werden, es gibt ja Vor-/Nachteile, sondern ein schlußendlich analog agierendes Bauteil als digital zu bezeichnen.

Vorgänger-Nachfolger-Dilema!
Vergleich Gigabyte Z87X und Z97X UD3H VRM.png
Gigabyte Z87 UD3H VRM ( Quelle: overclock.net) vs. Gigabyte Z97X-UD3H VRM (Quelle: EasyCOM auf en.gecid.com)

Beginnen wir mit Gigabyte als Fallbeispiel. Hochgelobt als Z87er Mainboard und bekannt durch seine Vorgänger auf anderen Sockeln ist das UD3H noch heute gern empfohlen. Bei der Konzeption von Mainboards ist Gigabyte konservativ vorgegangen und hat die Stromversorgung großzügig ausgelegt im Fall des Z87er Mainboard. Verbaut wurden im VRM ein IR356B PWM Controller (8+0) mit 8 Ausgängen für echte Phasen. Zudem wurden IR3553 Leistungsstufen, und 5040µF an Kondensatorkapazität verbaut. Herausgestellt hat sich jedoch, dass Haswell weniger Verbrauch hat. In der neuen Generation wurde deshalb abgespeckt. Auf dem Z97X-UD3H setzt Gigabyte auf einen ISL9582 PWM Controller (4+0). Die starken Leistungsstufen sind gewichen und wurden durch schlichtere Vishay SiRA12 ersetzt als Mosfets. Zuletzt wurde die Gesamtkapazität auf 3360µF gesenkt. Aus einem "günstigen" und wertig ausgestattetem Mainboard wurde ein sehr durchschnittliches, was nun über Doppler seine 8 Phasen erreicht. Im Fall der UD3H wird auch das Vorurteil: "Gaming"-Mainboards sind schlechter widerlegt. Das UD3H ist identisch im VRM zum Gaming 3 von Gigabyte und ein Gaming 5 ist ihm durch die 8 wahren Phasen überlegen. Unabhängig davon hat diese Abspeckkur einen Fall hinterlassen mit dem Z97X-SLI, welches nicht mehr ausreicht um genügend Leistung mit seinen 4 Phasen bereitstellt, für stärkeres Übertakten von i7 Prozessoren mit offenem Multiplikator (siehe Abschnitt 3.3.). Genauso umgekert hat das Vorgänger-Nachfolger-Dilema auch die andere Richtung zur Folge. Um eine Serie im Ruf auf Vordermann zu bringen wird auf hochwertige Bauteile gesetzt.

Under the Hood!
Vergleich ASRock Fatal1ty Z97 und Z97X Killer VRM.png
Asrock Fatal1ty Z97 Killer (Quelle: overclock.net) vs. Asrock Fatal1ty Z97X Killer (Quelle: coolenjoy.net)

Vom Namen und Anschein meint man es wäre das Selbe und denoch befindet sich unter dem/n Kühlkörper/n etwas vollständig anderes verborgen. Ein gutes Beispiel in der aktuellen Generation ist das Asrock Z97 Killer und sein großer Bruder das Z97X Killer. Beide verwenden den gleichen ISL95820 PWM Chip (4+0). Beide Mainboards benutzen Doppler um 8 Phasen für die Leistungsaufnahme bereitzustellen. Auch die verwendeten Spulen sind identisch. Auf der Website von Asrock gibt man mit 12K Kondensatoren an. Jedoch sieht man hier einen Unterschied in der Gesamtkapazität von 2244µF auf dem Killer zur X-Version mit insgesamt 3366µF. Doch das "unverschämte" verbirgt sich unter den Kühlkörper. Wird auf der Website mit NextFet Mosfets geworben so bezieht sich dies im Fall des Z97X Killer auf DRAM Mosfets und die Powerstages unter dem Kühlkörper. Das kleinere Board ohne "X" ist hingegen nicht mit diesen guten NexFet von Texas Instruments bestückt, sondern verwendet im Vergleich dazu qualitativ schlechtere 8 Lowside Mosfets NXP 9130AL und Highside Mosfets NXP 5930AL. Der Leistung tut es keinen Abbruch für den Normalnutzer und Übertakter - Höhenflüge sind jedoch nicht zu erwarten. Auf einem 100€ Mainboard die neuesten Power Stages zu finden wäre vielleicht auch zu vermessen? Vorbehalten bleibt dies dann doch den 6 Phasen Extreme Serie Mainbords oder OC Formula bzw. nur dem großen Bruder mit "X". Für das Marketing muß man ein Lob aussprechen, die Tatsache an sich hinterläßt beim Verbraucher allerdings einen faden Beigeschmack.

Wo kommst du den her?
PWM Controller normal_MaximusVIIImpact_055.jpg
PWM-Controller "ASP 1103" (Quelle: ocaholic.ch)

Asus will gleich gar nichts zu seinen verwendeten PWM Controllern preisgeben und überklebt diese mit einem internen Label ASP-"irgendwas". Hinzu kommt, wer etwas zu verschleiern hat, läßt es auch beim auslesen nicht zu. Wer bei Gigabyte beispiesweise mit dem Tool HW Monitor die Sensoren durchgeht, wird dort die Bezeichnung des PWM-Controller finden. Asus hat hier einfach seinen Namen als Speichersatz hinterlassen, so dass auch über diesen Kniff nicht mercklich ist welcher Hersteller den Controller liefert.

Wann ist genug genug?
MSI ist sich so frei auf seiner "Übertakter-Mainboardserie" MPower&Max nur 3300µF an Gesamtkapazität zu verwenden. Vergleicht man dies etwa mit den Asus VII Ranger/Genie oder Hero so haben diese jeweils 7280µF, was gerade bei Lastwechseln unter hohen Übertaktungen nicht ausreichend sein kann, um kurzfristig Energie zu liefern bevor über Mosfet und Spule nachgefüllt wird. Erst das fast doppelt so teure Z97XPower AC macht mit 7260µF es den Asus Boards gleich. Aber keine Angst Gigabyte mit seinem Z97X SOC Force, was auch höherpreisig ausgelegt ist mit seinen 5040µF ist nicht wirklich weit entfernt von der restlichen Serie die zumeist mit 3360µF im mittleren Preissegment und 4480µF im gehobenen daherkommt. Also kein Beinbruch für den normalen Übetakter. Um den Ausflug in die Kapazitäten der Kondensatoren abzuschließen ist bei Asrocks Extreme-Serie auch nur durchschnittliche 3920µF verbaut, wohingegen bei der OC Serie Formula es mit bis zu 4480µF+1650µF hoch hergeht.

