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Wissen: So arbeiten Spannungswandler: Spannungswandler


PC Games Hardware Magazin - epaper ⋅ Ausgabe 11/2019 vom 02.10.2019

Ohne sie würden viele Hardware-Komponenten nicht funktionieren – und zunehmend mehr Hardware-Marketing-Kampagnen ebenfalls nicht. Aber wie arbeiten VRMs und wie viel(e) braucht man?


Artikelbild für den Artikel "Wissen: So arbeiten Spannungswandler: Spannungswandler" aus der Ausgabe 11/2019 von PC Games Hardware Magazin. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: PC Games Hardware Magazin, Ausgabe 11/2019

Bild: Gigabyte

Zu wenigen PC-Bauteilen gibt es so viele verschiedene Qualitätsaussagen und -meinungen und gleichzeitig so wenig -tests wie zur Stromversorgung von Mainboards, zunehmend häufiger auch zu der von Grafikkarten. Überall werden Bauteile gezählt, Spezifikationen aufaddiert und abschließende Bewertungen gegeben – in manchen Fällen ohne die Hardware je in der Hand gehabt zu haben und ohne zu wissen, welche ...

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... Anforderungen überhaupt erfüllt werden müssen.

Dem Mangel an Praxistests werden wir uns in einer kommenden Ausgabe widmen. Zunächst gilt es, die Grundlagen zu erklären: Was ist eigentlich eine Phase? Oder eine sogenannte „Fake“-Phase? Und wieso sollte man ganz viele davon haben?

Die Aufgabe

Sinn und Zweck von Spannungswandlern sind bereits im Namen enthalten: Sie wandeln eine Spannung in eine andere um. Auf Englisch spricht man deswegen auch von „Voltage Regulator Module“ (VRM). PC-Netzteile stellen nämlich nur 3,3 V, 5 V und 12 V direkt bereit, womit kein einziger moderner Chip arbeitet. Stattdessen entnehmen die verbrauchsintensiven Grafikkarten und der Prozessor-Teil von Mainboards ihren Strombedarf den 12-V-Leitungen, versorgen damit aber GPUs respektive CPUs, die je nach Modell und Lastzustand eine Eingangsspannung zwischen 0,7 und 1,4 V benötigen.

Ein klassischer Transformator, wie er auch im PC-Netzteil werkelt, hilft hier nur wenig weiter. Seine Spulen brauchen viel Platz, der auf den Platinen nicht vorhanden ist, er arbeitet nur mit Wechselstrom, der erst einmal erzeugt werden müsste, und vor allem: Sein Funktionsprinzip basiert auf der Umwandlung von elektrischer Energie in ein Magnetfeld in der ersten Spule und eine Rückwandlung in Strom in der zweiten. Quasi eine Kombination aus Elektromotor und Generator, nur dass man die mechanischen Komponenten entfernt hat und den elektromagnetischen Antrieb des Motors direkt auf die Statorwicklungen des Generators wirken lässt. Das Verhältnis der Magnetfeldstärke zur Eingangs-respektive Ausgangsspannung wird hierbei direkt durch die Windungszahl der Spulen festgelegt. Ein Transformator kann also immer nur mit einem festen Verhältnis arbeiten, für eine einstellbare Kernspannung muss eine andere Lösung her.

Der Abwärtswandler

Die Lösung heißt „Abwärtsregler“ oder auf Englisch „Step-down“ beziehungsweise „Buck Converter“. Auch hier deuten die Bezeichnungen bereits zwei Eigenschaften an: Es geht nur von hohen zu niedrigen Spannungen und das Ergebnis ist nicht unbedingt gleichmäßig, sondern sprunghaft. Erstere Einschränkung ist für den PC-Einsatz kein Problem, Letztere wird uns im hinteren Teil des Artikels beschäftigen.

