VRM ¿Qué son y como trabajan?

Generalmente incomprendidos y/o pasados por alto, los VRM son cruciales para el correcto funcionamiento de un PC, por lo tanto es importante que sepamos ¿Qué son exactamente? y ¿Cómo trabajan?.

Si alguna vez se han animado a practicar un poco de Overclocking, deben estar familiarizados con el término VRM. El cual significa “Módulo Regulador de Voltajes”, las siglas están en inglés, es el circuito electrónico que regula y convierte el voltaje principal de alimentación del sistema a los voltajes necesarios y requeridos por todos los circuitos integrados (ICs), como lo son el procesador, la memoria y la tarjeta de vídeo. Puede parecer una tarea fácil, pero es muy crucial para que todo el sistema funcione correctamente.

VRM de una sola fase

El principio de los circuitos reguladores de voltajes es la habilidad de reducir el voltaje promedio entregado, intercalando encendidos y apagados en el voltaje de entrada. Si tenemos una entrada de 12v DC y se enciende y apaga en períodos de tiempo iguales, el voltaje promedio entregado es de 6v DC. Este cambio en el voltaje puede lograrse de manera simple a través de un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET), las siglas son por su nombre en inglés.

En la práctica, el solo alternar una señal entre encendido y apagado no entrega una alimentación neta y estable de 6v. En vez de esto, se necesitan procesos de transición más refinados, para no solo obtener los 6v de manera teórica, sino que realmente sean solo 6v. Esto se logra con una combinación de un inductor (bobina de choque o “choke”) y un capacitor, creando un circuito completo, que en su forma más básica es conocido como convertidor reductor.

Si vemos la (Figura 1), podemos ver dos interruptores MOSFET, marcados como el lado en alto y el lado en bajo. Pongamos atención al lado en alto. Cuando el interruptor del lado en alto está cerrado, el voltaje de entrada del inductor llega a 12v. Esto causa que la corriente comience a fluir a través del inductor, el cual es esencialmente una bobina de cables alrededor de un núcleo magnético, la cual causa que comience a crear un campo magnético alrededor de él mismo.

Sin embargo, mientras este campo se genera, induce voltaje en los cables que ejercen resistencia a la corriente que viene de la fuente de poder. Esto resulta en una caída de voltaje en la terminal de salida, la cual es efectivamente igual y opuesta a la de entrada. En pocas palabras el sistema obtiene 12v de alimentación y no devuelve nada.

Pero este campo magnético, sin embargo, hace que el voltaje negativo inducido sea cada vez menos, hasta que la fuerza del campo alcanza su máximo estable y deja de cargarse; en este punto, ya no induce un voltaje de resistencia, así la corriente puede fluir libremente y finalmente obtenemos los 12v en la salida de nuestro inductor. Se puede observar esto en la (figura 2).

Cuando el interruptor está cerrado, se obtiene 0v en la entrada del inductor y, esencialmente, trabaja a la inversa. La carga magnética alrededor del inductor se disipa, induciendo un voltaje en la dirección opuesta (así que agrega voltaje a la salida en vez de cancelarlo), el cual decrece lentamente con el tiempo. Esto entrega un voltaje relativamente estable tanto creciente como decreciente (figura 3).

Eso es una mejora, pero la señal aún no es suficientemente suave y estable, por esto es que entra a trabajar el capacitor. Para obtener un voltaje relativamente estable, entregando un voltaje limpio para alimentar al CPU o a cualquier otro componente de nuestro sistema.

Repetir este ciclo de encendido y apagado con un 50% de efectividad por ciclo y se obtienen 6v estables. Sin embargo, eso es todavía muy alto para el procesador, en vez de eso se cambia la amplitud del pulso para que el voltaje de salida sea menor. Con una eficiencia por ciclo de entre el 10% y 15%, se obtienen los 1.4v que el procesador necesita para funcionar. Estos cambios de amplitud de pulso y el control en general de los circuitos del VRM, son realizados por un IC conocido como controlador de modulación de ancho de pulsos (PWM), por sus siglas en inglés.

VRM multifase

Un solo circuito VRM puede ser suficiente para ciertas aplicaciones, pero para asegurar un voltaje lo más posible libre de turbulencias, se pueden combinar múltiples VRMs en paralelo, creando un VRM de multifase. El truco de estos es que las fases (el ritmo de cada pulso de 12v del PWM) de cada circuito se compensan en una forma que el interruptor del lado en alto únicamente está cerrado y cargándose en el inductor de solo uno de los circuitos. Durante este momento, el resto de las fases se descargan.