Nachdem zuvorstehend etwas genauer auf die Beschaffenheit von Z97 Mainboards diverser Hersteller eingegangen wurde, und sich dies ließt wie ein Horrorkabinet, so muß doch fairerweise geschrieben stehen, dass es bei weitem nicht alles so schlimm ist, wie es den nun klingt. Da die Beispiele zur Verdeutlichung sind und durchaus eine Menge Boards von den Herstellern angeboten werden die ihre Funktion bestens wahrnehmen. Diese Kniffe zu kennen ist für den Anwender jedoch sicher interessant und erhellend. Ermißt sich doch hieran die Qualität von Produkten. Im einwandfreien Betrieb sind alle zuvorgenannten mit den entsprechenden Porzessoren als Kombination eine brauchbare Wahl. Jedoch will man sich als Nutzer nicht ein X für ein U vormachen lassen. Nicht zuletzt bestimmt das Kaufverhalten darüber ob ein Hersteller mit den Kniffen "ungestraft" mehr Gewinn einsteckt oder einen Ruf als offener und anständiger Lieferant ausweisen kann.



5. Ausblick
Intel hat für 2015 Broadwell angekündigt. Hier handelt es sich um eine Schrumpfung der Fertigungstechnologie. Nach bisherigen Informationen wird Broadwell wohl auch auf dem derzeitgen H97/Z97 mit Sockel 1150 laufen. (Quelle: golem.de/vf.zone)

Für das selbe Jahr hat Intel auch Skylake angekündigt. Hier soll aufgrund der Architektur das Strommanagment erneut geändert werden. Mehr zu dieser Entscheidung findet sich in diesem Link zum Artikel: Rolle rückwärts Intels nächste CPU Generation mit mehr Spannungswandlern. Skylake sollte dank der Schrumpfung bedingt durch die kleinere Strukturgröße noch weniger Strom verbrauchen bei gleicher Kernzahl und Takt als Haswell, wodurch die Anzahl an Spannungswandlern eigentlich sinken könnte. Der Artikel bezieht sich jedoch darauf, dass Spannungen die in der jetzigen Prozessorgeneration Haswell und dann bei Broadwell im Inneren gewandelt werden, wohl wieder nach Außen auf das Mainboard zurückkehren. Dafür wird wohl der neue Sockel 1151 benötigt.



6. Weiterführende Links
Hier die Rücklaufquoten für Hardware 2014 (Auch wenn hier keine direkte Aussage zu treffen ist hinsichtlich der Ausfälle oder gar ein direkter Zusammenhang zu den Spannungsversorgungen durch die Zahlen gespiegelt werden und zudem Z97 Boards der aktuellen Statistik noch nicht hinzugefügt sind aufgrund des Einführungsdatums, sollte man ggf beim Neukauf entsprechende Quoten im Hinterkopf behalten)

Artikel zur Spannungsversorgung auf hardwaresecrets.com: Everything You Need to Know About The Motherboard Voltage-Regulator-Circuit


Übersichtslisten Z97 zu verwendeten Komponenten im VRM (engl.): http://cdn.overclock.net/0/07/071b2d45_1.png (Liste für Z97 Mainboards der Haswell Generation, gelistet durch fateswarm)
Übersichtslisten Z77, Z87, Z97 zu verwendeten Komponenten im VRM (engl.): http://www.sinhardware.com/images/vrmlist.png (Liste für diverse Intel Mainboards verschiedener Sockel, gelistet durch SinHardware)
Übersichtslisten AMD Mainboards zu verwendeten Komponenten im VRM (engl.): AMD Motherboards - VRM info database (Listen für diverse AMD Mainboards, nicht geprüft evtl. etwas angestaubt)

Diskussion zum VRM auf Z97 Mainboards: Z97 VRM info (in Teilen auch schon X99)
Diskussion zum VRM auf X99 Mainboard: X99 Haswel-E - VRM Diskussion

VRM Guide auf SinHardware.com (engl.): Sin's Hardware - VRM Guide
Analog vs. Digital PWM auf SinHardware.com (engl.): Sin's Hardware - VRM Articles

Videoclips (engl.):
Motherboard VRM Explaination Part 1: The VRM and PWM (https://www.youtube.com/watch?v=zDxFbAhu4Bo)
Motherboard VRM Explaination Part 2: Digital vs Analog PWM (https://www.youtube.com/watch?v=Viitg4Yoy2Y)
Motherboard VRM Explaination Part 3: IR3550 versus other MOSFETs (https://www.youtube.com/watch?v=6Fl1iFtOLKU von 09.08.2012 - nicht mehr ganz aktuell, da es Neuerscheinungen gibt)
realvoltagereadings under LLC (https://www.youtube.com/watch?v=oB0dm2-nfpc Diskrepanz zwischen vom Mainboard ausgelesener Spannung und gemessener)

Haswell-E Stromversorgung über den Sockel verändert bei Asus zum zertifizierten Sockel: Asus Haswell-E "OC Sockel"

Über Anregungen und Kommentare würde ich mich freuen,

Gruß Ilu.
 

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BloodyAngel

Software-Overclocker(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Vielen Dank für deine Mühe!!!!

Aber bitte nochmal "Korrekturlesen" und entsprechend überarbeiten.... :daumen:
 
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Vielen Dank für deine Mühe!!!!

Aber bitte nochmal "Korrekturlesen" und entsprechend überarbeiten.... :daumen:
Bin ich schon dabei. Aber man sieht oft den Wald vor lauter Bäumen nicht, wenn man selbst den Text formuliert hat. Auch war ohne das richtige Speichern bisher alles ein wenig Salat und nun mit besserem Format fallen mir da auch die Fehler auf. :D
 

der8auer

Moderator, der8auer Cooling & Systeme
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Absolut klasse Beitrag. :daumen:

Werde ich gleich mal oben festhalten!
 
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Absolut klasse Beitrag. :daumen:

Werde ich gleich mal oben festhalten!
Dank dir, bin gerade dabei noch einwenig Buchstabengewussel auszurichten, für bessere Lesbarkeit.

@ All sollte ich mich irgendwo unverständlich/mißverständlich ausgedrückt haben oder in irgendwelchen Endlosschachtelsätzen ergangen, die ihr nicht entwirren könnt, nehm ich auch gern per PN Vorschläge für Verbesserungen an. Selbes gilt ebenso für den Inhalt.
 
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Nightlight

BIOS-Overclocker(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Sehr schön - vielen Dank für diesen erstaunlich umfangreichen Guide :daumen:
 

bschicht86

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Guter Beitrag, vorallem man seinem bisherigen "Halbwissen" noch nette Zusatzinfos hinzufügen konnte.
 

