Was ist ein VRM auf einem Motherboard und warum ist es wichtig?

Die Stromregulierung ist für den Schutz Ihres Motherboards und seiner Komponenten von entscheidender Bedeutung.

Für die meisten PC-Enthusiasten beinhaltet die Auswahl des richtigen Motherboards wichtige Überlegungen wie Formfaktor, CPU-Kompatibilität, Speicherkonfiguration, Konnektivitätsoptionen und Übertaktungsspielraum. Eine wichtige Motherboard-Komponente, die selbst in einem Datenblatt oft unbemerkt bleibt, ist ihr VRM (Spannungsreglermodul) – ein elektronischer Schaltkreis, der für die Gewährleistung der Gesamtstabilität eines Systems verantwortlich ist.

Um die Bedeutung dieses unterschätzten Schaltreglers einzuschätzen, werfen wir einen Blick auf die Funktionsweise eines VRM, die damit verbundenen Komponenten, die Unterscheidung zwischen einem hochwertigen und einem schlecht konstruierten VRM sowie seine Auswirkungen auf die CPU-Leistung.

Im Kern ist das Spannungsreglermodul auf Ihrem Motherboard (auch als Prozessorleistungsmodul bezeichnet) ein spezieller Abwärtswandler (DC zu DC), der Spannungen reguliert und umwandelt, um sie an die spezifischen Anforderungen der CPU, des Speichers usw. anzupassen Komponenten. Stellen Sie sich VRMs als Mini-Netzteile vor, ähnlich dem Hauptgerät, das 120 oder 240 V Wechselstrom aus der Steckdose aufnimmt und auf eine viel niedrigere Gleichspannung (12 V/5 V/3,3 V) umwandelt.

In dieser Hinsicht führen Motherboard-VRMs denselben Vorgang aus wie das Netzteil, jedoch auf einer sekundären Ebene. Ihr Hauptziel besteht darin, die eingehenden 12 V von den 8/4-poligen EPS-Anschlüssen in eine geeignete Betriebsspannung für moderne CPUs umzuwandeln (typischerweise im Bereich von 1,1–1,5 V).

Darüber hinaus spielen VRMs eine entscheidende Rolle bei der Übertragung sauberer und konstanter Spannung an jede stromhungrige Komponente in Ihrem PC und verringern so die Wahrscheinlichkeit absurder Überspannungen oder VDroops. Aufgrund ihrer stetigen Umwandlungsfähigkeiten ermöglichen Spannungsregelungsschaltungen auch die optimale Funktion mehrerer CPU-Generationen (mit dynamischer Kernspannung) auf einem kompatiblen Motherboard-Chipsatz.

Während viele von uns den VRM als unabhängige, in sich geschlossene Einheit betrachten, steht das Akronym für eine Sammlung unterschiedlicher elektronischer Komponenten rund um den CPU-Sockel (LGA oder PGA) und die DIMM-Steckplätze auf unserem Motherboard. Für Uneingeweihte: Spannungsregelkreise enthalten eine Kombination aus MOSFET-Schaltern, die zusammen mit Kondensatoren, Drosseln und PWM-Controllern arbeiten, um den Leistungsphasenprozess zu erleichtern.

Hier finden Sie einen umfassenden Überblick über alle wesentlichen Komponenten, aus denen Motherboard-VRMs bestehen.

MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) fungieren als isolierte Gates, die elektronische Signale innerhalb eines Spannungsregelkreises verstärken oder dämpfen. Vereinfacht ausgedrückt steuern diese Halbleiter den Stromfluss zur CPU basierend auf Signalen und Werten, die sie vom PWM-Controller-Chip erhalten.