Schritt 1: Highside an, Lowside aus. Grundsätzlich arbeitet ein einzelner Abwärtswandler als kont rollierter Kurzschluss zwischen Stromquelle und Bauteil. Die (in unserem Beispiel) 12-V-Leitung ist direkt mit einem Schalttransistor, dem Highside-MOSFET („Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor“), verbunden und von dessen Ausgang wiederum führt ein Draht bis in den zu versorgenden Chip. Schaltet man nun ein, sollte die CPU oder GPU eigentlich gegrillt werden – Abwärtswandler arbeiten aber gezielt mit hoher Frequenz und Trägheit. Letztere sitzt in Form eines Induktors, in aller Regel einer Spule, zwischen Highside-MOSFET und stromabnehmendem Bauteil. Fließt Strom in eine Spule, induziert er ein Magnetfeld um diese herum. Diese geleistete Arbeit entzieht ihm Energie, verlangsamt den Stromfluss und somit den Spannungsaufbau am Stromverbraucher. Erst wenn die Spule gesättigt, also maximal geladen ist, würde dieser induktive Widerstand gegen null gehen und der Strom ungehindert fließen, bis die vollen 12 Volt am Bauteil anliegen.

Schritt 2: Highside aus, Lowside an Vorher schaltet ein überwachender Controller den Highside-MOSFET aber wieder aus – der ganze Prozess dauert auf Mainboards einige 100 Nanosekunden oder weniger. Die Trägheitswirkung der Spule macht sich anschließend erneut bemerkbar: Ohne weitere Stromzufuhr baut sich das Magnetfeld wieder ab und induziert nun seinerseits Strom in der Spule, der zwar zunehmend schwächer wird, aber in die gleiche Richtung wie der ursprüngliche wirkt.

Damit dies möglich ist, muss der Stromkreis von der Spule zum Verbraucher trotz der Abkopplung von der Spannungsquelle geschlossen werden. Gleichzeitig mit der Abschaltung des Highside-MOSFETS wird deswegen der Lowside-MOSFET aktiviert. Dieser ist einerseits mit dem gleichen Eingang der Spule verbunden, den auch der Highside-MOSFET nutzt, und andererseits mit der Masseleitung, die sich Verbraucher und Stromquelle teilen. Die Kombination aus geladener Spule und Verbraucher ist jetzt also beidseitig auf Masse gepolt, was normalerweise 0 V und keinen Stromfluss bedeuten würde. Die sich entladende Spule nutzt aber die im Magnetfeld gespeicherte Energie, um weiterhin Elektronen aus der Masse-Leitung zu saugen, und erhält so den ursprünglichen Stromfluss aufrecht. Faktisch wirkt sie also als träger Zwischenspeicher, der durch den Highside-MOSFET kommende Stromimpulse ausgleicht und im Aus-Zeitraum kurzzeitig als Stromquelle dient. Der Lowside-MOSFET wiederum muss nur durch seine kurzzeitige Öffnung verhindern, dass der Highside-MOSFET in der An-Periode direkt auf Masse kurzgeschlossen ist, anstatt die Spule aufzuladen.

Alternativ: Diode statt MOSFET Tatsächlich nutzten frühe Spannungswandler anstelle des aktiv geschalteten Lowside-MOSFET einfache Dioden. Diese Bauteile lassen Elektronen nur in einer Richtung passieren, und da der erwünschte Strom in einem Abwärtswandler immer in die gleiche Richtung fließt, ein unerwünschter Kurzschluss in der An-Periode aber in Gegenrichtung unterwegs wäre, reicht die passive Richtungswirkung eigentlich aus. Moderne Wandler verbringen aber mehrere Mikrosekunden im Aus-Zustand, der Strom fließt also überwiegend über den Lowside-Weg. Hier haben passive Dioden einen erheblichen Effizienz-Nachteil. Sie stellen für den Strom einen größeren elektrischen Widerstand als ein aktiv eingeschalteter Lowside-MOSFET dar, was nicht nur Stromverbrauch und Wärmeentwicklung steigert, sondern auch den Stromfluss während des Aus-Zeitraumes bremst und so die Stromschwankungen am Stromverbraucher vergrößert.