Bandicoot

PCGH-Community-Veteran(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Herrlich, mal wieder frischzellen Kur in Sachen Strom & Spannung. Bin ja nun schon ne Weile Raus aus der Materie aber gut Verfasst. :daumen:
 

Ceon026

Komplett-PC-Aufrüster(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Hammer gut , muss ich glaube nochmal lesen um es zu verstehen.
 

Cryonics

Komplett-PC-Aufrüster(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Respekt, toller Beitrag !

Danke für den tollen Guide zum Thema: "Spannungsversorgung".
 

325Chris

Komplett-PC-Käufer(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Echt klasse ge und beschrieben :daumen: THX dafür und Respekt vor der Arbeit.
 

325Chris

Komplett-PC-Käufer(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Achja, das einzigste was mich etwas stutzig machte, klingt jetzt zwar doof, aber der Punkt erschien mir unlogisch,

wieso ist das Kürzel VDR, nennt sich aber Voltage Regulator Down ?? Hab eben nochmal in einem "Werbeblättchen" von Gigabyte geschaut, da schreiben se sogar einmal VDR, und einmal VRD.

Das check ich nich. Einfach ne "zu flüchtige" Flyeraktion, oder doch mit Hintergrund ? Für mich logisch wäre VDR = Voltage Down Regulator

MfG Chris
 
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Das ist wohl der Übersetzung geschuldet. Scheint ein Flüchtigkeitsfehler zu sein mit VDR statt VRD der Satz: "... Voltage Regulator Down Spezifikation (VDR 12)..." hat ja auch die englische Bezeichnung in der richtigen Reihenvolge der Begriffe verwendet. - es könnte auch sein (bitte nicht drauf festnageln bin kein Sprachfumsi), dass man das V(oltage)R(egulator)D(own) nennt wie Spannungs Regulierungs Niederschrift, sprich das ""sich nicht auf "herunter"regeln bezieht, sondern eine Kurzwort ist für "writting down" / Niederschrift zu Deutsch. :ka:
 
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325Chris

Komplett-PC-Käufer(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Das wäre natürlich ne Erklärung die Sinn machen würde :-) Aber ejal wie, absolut spitzen "Referat" gg ;-) :daumen:
 

Superwip

Lötkolbengott/-göttin
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Über Anregungen und Kommentare würde ich mich freuen,
Na gut...

Zunächst würde ich einmal eine grundlegend(ere) Erklärung eines Abwärtswandlers einbauen oder wenigstens verlinken. Die auf Wikipedia ist ja gar nicht so schlecht: Abwärtswandler

Allgemein beschrieben sollten auch die MOSFETs bzw. MOSFET+Diode-ICs werden. Auch auf den Kühlbedarf und Aufbau einer guten Kühlung sollte eventuell besser eingegangen werden; falsch ausgelegte oder auch völlig überdimensionierte Kühlungen sind ja nicht selten.

Die CPU braucht Strom,...
Das ist nicht ganz korrekt und zieht sich durch den ganzen Guide. Tatsächlich braucht ein Prozessor oder auch praktisch jede andere Logikschaltung ja (nur) Spannung. Der Stromverbrauch ergibt sich weitgehend durch mehr oder weniger parasitäre Effekte. Daher ist es wichtig die Spannung unabhängig vom aktuellen Stromverbrauch möglichst konstant zu halten. Lediglich bei geringerem Takt kann man die Spannung reduzieren. Die Stromversorgung muss also wenn man so will nicht mehr und nicht weniger als laufend Ladungsverluste (Spannungsverluste) ausgleichen.

Vor langer, langer Zeit wurden die digitalen Schaltungen inklusive CPUs ja auch noch direkt vom Netzteil versorgt. Zunächst mit 5V, später mit 3,3V. Weiter sinkende Spannungen bei immer höheren Stromstärken hätte man aber kaum mehr liefern können da die Leitungsverluste immer größer geworden wären weshalb man dann zu einer 12V (zunächst teilweise auch 5V) Versorgung der CPU mit Spannungswandlern auf dem MB übergegangen ist. Manche Zusatzcontroller und sonstige ICs auf dem Mainboard sowie Schnittstellen (etwa USB) brauchen aber nach wie vor 5V oder 3,3V welche entweder vom Netzteil oder eigenen SpaWas geliefert werden.

Kondensatoren sind teure Bauteile und entsprechend wird hier mit Marketingtricks versucht hohe Wertigkeit auszuweisen. 6000 Stunden bis 12000 Stunden Lebensdauer bei 105°C sollten jedoch ausreichen. Wichtiger ist hier vielmehr die Lötqualität, da dies Einwirkung hat auf die Eigenschaften des Dielektrikums und somit auf die Lebensdauer. Man sollte sich auch nicht durch "militärische Standards" ins Bockshorn jagen lassen. Diese Kondensatoren werden bei 85°C auf ihre Belastbarkeit getestet und erreichen unter solchen Vorraussetzungen um einges längere Lebensdauern als die zuvor auf 105°C bestimmten.
Auch die Kühlung der Kondensatoren ist nicht unwichtig. Die Kondensatoren haben zwar keine große Verlustleistung sollten aber insbesondere möglichst nicht von den MOSFETs bzw. ihrem Kühlkörper mitgeheizt werden... Negativbeispiel: AsRock X79 Extreme4-M

Die Temperatur ist eben für die Lebensdauer von großer Bedeutung.

Man sollte sich auch nicht durch "militärische Standards" ins Bockshorn jagen lassen.
Na ja die Überprüfung von Elektronischen Bauteilen nach MIL-STD-883 liefert schon recht genaue Informationen über deren Qualität und insbesondere die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen. Ohne nähere Betrachtung darauf zu vertrauen ist aber natürlich sinnlos und die Vergleichbarkeit mit zivilen Standards nur eingeschränkt möglich.


Eventuell sollte man noch mal allgemein betonen das eine überdimensionierte Spannungsversorgung zu unnötig hohen Verlusten führen kann. Will man nicht (stark) übertakten sollte man daher vielleicht explizit kein Mainboard mit allzu großzügig dimensionierter Spannungsversorgung kaufen.
 
Zuletzt bearbeitet:
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Danke Superwip, solche Anregungen hab ich gesucht.

Zum Punkt 1:
Na gut...