Ein einphasiger VRM verwendet zwei MOSFET-Schalter (Low-Side und High-Side), um die Modulation der durchschnittlichen Ausgangsspannung einer Schaltung durch intermittierendes Umschalten einer Eingangsspannung zu unterstützen. Da der Schaltmechanismus hunderte Male pro Sekunde erfolgt, neigen MOSFETs dazu, eine große Wärmemenge zu erzeugen, wobei die Temperaturen bei starker Belastung oder ohne ausreichende Kühlung möglicherweise 150 °C überschreiten können.

Daher sind diese Halbleiter oft mit passiven Kühlkörpern, Miniaturlüftern oder Wasserblöcken ausgestattet, um Überhitzungsprobleme zu mindern und die Betriebseffizienz zu verbessern.

Drosseln sind würfelförmige Induktoren, die hochfrequente Wechselstromsignale in niedrigere Frequenzen oder Gleichströme innerhalb eines Spannungsregelkreises umwandeln. Dieses elektronische Gerät verfügt über einen donutförmigen Magnetkern, um den eine isolierte Spule gewickelt ist. Es dient einem doppelten Zweck: der Speicherung, Filterung und Verfeinerung der Leistung sowie der Fähigkeit, die Leistungsabgabe in extremen Szenarien wie Übertaktung oder Überspannung zu regulieren.

Darüber hinaus ist zu beachten, dass jede Drossel einer Leistungsphase auf Ihrem Motherboard entspricht. Je höher die Phasenanzahl, desto stabiler ist die Spannungsübertragung zu Ihrer CPU.

Im Gegensatz zu Drosseln speichern Kondensatoren Energie in einem elektrischen Feld und entladen den angesammelten Strom bei Bedarf schnell in angeschlossene Stromkreise. Der Hauptzweck dieser zylindrischen Komponenten besteht darin, plötzliche Spannungsspitzen zu verhindern und Welligkeiten in einem Spannungsregelkreis zu minimieren.

Im Zusammenhang mit Motherboard-VRMs und ihren entsprechenden Phasen sammeln Kondensatoren, die als temporäre Speichereinheiten fungieren, den von den Drosseln empfangenen elektrischen Strom und liefern die erforderliche Leistung an Ihre CPU. Jegliche überschüssige Ladung dieser Geräte wird über die Schaltungsmasse absorbiert oder abgegeben.

PWM-Controller (Pulsweitenmodulation) oder Treiber-ICs (integrierte Schaltkreise) erzeugen PWM-Impulse, die anschließend in die analogen Kernkomponenten einer Spannungsregelschaltung – MOSFETs und Drosseln – geleitet werden. Neben der Überwachung passen diese mehrphasigen Controller die Stromversorgung der CPU dynamisch an, sodass diese auch bei intensiver Arbeitsbelastung die höchste Effizienz aufrechterhält.

Im Wesentlichen erfasst der PWM-Controller die Referenzspannung Ihrer CPU (im BIOS auch als VRef bezeichnet) und misst sie mit der vorherrschenden Spannung vom VRM Ihres Motherboards. Jegliche Unterschiede zwischen VRef und der tatsächlichen Spannung veranlassen dieses Gerät, die Signale neu zu kalibrieren und die Ausgangsspannung sofort zu modulieren.

Die Kernkomponenten eines VRM werden außerdem durch Dioden und Widerstände ergänzt, die verhindern, dass der in diese Geräte fließende elektrische Strom bestimmte Schwellenwerte überschreitet.

Moderne CPUs und GPUs erfordern ein robustes Stromversorgungssystem, das über die bloßen Fähigkeiten eines einphasigen VRM hinausgeht. Um einen relativ stabilen und effizienten Übertragungsprozess zu erreichen, integrieren Motherboard-Hersteller fast immer mehrere Abwärtswandler parallel und schaffen so eine mehrphasige VRM-Lösung.

Zunächst einmal teilt die gestaffelte Anordnung eines mehrphasigen VRM-Aufbaus die Last in separate Leistungsstufen auf und verteilt sie so über einen größeren physischen Bereich. Dieser ausgeklügelte Energieverwaltungsansatz versorgt die CPU mit einer sauberen und präzise geregelten Betriebsspannung und reduziert die Wärmeentwicklung und Belastung innerhalb der Kernkomponenten.