Glatte Spannung: Der Kondensator Als viertes und letztes Bauteil gibt es im Stromkreis zusätzlich noch einen Kondensator, der parallel zu den Anschlüssen des Stromverbrauchers geschaltet ist. Dieser wirkt auf die abgegebene Spannung der Wandlerschaltung genauso wie die Spule auf den Stromfluss. In den betrachteten kurzen Zeiträumen sind beide Begriffe nämlich nicht mehr direkt assoziiert – die Spannung baut sich erst nach und nach auf, wenn Strom zum Bauteil fließt, und sie sinkt wieder, wenn der Stromfluss geringer als der Verbrauch ist. Während die Spule den Stromfluss glättet, sodass diese Schwankung in erster Instanz möglichst klein bleibt, nimmt der Kondensator zusätzlich in Phasen höherer Spannung Ladungsträger auf und gibt sie wieder ab, sobald die Spannung am Bauteil geringer als die gespeicherte im Kondensator ist. Die stellt sicher, dass nicht nur der Stromfluss im Bauteil gleichmäßig bleibt, der Chip also konstant schalten kann, sondern dass auch das vorgesehene Spannungsniveau gehalten wird, was für eine logisch richtige Interpretation der Schaltvorgänge unabdingbar ist.

Das ist Phase!

Der bislang beschriebene Zyklus betrifft einen einzelnen Abwärtsregler. Dieser wird gerne auch als „Phase“ bezeichnet, in Analogie zu einphasigem Wechselgegenüber mehrphasigem Drehstrom. Wie erwähnt liefern „Buck Converter“ nämlich trotz aller Glättungselemente keinen sauberen Gleichstrom und der Energiebedarf vieler Großverbraucher würde auch sehr große Bauteile erfordern, wollte man ihn mit nur einem Abwärtswandler befriedigen. Stattdessen werden alle CPUs und GPUs von mehreren Phasen versorgt, die aber typischerweise von jeweils einem Controller koordiniert werden. Dieser nutzt seine Möglichkeiten und lässt die An-Zyklen der einzelnen Phasen einander abwechseln: Während Phase 1 von 4 gerade am Tiefstpunkt des Zyklus ist und mit weit entladener Spule nur wenig Strom liefert, sind die Phasen 2 und 3 noch in einem früheren Endladestadium und entsprechend kräftig unterwegs, während 4 von 4 mitten im An-Zeitraum Vollgas gibt.

Viel hilft viel?

Wie dieses Beispiel zeigt, können mehr Phasen für eine glattere Spannung und stabileren Stromfluss sorgen. Beides verringert die Belastung und damit Alterungserscheinungen am Verbraucher und kommt dessen Stabilität zugute. Und natürlich können mehr Phasen auch einen größeren Stromverbrauch bedienen. Drei Vorteile, die Tuner liebend gern in höhere Taktraten investieren, weswegen sowohl Mainboards als auch Grafikkartenlayouts mit extra vielen Phasen vor allem Übertakter ansprechen sollen und dies auch tun. Aber Vorsicht: Auch die Stärke einer Phase kann je nach Dimensionierung der Bauteile schwanken; die typischerweise auf Mainboards verwendeten Bauteile erlauben durchaus einen Unterschied von Faktor drei bis vier zwischen den schwächsten und den stärksten Phasen. Dies ist auch nötig, denn Einsteiger-Designs mit teilweise nur drei parallel arbeitenden Abwärtswandlern hätten sonst keine Chance, den Sollstromfluss der stärksten CPUs zu überleben. Aber auch die Spannungsstabilität hängt nicht direkt von der Zahl der Phasen ab, sondern eigentlich von der Dichte der An-Perioden. Man kann den gleichen Effekt wie mit doppelt so vielen Phasen also auch mit einer doppelt so häufigen Ansteuerung doppelt so starker Ausführungen erreichen.