Zunächst würde ich einmal eine grundlegend(ere) Erklärung eines Abwärtswandlers einbauen oder wenigstens verlinken. Die auf Wikipedia ist ja gar nicht so schlecht: Abwärtswandler

Allgemein beschrieben sollten auch die MOSFETs bzw. MOSFET+Diode-ICs werden.
Ich war der Auffassung das man in Teilen das Prinzip schon in der Verlinkung Geheimnis Spannungswandler | 3DCenter.org nachverfolgen kann. In Abschnitt 2.3.3. steht auch die wie bei Wiki beschriebene ehemalige Methode über die Diode den zweiten Schwingkreis zu betreiben der dann die eigentlichen Leistungsversorgung aus der Spulenenergie macht. Werd aber den link zum Wikiartikel noch mit einbringen. :daumen:


Auch auf den Kühlbedarf und Aufbau einer guten Kühlung sollte eventuell besser eingegangen werden; falsch ausgelegte oder auch völlig überdimensionierte Kühlungen sind ja nicht selten.
Schwieriges Thema. Ein allgemeiner Satz wie größer ist besser oder mehr Kühlrippen ist besser oder Pro X sollten es Y Quadrat Zentimeter Kühlfläche und Z Kubikzentimeter Kühlraum sein ist halt "muffig". Vertrauen darauf das die Mainbordhersteller die Größe richtig dimensionieren ist eigentlich für den Konsumenten wichtig. Nicht zuletzt wird gerade bei den Kühlkörpern durch gestalterisches Design um sich abzugrenzen die Vergleichbarkeit eingeschränkt. Klar wäre es hier nett Maße/Angabe zu haben. Nur hab ich bisher keinen einzigen Hersteller gesehen der das ausgewiesen hätte. Man könnte es an praktischen Beispiel verdeutlichen. Nur hat man da eben auch keinen Richtwert, der bei der Entscheidung belastbar aussagt das eine wäre besser als das andere. Überdimensioniert ist an sich nicht schädlich, von daher zwar nicht konsteneffizient, hat aber für den Verbraucher kein negativen Folgen.

Wie wäre es mit:
3.4. Kühlkörper
Die Kühlkörper sind für die Wärmeabfuhr der Verlustleistung der Spannungswandler verantwortlich. Ihre Größe und Gestaltung hat mit dem jeweiligen Luftstrom einfluss darauf wie kühl die Spannungswandler im Betrieb sind. Indirekt bestimmt sich dadurch auch deren Effizienz. Da es keine Angaben durch die Hersteller gibt um diese direkt miteinander zu vergleichen, ist die Auswahl beschränkt. Als gestalterisches Mittel dienend, fällt dem Kunden eher das Design ins Auge.
Kühlkörper Gaming3 vs UD3H.jpg
Gegenüberstellung Gigabyte Ga-z97 Gaming 3 und Z97 UD3H (Quelle: EasyCOM auf en.gecid.com) (Quelle: wccftech.com)

Bei gleicher Spannungsversorgung kann durchaus mit unterschiedlichen Kühlkörpern gearbeitet werden. Zu klein dimensionierte Külkörper können Folgen haben auf die Leistungsfähigkeit der Spannungswandler. Hier ziehen sich Hersteller durch die Ausweisung von Kühlvorschriften aus der Verantwortung. Mit Top-Blow-Kühlern wird so der Luftstrom direkt auf die Kühlkörper gelenkt.

Vorschrift Kühlung.png
Vermerk der Kühlungsart Asrock - 970 Extreme3 R2.0 (Quelle: asrock.com)

Oder aber es werden Sonderlüfter für die Montage auf den Kühlkörpern beigefügt beziehungsweise integriert. Einige Hersteller bieten mit Anschlüssen die Möglicheit an die Spannungswandler in einen Wasserkühlungskreislauf aufzunehmen.

normal_ASRockOCFormula_022.jpg
Integrierter Lüfter und Wasserkühlung in Kühlkörper auf ASRock Z77 OC Formula (Quelle: ocaholic.ch)




Das ist nicht ganz korrekt und zieht sich durch den ganzen Guide. Tatsächlich braucht ein Prozessor oder auch praktisch jede andere Logikschaltung ja (nur) Spannung. Der Stromverbrauch ergibt sich weitgehend durch mehr oder weniger parasitäre Effekte. Daher ist es wichtig die Spannung unabhängig vom aktuellen Stromverbrauch möglichst konstant zu halten. Lediglich bei geringerem Takt kann man die Spannung reduzieren. Die Stromversorgung muss also wenn man so will nicht mehr und nicht weniger als laufend Ladungsverluste (Spannungsverluste) ausgleichen.

Vor langer, langer Zeit wurden die digitalen Schaltungen inklusive CPUs ja auch noch direkt vom Netzteil versorgt. Zunächst mit 5V, später mit 3,3V. Weiter sinkende Spannungen bei immer höheren Stromstärken hätte man aber kaum mehr liefern können da die Leitungsverluste immer größer geworden wären weshalb man dann zu einer 12V (zunächst teilweise auch 5V) Versorgung der CPU mit Spannungswandlern auf dem MB übergegangen ist. Manche Zusatzcontroller und sonstige ICs auf dem Mainboard sowie Schnittstellen (etwa USB) brauchen aber nach wie vor 5V oder 3,3V welche entweder vom Netzteil oder eigenen SpaWas geliefert werden.
Vom technischen her gesehen geb ich dir uneingeschränkt recht. Klar ist der Strom nur die Folge der Spannung. Strom und Stromfluss ist allerdings einfacher zu verstehen als von Potenzialdifferenzen/Spannungen zu reden, einfach weil die Analogie und die sinnliche Vorstellung es besser begreifbar macht. Man redet halt leider von "Strom aus der Dose" und nicht sachlich korrekt von Spannung. Ich bin mir gerade unsicher ob ich es voll auf Spannung umstelle oder nicht doch die lainhaftere aber dafür verständlichere Ausführung so beibehalte.

Der Artikel sollte sich hauptsächlich auf die CPU und deren Spannungsversorgung beziehen. Weitere Verbraucher waren nicht Teil der Betrachtung. Die Evolution stand auch nicht auf dem Plan, da hab ich mich auf Haswell beschränkt um nicht zuweit abzuschweifen und "akutell" zu bleiben. Ich hoffe du siehst mir das nach.

Auch die Kühlung der Kondensatoren ist nicht unwichtig. Die Kondensatoren haben zwar keine große Verlustleistung sollten aber insbesondere möglichst nicht von den MOSFETs bzw. ihrem Kühlkörper mitgeheizt werden... Negativbeispiel: AsRock X79 Extreme4-M

Die Temperatur ist eben für die Lebensdauer von großer Bedeutung.

Na ja die Überprüfung von Elektronischen Bauteilen nach MIL-STD-883 liefert schon recht genaue Informationen über deren Qualität und insbesondere die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen. Ohne nähere Betrachtung darauf zu vertrauen ist aber natürlich sinnlos und die Vergleichbarkeit mit zivilen Standards nur eingeschränkt möglich.
Ok da werd ich den Abschnitt 3.2. Kondensatoren mit den Anmerkungen ergänzen bzw die Temperatur genauer in den Zusammenhang mit der Lebensdauer verbandeln.