Es fácil darse cuenta que el tener un circuito VRM de varias fases hace que se tenga un voltaje más limpio, pero este no es el único beneficio. Porque cada fase solo maneja una porción de la corriente que está circulando a través de todo el conjunto de VRMs, cada fase es puesta bajo menos presión que si la misma cantidad de corriente pasará por un VRM de una sola fase. Como resultado, estos no se ponen tan calientes y no están sometidos a altas cargas de corriente, haciendo que los componentes con los que son manufacturados sean potencialmente más baratos y más confiables.

Duplicadores de VRM

Una de las razones por las cuales los VRMs tienen tanta atención es porque los fabricantes de motherboard y tarjetas de vídeo han encontrado varios trucos para hacer parecer que los conjuntos de VRM tienen configuraciones de 8 fases, cuando en realidad únicamente tienen 4 fases. Estos arreglos no son necesariamente malos, pero tienen ciertas desventajas.

El primer arreglo es conocido como doblador. Esto es cuando se tiene un circuito de VRM extra, pero cada fase es activada a la mitad de la frecuencia de lo que sería activada en una configuración normal. Así, cuando una verdadera configuración de multifase encendería todas sus fases en una sucesión rápida por cada pulso proveniente del controlador PWM, un doblador solo enciende cada fase únicamente en un pulso sí y en el siguiente no.

También hay configuraciones que duplican el hardware del VRM, pero están conectados entre sí, así que cada fase está impulsada de manera simultánea por el mismo pulso, sin compensación alguna. Esto también resulta en beneficios por la reducción de carga en los componentes del VRM, pero se pierde el beneficio de la regulación del voltaje como el que tiene un verdadero multifase. 

PWMs análogos vs digitales

Como ya mencionamos anteriormente, hay dos partes principales en un circuito VRM. Hay una gran parte análoga del circuito que hace el suavizado del voltaje y existe un chip controlador, que provee al PWM de pulsos que alimentan la parte análoga del circuito.  Los más sofisticados tienen múltiples fases de control y son también responsables de otra tarea crucial dentro del VRM, el monitoreo.

El método de retroalimentación es simple. Un voltaje de referencia (Vref), así como el voltaje que uno puede asignar al CPU desde BIOS, es constantemente alimentado al VRM y luego lo compara con el voltaje que actualmente está siendo monitoreado. La diferencia entre el Vref y el voltaje actual alimentado al CPU o GPU es utilizado para modificar la señal del PWM para tratar de traer el voltaje de salida de nuevo al parámetro establecido.

Generalmente hay dos formas de alcanzar este bucle de retroalimentación. La primera forma utiliza comparación analógica. Esta técnica es muy sólida, relativamente fácil de implementar y reacciona bastante rápido. Sin embargo, no es particularmente sofisticada, por tal motivo es que necesitamos un PWM digital. Este, en vez de convertir voltajes de referencia en señales analógicas, el voltaje retroalimentado es convertido en una señal digital y comparado con el voltaje digital de referencia.

La ventaja de esta forma es que abre el microcontrolador del PWM para que se encargue de otras tareas. Esto puede ser el monitorear sensores de temperatura, configuraciones del BIOS y otros valores guardados. Las desventajas de los controladores de PWM digitales es que son más caros y más complejos de configurar.

Terminología y marketing

A menudo verás que los fabricantes de motherboard publicitan números altos de fases en el formato A+B. En teoría es simple. El primer número indica la cantidad de fases dedicadas al CPU, mientras que el segundo número son las fases para la memoria. Los MOSFETs, diodos, inductores y capacitores de los VRMs para las fases del CPU, se pueden observar alrededor del socket del CPU, por lo general están cubiertos por un heatsink, mientras que las fases para la memoria por lo general estarán a un lado de las ranuras para memorias.

Se torna un poco más complicado cuando el fabricante afirma que una motherboard tiene, por ejemplo, un diseño 16+2, pero en realidad puede que solo esté implementado un doblador y solo tenga 8 fases reales en su configuración. Si el chip solo puede manejar cuatro u ocho fases y el fabricante de la motherboard asegura que tiene 16, claramente hay alguna duplicidad en la configuración. Para la mayoría de personas, no debería ser una preocupación de ninguna forma, pero si alguien está interesado en tener una seria ventaja al momento de hacer overclocking, una configuración de VRMs robusta es algo muy crucial para tener en consideración.

Conclusión

Bueno, este tema tiende a ser algo muy técnico. Pero como entusiastas del hardware debemos conocer que hacen los VRM en nuestro sistema; sobre todo si nos gusta practicar el overclocking. El fin de este documento es ofrecer al usuario una forma de introducirse en el tema de los VRMs, pero los invito a que si quiere saber sobre este tema, que se informen en sitios más especializados. La información de esta entrada es el resultado de una investigación personal en sitios y revistas sobre hardware y electrónica; pero no es que yo sea experto en esto. Las figuras las hice basándome en diagramas encontrados en otro sitios.

Saludos a todos.-