Letzteres würde aber auch doppelt so schnelle Controller erfordern und doppelt so viele Schaltvorgänge bedeuten, was man aus Effizienzgründen heute gerne vermeidet. MOSFETs kennen nämlich nur zwei effiziente Zustände: Im Aus-Zustand ist ihr Widerstand hoch, aber es fließt nur schwacher Blindstrom und der Eigenverbrauch ist minimal. Im An-Zustand bietet ein guter MOSFET dagegen kaum Widerstand, sodass trotz starken Stromflusses ebenfalls nur wenig Abwärme entsteht. Übergangszustände während des Schaltens kombinieren dagegen Widerstand und Stromfluss und sollten vermieden werden – eine effiziente Spannungswandlung schaltet lieber viele MOSFETs ab und zu, sodass ein Großteil des Stroms über Phasen fließt, deren Lowside-MOSFET gerade auf Durchzug steht.

„Fake“-Phasen

Da ein Controller aber nur eine begrenzte Anzahl Steuerkanäle hat, gibt es diverse Tricks, um die Zahl der MOSFETs mehr oder minder kostengünstig zu erhöhen. Eine Übersicht zeigen wir links, alle Verfahren lassen sich hierbei auch kombinieren und quantitativ steigern: In der Vergangenheit erhöhten einige Blender einfach nur die Zahl der dann entsprechend kleineren, schwächeren Spulen, da diese leicht sichtbaren Bauteile gern als „Phasen“ gezählt werden, obwohl sie nur eine Komponente darstellten. An Stelle von Phasenverdoppelung ist wiederum auch -vervierfachung möglich: legendär das Gigabyte Z77X-UP7 mit acht Quadruplern für 32 Phasen (siehe Aufmacher). Solche Lösungen werden gerne als „Fake“-Phasen bezeichnet, da nicht jeder Abwärtswandler einen eigenen Controller-Kanal hat. Bei oft gleichbleibender Regelfrequenz bieten die vielen „Fake“-Phasen aber die vollen Vorteile bezüglich Effizienz und Temperaturverbesserung und ausgehend von acht Kanälen auch eine glatte Ausgangsspannung.

Diese ist aber nicht das einzige Stabilitätskriterium, in letzter Zeit rückt zunehmend die Reaktionszeit von Spannungswandlern in den Fokus. Liefert ein Abwärtswandler nämlich mehr Strom als verbraucht wird, dann steigt die Spannung am Verbraucher über den Sollwert. Im umgekehrten Fall kann sie in problematischem Maße abfallen. Mit bis zu einer Million Schaltdurchläufen pro Sekunde arbeiten moderne Spannungswandler zwar flott, aber CPUs mit mehreren Milliarden Taktzyklen im gleichen Zeitraum können trotzdem so schnell in und aus Ruhezuständen wechseln, dass es zu sogenanntem „Over-“ und „Undershooting“ kommt. Dies gilt ganz besonders, wenn ein Controller wegen Dopplern die einzelnen Abwärtswandler nur jeden zweiten Zyklus nachregeln kann.

Volterra Driver fasste als erster Hersteller High- und Lowside-MOSFETs zu einer digitalen Powerstage zusammen. Mit hohen Schaltgeschwindigkeiten und speziellen Induktoren, die mehrere Phasen gleichzeitig bedienten (statt klassischer Spulen), sank der Bedarf an Glättungskondensatoren auf ein Minimum.


Intels FIVR (Fully Integrated Voltage Regulator) integrieren neben Powerstage und Kondensatoren auch miniaturisierte Spulen auf einem CPU-internen Chip; Haswell generierte die Vcore selbst aus einer 1,8-V-Versorgungsspannung. FIVR reagieren sehr schnell, Herstellung, Wärmeentwicklung und Leistungsfähigkeit bereiten aber Sorgen.


Bild: Intel