Hab es mal dahingehend umformuliert:
Kondensatoren sind teure Bauteile und entsprechend wird hier mit Marketingtricks versucht hohe Wertigkeit auszuweisen. 6000 Stunden bis 12000 Stunden Lebensdauer bei 105°C und Japan als Herstellungsort sollen hohe Qualität vermitteln. Man sollte sich auch nicht durch "militärische Standards" ins Bockshorn jagen lassen. Diese Kondensatoren werden bei 85°C auf ihre Belastbarkeit getestet und erreichen unter solchen Vorraussetzungen um einges längere Lebensdauern als die zuvor auf 105°C bestimmten. Es ist also kein direkter Vergleich zwischen den zivilen Standards und militärischen möglich. Kondensatoren fallen an sich durch höhre Temperaturen schneller aus. Eine gesonderte Kühlung ist zwar nicht notwendig, allerdings sollten sie nicht durch naheliegende Bauteile wie die Kühlkörper oder andere Wärmequellen aufgeheizt werden. Ein Negativbeispiel hierfür ist das AsRock X79 Extreme4-M. Wichtig ist ebenso die Lötqualität, da diese Einwirkung hat auf die Eigenschaften des Dielektrikums und somit auf die Lebensdauer.


Eventuell sollte man noch mal allgemein betonen das eine überdimensionierte Spannungsversorgung zu unnötig hohen Verlusten führen kann. Will man nicht (stark) übertakten sollte man daher vielleicht explizit kein Mainboard mit allzu großzügig dimensionierter Spannungsversorgung kaufen.
Hatte ich in Punkt 2.4.3. bemerkt. mit: Da es keine Komponenten gibt die verlustfrei leiten, ist ein Nachteil von mehr Phasen das der Stromverbrauch geringfügig ansteigt. Als veranschaulichendes Extrembeispiel: Bei einem Pentium oder Celeron der über 16 Phasen anstatt drei versorgt würde, hätte es etwa ungleich mehr Energieverlust im VRM.

Ich könnt es noch ein wenig schärfer formulieren. Allerdings denke ich, dass die etwas größere Stromrechnung dann doch besser ist als evtl unterdimensionierte Mosfets usw, die dann mit kürzerer Lebenszeit einhergehen. Klar braucht es eben kein Z97 16 Phasen Board für einen Pentium. :D
 
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Superwip

Lötkolbengott/-göttin
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Ich war der Auffassung das man in Teilen das Prinzip schon in der Verlinkung Geheimnis Spannungswandler | 3DCenter.org nachverfolgen kann. In Abschnitt 2.3.3. steht auch die wie bei Wiki beschriebene ehemalige Methode über die Diode den zweiten Schwingkreis zu betreiben der dann die eigentlichen Leistungsversorgung aus der Spulenenergie macht. Werd aber den link zum Wikiartikel noch mit einbringen. :daumen:

Na gut... eine Erklärung direkt im Guide, am besten direkt in der Einleitung wäre aber vielleicht besser.

Allgemein kann die Strukturierung des Guides vielleicht noch verbessert werden.

Auch auf den Kühlbedarf und Aufbau einer guten Kühlung sollte eventuell besser eingegangen werden; falsch ausgelegte oder auch völlig überdimensionierte Kühlungen sind ja nicht selten.
Schwieriges Thema. Ein allgemeiner Satz wie größer ist besser oder mehr Kühlrippen ist besser oder Pro X sollten es Y Quadrat Zentimeter Kühlfläche und Z Kubikzentimeter Kühlraum sein ist halt "muffig". Vertrauen darauf das die Mainbordhersteller die Größe richtig dimensionieren ist eigentlich für den Konsumenten wichtig. Nicht zuletzt wird gerade bei den Kühlkörpern durch gestalterisches Design um sich abzugrenzen die Vergleichbarkeit eingeschränkt. Klar wäre es hier nett Maße/Angabe zu haben. Nur hab ich bisher keinen einzigen Hersteller gesehen der das ausgewiesen hätte. Man könnte es an praktischen Beispiel verdeutlichen. Nur hat man da eben auch keinen Richtwert, der bei der Entscheidung belastbar aussagt das eine wäre besser als das andere. Überdimensioniert ist an sich nicht schädlich, von daher zwar nicht konsteneffizient, hat aber für den Verbraucher kein negativen Folgen.

Es gibt da schon einige interessante Aspekte so kann man etwa anhand der Temperatur des Kühlkörpers, der Herstellerangaben des IC Herstellers und der abgeschätzten Verlustleistung auf die Temperatur des ICs schließen und abschätzen ob diese kritisch ist. Entsprechende Berechnungsmethoden bzw. Formeln und Methoden für das korrekte Messen der Kühlkörpertemperatur oder der Temperatur der kühlkörperlosen IC Oberfläche könnten beschrieben werden.

Oder aber es werden Sonderlüfter für die Montage auf den Kühlkörpern beigefügt beziehungsweise integriert. Einige Hersteller bieten mit Anschlüssen die Möglicheit an die Spannungswandler in einen Wasserkühlungskreislauf aufzunehmen.

Lüfter sind als unnötig zu betrachten da eine Kühlung in der Regel auch problemlos passiv möglich ist. Wasserkühlung ist etwas problematisch da die Kühlkörper oft aus Aluminium bestehen was in üblichen Kupferbasierenden Wasserkühlkreisläufen zu Problemen führen kann.

Vom technischen her gesehen geb ich dir uneingeschränkt recht. Klar ist der Strom nur die Folge der Spannung. Strom und Stromfluss ist allerdings einfacher zu verstehen als von Potenzialdifferenzen/Spannungen zu reden, einfach weil die Analogie und die sinnliche Vorstellung es besser begreifbar macht. Man redet halt leider von "Strom aus der Dose" und nicht sachlich korrekt von Spannung. Ich bin mir gerade unsicher ob ich es voll auf Spannung umstelle oder nicht doch die lainhaftere aber dafür verständlichere Ausführung so beibehalte.

Der Artikel sollte sich hauptsächlich auf die CPU und deren Spannungsversorgung beziehen. Weitere Verbraucher waren nicht Teil der Betrachtung. Die Evolution stand auch nicht auf dem Plan, da hab ich mich auf Haswell beschränkt um nicht zuweit abzuschweifen und "akutell" zu bleiben. Ich hoffe du siehst mir das nach.