Wenn Sie ein brandneues Motherboard kaufen, werden Sie im Marketingmaterial wahrscheinlich auf die Terminologie „Phase Power Design“ stoßen, die die Zuordnung der Phasen zur Leiterplatte (Leiterplatte) angibt. Diese Spezifikation wird von Herstellern oft im Format „A+B“ (8+2) oder „X+Y+Z“ (16+2+2) angepriesen – der Anfangswert vor dem „+“-Zeichen gibt die Anzahl der Phasen an ist der CPU gewidmet, während sich die Kombination nach dem Pluszeichen auf andere kritische Komponenten auf einem Motherboard bezieht. (RAM, Chipsatz, iGPU usw.).

In Fällen, in denen die tatsächliche Anzahl der für die CPU reservierten Phasen jedoch acht übersteigt, was an Bezeichnungen wie „18+2“ oder noch höher zu erkennen ist, neigen Motherboard-Hersteller dazu, ein ausgefeiltes Gerät namens „Doppler“ einzubauen. Einfach ausgedrückt ermöglichen VRM-Verdoppler den Herstellern, die Steuersignale für eine Phase aufzuteilen und so die Anzahl der Phasen aus Steuerungssicht effektiv zu verdoppeln. Allerdings sind die Vorteile möglicherweise nicht so groß wie echte zusätzliche Phasen.

Darüber hinaus führt die Einbeziehung von Verdopplern in einen „echten“ 8-Phasen-VRM-Aufbau zu erheblichen Verbesserungen des Leistungsphaseneinstellungsprozesses bei geringeren Herstellungskosten.

Bei der Bewertung von Motherboards anhand der Qualität ihrer VRM-Konfigurationen spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Selbst wenn Sie nicht vorhaben, Ihre CPU zu übertakten, kann eine schlecht konzipierte VRM-Lösung den Stromversorgungsmechanismus erheblich ruinieren, was zu Systeminstabilität, Abstürzen, BSODs und anderen eklatanten Problemen führt.

Hier erfahren Sie, wie Sie zwischen einer erstklassigen VRM-Konfiguration und einer, die weit hinter den Erwartungen zurückbleibt, unterscheiden können.

Natürlich ist es nicht einfach, ein Motherboard vor dem Kauf zu prüfen. Sie können es sich jedoch jederzeit genau ansehen, wenn es ankommt, und es dann zurückschicken, wenn es nicht mehr auf dem neuesten Stand ist.

Grundsätzlich kann das Konzept eines VRM recht kompliziert sein, da es eine Fülle von Fachjargon (MOSFETs, Drosseln, Kondensatoren, PWM-Controller usw.) beinhaltet, die dem durchschnittlichen PC-Enthusiasten möglicherweise unbekannt sind. Trotz dieser Komplexität dienen Motherboard-VRMs als Rückgrat für eine effiziente Spannungsübertragung an die CPU und andere wichtige Komponenten in Ihrem PC.

Koushik ist ein Technologie-Enthusiast, der sich auf das Schreiben über Computer-Hardware bei MUO spezialisiert hat. Nach seinem Master-Abschluss in Filmwissenschaften erkannte Koushik, dass er sich mehr für die Analyse und Erklärung der Feinheiten von Hardwarekomponenten als für die Filmform interessierte. Mit über zwei Jahren Erfahrung als professioneller Autor ist es Koushiks Hauptanliegen, seine Leser über das zu informieren Neueste Trends in der CPU-, GPU- und Speicherarchitektur. Außerdem interessiert er sich sehr für Videospiele und diskutiert gerne über die Einzigartigkeit und Verbreitung eines solchen Mediums. Wenn er nicht arbeitet, sieht man sich oft Filme aus der Übergangszeit an.