Ich würde auf jeden Fall empfehlen die Spannung zu betonen. Es ist wichtig zu verstehen das das lastunabhängige Halten der Spannung die wichtigste Aufgabe der Spannungsversorgung ist und das sich abgesehen von Kühlung und Verlustleistung praktisch alle wesentlichen Probleme daraus ergeben das das eventuell nicht optimal gelingt.

Allerdings denke ich, dass die etwas größere Stromrechnung dann doch besser ist als evtl unterdimensionierte Mosfets usw, die dann mit kürzerer Lebenszeit einhergehen.

Das MOSFETs der SpaWas auf Grund von Unterdimensionierung oder zu schwacher Kühlung die Lebensdauer des Boards begrenzen ist recht unwahrscheinlich und dürfte nur in Ausnahmefällen vorkommen. Eine großzügig dimensionierte Spannungsversorgung ist eigentlich nur notwendig wenn man (stark) übertakten will. Es ist auch wichtig einschätzen zu können ob man eine besonders leistungsfähige Spannungsversorgung überhaupt braucht (oder auch nicht) und was schon übertrieben ist. Die Meinung das man bei der Anschaffung von Hardware keinen Gedanken an die Stromrechnung verschwenden sollte teile ich allerdings.
 
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Na gut... eine Erklärung direkt im Guide, am besten direkt in der Einleitung wäre aber vielleicht besser.

Allgemein kann die Strukturierung des Guides vielleicht noch verbessert werden.
Da mach ich mir nochmal Gedanken zu.

Lüfter sind als unnötig zu betrachten da eine Kühlung in der Regel auch problemlos passiv möglich ist. Wasserkühlung ist etwas problematisch da die Kühlkörper oft aus Aluminium bestehen was in üblichen Kupferbasierenden Wasserkühlkreisläufen zu Problemen führen kann.
nehm ich in den Text mit auf.

Es gibt da schon einige interessante Aspekte so kann man etwa anhand der Temperatur des Kühlkörpers, der Herstellerangaben des IC Herstellers und der abgeschätzten Verlustleistung auf die Temperatur des ICs schließen und abschätzen ob diese kritisch ist. Entsprechende Berechnungsmethoden bzw. Formeln und Methoden für das korrekte Messen der Kühlkörpertemperatur oder der Temperatur der kühlkörperlosen IC Oberfläche könnten beschrieben werden.
Ja interessant ist es. Meiner Meinung nach aber auch unnötig. Es schaut so aus: günstiges Board keine Kühlkörper/zu kleine+schlechte (niedriger Wirkungsgrad hoher Wärmeumsatz) Spawas und wenige Phasen ->niedriger Output ->Belastung am Rande des gerade so noch tragfähigen nach geforderten Vorgaben von Intel. Und je mehr der Preis steigt, desto mehr steigt auch die Werthaltigkeit der Komponenten, die Anzahl der Phasen und die Kühlkörper kommen dazu/werden größer. Eigentlich bräuchte es große Kühlkörper auf den kleinen/preiswerten Boards um genau die schwächen der Spawas auszugleichen. Das ist aber nicht der Fall. Unter Normalbetrieb und ggf. leichtem oc unter Luft/Wasser ist quasi jede Lösung ausreichend ab einer werthaltigen Preisklasse. Sprich die Kühlkörper sind wenn man nicht das günstigste vom günstigesten an Board nimmt so oder so in der Lage die Wärme bei gutem Luftstrom abzuführen, den im Normalbetrieb und Normal OC werden eh nicht solche Leistungen durch das VRM gejagt, die spezielle Lösungen erfordern.

Dazu kommt, es gibt keinerlei Tabellen über Dimensionierung von Kühlkörpern auf Boards, es gibt keine Tabellen über verwendete TIM zwischen Powerstages/Mosfets und Kühlkörper, jede Umgebung (Gehäuse ist anders) und damit der Luftsrom zur Wärmeabfuhr (dazu noch die Variablität an optionalen Lüftern) und zuletzt die Umgebungsbedingungen wie Umgebungstemperatur sind nicht zu idealisieren. Die Anzahl an Einflüssen bläht das Ganze auf. Bei der Komplexität macht das aus meiner Sicht keinen Sinn, wo das Hauptaugenmerk die Spannungsversorgung ist. Kühlkörper sind ein Teil, aber so detailiert würde es den Rahmen sprengen. Mal davon ab das ich in dem Teilgebiet auch nicht so bewandert bin.

Das MOSFETs der SpaWas auf Grund von Unterdimensionierung oder zu schwacher Kühlung die Lebensdauer des Boards begrenzen ist recht unwahrscheinlich und dürfte nur in Ausnahmefällen vorkommen. Eine großzügig dimensionierte Spannungsversorgung ist eigentlich nur notwendig wenn man (stark) übertakten will.
Es geht um die Spannungswandler, Kondensatoren und CPU. Was Ripple betrifft der auf heutigen Systemen seinen Einfluss durch Last mit Taktsprüngen von 800Mhz auf das drei, vier und mehrfache im übertaktenen Zustand mit 10 auf 100% Auslastung bemerkbar macht, bekommt die Phase umgangssprachlich jedes mal einen vor den Bug geknallt und leidtragende sind die Komponenten. Zudem können die kleineren Strukturen schlechter solche Spitzen ertragen als CPUs die noch größere Strukturen hatten. Entsprechend is neben der Erwärmung die sich maßgäblich durch Parallelisierung reduziert gerade der beste Schutz für VRM Komponenten wie Mosfets und Kondensatoren und die CPU die adäquate Auswahl mit hang zur Übersicherheit. Selbst wenn gar kein OC betrieben wird, geht es den Komponenten schlicht besser wenn sie nicht auf das gerade so notwendigen hin gekauft werden, sondern eben für ein paar Euro mehr die Redundanz erhältlich ist die mehr Sicherheit bietet. Nichts anderes bringen mehr wahre Phasen mit sich. Es macht aus meiner Sicht keinen Sinn ein paar Euros zu sparen und eine 3 wahre Phasen Board neu zu kaufen für einen i7 4790k als Beispiel auch wenn die Spannungsversorgung diesen mit Dopplern vollständig im OC abdeckt und das sogar besser als ein wahres 4 Phasenboard ohne Doppler bei nahezugleichen Leistungswerten der Mosfets. Die großzügigsten Varianten/überdimensionierten ab bestimmten Preislagen sind natürlich auch unnötig für den Normalanwender.
 

Superwip

Lötkolbengott/-göttin
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Ja interessant ist es. Meiner Meinung nach aber auch unnötig. Es schaut so aus: günstiges Board keine Kühlkörper/zu kleine+schlechte (niedriger Wirkungsgrad hoher Wärmeumsatz) Spawas und wenige Phasen ->niedriger Output ->Belastung am Rande des gerade so noch tragfähigen nach geforderten Vorgaben von Intel. Und je mehr der Preis steigt, desto mehr steigt auch die Werthaltigkeit der Komponenten, die Anzahl der Phasen und die Kühlkörper kommen dazu/werden größer. Eigentlich bräuchte es große Kühlkörper auf den kleinen/preiswerten Boards um genau die schwächen der Spawas auszugleichen. Das ist aber nicht der Fall. Unter Normalbetrieb und ggf. leichtem oc unter Luft/Wasser ist quasi jede Lösung ausreichend ab einer werthaltigen Preisklasse. Sprich die Kühlkörper sind wenn man nicht das günstigste vom günstigesten an Board nimmt so oder so in der Lage die Wärme bei gutem Luftstrom abzuführen, den im Normalbetrieb und Normal OC werden eh nicht solche Leistungen durch das VRM gejagt, die spezielle Lösungen erfordern.

Dazu kommt, es gibt keinerlei Tabellen über Dimensionierung von Kühlkörpern auf Boards, es gibt keine Tabellen über verwendete TIM zwischen Powerstages/Mosfets und Kühlkörper, jede Umgebung (Gehäuse ist anders) und damit der Luftsrom zur Wärmeabfuhr (dazu noch die Variablität an optionalen Lüftern) und zuletzt die Umgebungsbedingungen wie Umgebungstemperatur sind nicht zu idealisieren. Die Anzahl an Einflüssen bläht das Ganze auf. Bei der Komplexität macht das aus meiner Sicht keinen Sinn, wo das Hauptaugenmerk die Spannungsversorgung ist. Kühlkörper sind ein Teil, aber so detailiert würde es den Rahmen sprengen. Mal davon ab das ich in dem Teilgebiet auch nicht so bewandert bin.

Die üblicherweise verwendeten Wärmeleitpads haben eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 5-10W/mK. Angesichts der vergleichsweise großen Übergangsfläche kann man massiven Alu- oder Kupferkühlkörpern sowie den Heatpipes von Heatpipekühlern eine ideale Wärmeleitfähigkeit unterstellen. Der Wärmewiderstand vom IC Gehäuse zum Chip ist üblicherweise im Datenblatt angegeben genauso wie die maximalen Temperaturen und ihr Einfluss auf den maximalen Strom. Die Verlustleistung lässt sich anhand der Angaben im Datenblatt und der Temperatur abschätzen bzw. per Differentialgleichung näherungsweise berechnen.

Bei MOSFETs ohne Kühlkörper ist nur der innere Wärmewiderstand von Bedeutung sowie die Temperatur an der Oberfläche. Das unbeeinflusste Messen dieser ist per IR-Thermometer möglich wobei es natürlich einiges zu beachten gilt.

Interessant ist das viele Server- oder IPC-MBs nur sehr knapp dimensionierte SpaWas ohne oder nur mit kleinem Kühlkörper aufweisen und das obwohl sie zum Teil für den langjährigen Dauerbetrieb bei hoher Umgebungstemperatur (wenn auch natürlich nicht übertaktet) vorgesehen sind. Ein typisches Beispiel ist das Fujitsu D3231-S.
 

BenRo

Software-Overclocker(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Sehr interessant und gut zu lesen! :-)

Hier ist ein Fehlerchen im Satzbau (bzw. einfach die ersten drei Wörter streichen?):
Wasserkühlung ist etwas Einige Hersteller bieten mit Anschlüssen die Möglicheit an

Außerdem: Sollte ein guter Korrosionsschutz (den man doch eh verwenden sollte) die Probleme die du in dem Abschnitt ansprichst nicht lösen?
 
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Danke für den Hiweis habs korrigiert.

Zur Frage Korrosion.

Alu Korrodiert an sich schon unter Luft durch Luftfeuchte. Die Korrosionsschicht aus AluminiumOxid schützt dann den Rest vor weiterer Korrosion. Anyhow. Es kommt zu einer Annode-Kathode-Reaktion weil eines der Metalle "edler" als das andere ist. Kupfer und Alu bilden eine galvanische Zelle. Korrosionsschutz kommt halt auf das Trägermittel an, zumindest eines das keine Ionen ausbildet, das darf auch nicht hydrophil sein. Die meisten funktionieren dennoch mit destiliertem Wasser. Und Wasser bildet immer elektrische Leitfähigkeit aus. Es ist also nur abmilderbar.

Am besten wäre ein Kühlkreislauf direkt nur aus einer Metallart (gibt es aber nicht, da Metalle immer verunreinigt sind siehe beispielsweise 9999er Gold). Es bilden sich an solchen Fehlstellen immer galvanische Zellen.
 
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Superwip

Lötkolbengott/-göttin
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

(Elektrochemische) Korrosion in Wasserkühlkreisläufen ist ein komplexes Thema das definitiv den Rahmen sprengt.
 

der-andyman

Software-Overclocker(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Ich frage einfach mal in die Runde an die Kenner, ich kaufe demnächst ein neues board und schwanke zwischen msi z97 gd65 gaming, msi z97 gaming 7 und msi z97 MPower. Welches davon ist denn nun am besten geeignet zum übertakten? Die angegebenen 3300 mikro Farad haben mich verunsichert, ich wollte eigentlich den MSI Z97 MPower nehmen, aber der hat wohl "nur" 6 Phasen, welche, sofern ich das verstanden habe, verdoppelt werden....
 
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

In deinem Thread (http://extreme.pcgameshardware.de/k...nn-jemand-mein-neuen-pc-upgrade-absegnen.html) - ist eigentlich schon mehr als Genug darüber gesagt worden. Die Kapazität ist in jedem Fall für normales OC ausreichend, egal welches der Boards du erwählst. "Welches davon ist denn nun am besten geeignet zum übertakten?" - nochmal in den Regionen wo das OC Board gebraucht würde, wirst du mit LUFT oder Wasser nicht kommen. Es kommt mehr auf die Features an. Für deine bisher verlautbarten Ansprüche ans Übertakten wäre jedes gut geeignet, ein besser gibts da nicht.
 

Milkyway

PC-Selbstbauer(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Schaltregler auch Spannungswandler, Transistor bzw. Mosfet genannt (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Das brennt mir als ETechnik Student in den Augen :ugly: FETs sind keine Spannungswandler. Schalter oder elektrisch steuerbare Widerstände lass ich aber durchgehen :D
Genaugenommen wäre Transformation auch der falsche Begriff, aber das passt schon so :)

PWM-Controller, -IC oder kurz PWM genannt (Pulse Width Modulator) ist das Herz der Spannungsversorgung. Er empfängt Befehle des Prozessor und schaltet analog oder digital die Phasen.

das macht für mich keinen Sinn - PWM Controller steuern ein PWM Signal. Was is da den Analog oder Digital? PWM selbst hat natürlich was von beidem.. aber es gibt ja nicht wirklich 2 Varianten. oder sprichst du die technische Umsetzung im IC an?

Der Strom fließt vom Netzteil über das SMPS (switching-mode power supply) in die einzelnen Phasen. Das SMPS ist eine Vorschaltung die vom Netzteil zur Verfügung gestellten Strom "verbessert". Durch Kondensatoren und Spulen wird die Qualität von Wechselstromeinflüßen gereinigt. Neue Netzteile müssen zertifiziert sein. Durch bessere Technik in den Netzteilen konnte die SMPS vereinfacht werden, weil der Strom den heutige Netzteile liefern schon qualitativ gut ist.

Das Netzteil IST das SMPS. Zu einem Schaltnetzteil gehört die Glättung der Spannung dazu. Das das Mainboard möglicherweise noch nen paar Kondensatoren drin hat um die Lastspitzen beim Schalten abzufangen hat mit dem Schaltnetzteil aber nichts zu tun..


Und das mit dem Strom überall statt Spannung ist irgendwie auch nicht grade schön.. ;) Schon ein bisschen Schmerzhaft zu lesen, wenn man in der Uni für solche Aussagen gesteinigt wird :D
 
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Das brennt mir als ETechnik Student in den Augen :ugly: FETs sind keine Spannungswandler. Schalter oder elektrisch steuerbare Widerstände lass ich aber durchgehen :D
Genaugenommen wäre Transformation auch der falsche Begriff, aber das passt schon so :)
Bin da für Vorschläge offen.


das macht für mich keinen Sinn - PWM Controller steuern ein PWM Signal. Was is da den Analog oder Digital? PWM selbst hat natürlich was von beidem.. aber es gibt ja nicht wirklich 2 Varianten. oder sprichst du die technische Umsetzung im IC an?
- Die Verarbeitung im inneren ist Analog oder Digital. Die Signalgabe ist immer Analog. Jopp muss ich ändern.
gruener_haken_1337.gif abgeändert.



Das Netzteil IST das SMPS. Zu einem Schaltnetzteil gehört die Glättung der Spannung dazu. Das das Mainboard möglicherweise noch nen paar Kondensatoren drin hat um die Lastspitzen beim Schalten abzufangen hat mit dem Schaltnetzteil aber nichts zu tun..
Das SMPS ist die Boardeigene Vorschaltung. - Das Netzteil ist die PSU. Das das NT selbst nochmal das gleiche macht, wie die Boards ist ja nicht falsch oder richtig sondern nur redundant, um eben schlechte PSUs abzupuffern.


Und das mit dem Strom überall statt Spannung ist irgendwie auch nicht grade schön.. ;) Schon ein bisschen Schmerzhaft zu lesen, wenn man in der Uni für solche Aussagen gesteinigt wird :D
Hehe hab schon drüber gehämmert um den Strom rauszunehmen. Aber das Thema ist schon schwere Koste, wenn nur von Spannung geredet wird.
 
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Milkyway

PC-Selbstbauer(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Das SMPS ist die Boardeigene Vorschaltung. - Das Netzteil ist die PSU. Das das NT selbst nochmal das gleiche macht, wie die Boards ist ja nicht falsch oder richtig sondern nur redundant, um eben schlechte PSUs abzupuffern.

Die Vorschaltung is aber doch kein Schaltnetzteil. Dir VRMs selbst natürlich schon. Oder versteh ich was falsch?
 
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Da hast du recht. Ich werds nur als Vorschaltung bezeichnen. Ich hab jetzt den SMPS Begriff vollständig rausgenommen. weil es zu sehr verwirrt. Und SMPS und deren Spannungsqualtiät ja immer weiter sich über die Zeit verbessert hat, was eben zur Schrumpfung der Vorschaltung führte.

Und nochmals Danke für die Einwürfe.

Ich bin mir immer noch unsicher was ich mit den Mosfets mache. Einfach weil Highside und Lowside Mosfet so vertraut sind.
 
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Superwip

Lötkolbengott/-göttin
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Es sind ja MOSFETs aber die MOSFETs alleine sind keine SpaWas. Die SpaWas aka Schaltregler enthalten MOSFETs (nicht zwangsweise aber in der Praxis eigentlich immer) als Bauelemente.
 

baronvonvestholm

Software-Overclocker(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

mir sind da jetzt ein paar sachen unverständlich,

also z.b. das ASUS Z97P hat 31,5A/6,5W und 4 Phasen. Wie viel Power hat jetzt das Board?
 
TE
IluBabe

IluBabe

Volt-Modder(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

Viel. :) Ich geh mal kurz auf die 6,5W ein. Dieser Wert beschreibt die Kühlleistung unter dem die Spannungswandler gestellt werden um sie zu vermessen. Je mehr ein Spannungswandler gekühlt wird, desto länger hält man diesen im optimalen Effizienzbereich und umso mehr Ampere kann durchgeschleust werden. Das ist aber ein Einzelwert eines Spannungswandlers (abgeleitet aus der spezifischen Kurve aus dem Datenblatt des Spannungswandlertyps). Mit 4 Phasen auf dem Board kommen noch andere Effekte zum tragen, die die Leistung begrenzen (den Stromfluss bei einer gewünschten Spannung) bzw. verbessern (Kühlkörper die stärker sind als der normiert 6,5W Wert). Zudem im konkreten Fall ein Kühler die Spannungswandler kühlt, dieser aber nicht genau 6,5W Wärme abführt für die Spannungswandler. Sondern die 6,5W sind ein Vergleichswert um verschiedene Spannungswandler mit gleicher Kühlung untereinander zu bewerten.

Zur Frage "Wie viel Power hat jetzt das Board?" - das hängt davon ab wie man kühlt, also der Kühlleistung des Passivkühlers auf dem Board selbst, dem Lufstrom der die Wärme abträgt und somit die Leistung der Spannungswandler definiert, der "Übertaktungsfreundlichkeit der CPU" (je besser die sich im Vergleich zu anderen bei niedrigen Spannungen übertakten läßt, umso weniger Leistung muss durch das VRM) und was man vor hat zu erreichen.
 
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baronvonvestholm

Software-Overclocker(in)
AW: [Guide] Einführung in die Spannungsversorgung

heißt das jetzt, im prinzip kann jedes mainboard jede energie zur verfügung stellen solang die spannungswandler kühl genug sind?

Heißt 31,5A/6,5W Das der Spannungswandler 6,5W an Wärme abgibt bei 31,5A ?
 
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