Berechnen Abwärme/Verlustleistung von VRMs

[Sahit]

Servus Leute mich hat grad mal die Problematik VRM und deren Abwärme interessiert.
Mein Ryzen 2700 läuft bei 1,25V mit 3,9GHz das von mir genutzte Mainboard ist ein Asus TUF B350m mit 4 Phasen für die CPU Spannung (Frequenz ist glaube 350 oder 350 KHz).
Die Verwendeten VRMs sind wohl NTMF4C10 (High-Side) und NTMF4C06 auf der (Low-Side).
Nach Datenblatt besitzt der 4C10 ca 7 mOhm (Max) der 4C06 4 mOhm (Max).
Wenn man nach diesen Video geht zieht der 2700x bei 1,25V ca. 130W.
Der Einfachheit halber sage ich jetzt sowohl der Low-Side als auch der High-Side haben 50% Beteiligung. Also im schnitt 5,5 mOhm Durchgangswiderstand der einzelnen MOSFET's.

Wenn ich das hier richtig verstanden habe kann ich das nun wie folgt berechnen:
130W/1,25V=104A
(104A^2x0,0055Ohm)/4Phasen=14,875W

Dementsprechend müsste der VRM Heatsink also fast 15W Verlustleistung abgeben. Das ganze kommt mir aber schon echt hoch vor. Ich meine klar der Heatsink steht im Luftstrom des CPU-Kühler aber 15W finde ich schon recht ordentlich. Wenn die Sensoren an meinem Board stimmen werden die VRMs allerdings nicht heißer als 70°C selbst bei Belastung mit Prime. Habe ich bei meiner Berechnung irgendwo nen Denkfehler?

Datenblätter:
4C10
4C06

 

[BoardBricker]

Stromstärke^2 / Widerstand ergibt nicht Leistung.
Wenn, dann musst du Spannung^2/Widerstand berechnen.

 

[Sahit]

@BoardBricker Oh ja Schuldigung falsche Formel übertragen natürlich ist P=I^2xR richtig gerechnet sollte es aber sein.
Habs oben abgeändert.

 

[BoardBricker]

Oh ja, hätte ich mal die Werte nachgerechnet, wäre mir aufgefallen, dass du den Schritt eigentlich richtig gemacht hast.
Ich hab allerdings so meine Zweifel, dass man bei einer Wechselstromschaltung allein mit dem Ohm'schen Gesetz weit kommt. Wie sieht es denn mit induktivem und kapazitivem Anteil an der Impedanz aus?

 

[ghecko]

Die Max-werte beziehen sich auf eine Ansteuerung ans Gate von 4,5V zu Drain:

Bei höheren Spannungen ist der Widerstand deutlich niedriger. Ich würde vermuten, Asus lässt dieses Potential nicht unangetastet.

Dem hingegen darf man die Anzahl der Schaltzyklen nicht außer Acht lassen, hier geht bei Schaltreglern der Hauptteil der Energie flöten.

Hier sieht man gut, das bei jedem Schaltzyklus der Bereich zwischen 3 und 4V durchschritten wird (und das 2 mal, inkl recovery), bei welchem viel Energie verloren geht. Es kommt also drauf an, wie steil die Flanke der Ansteuerung ist. Je steiler, desto weniger Zeit verbringt der MOSFET in hohen Verlustbereich.
Längere Schaltzyklen sparen Energie, sind aber träge in der Regelung bei hoher Restwelligkeit. Hohe Schaltfrequenzen resultieren in mehr Abwärme, sind aber genauer.

Ohne Oszi oder Datenblatt über den eigentlichen Spannungsregler ist jeder Strich mit dem Bleistift Zeitverschwendung.

Wer ein wenig tiefer einsteigen will und der englischen Sprache mächtig ist:
https://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/14692-mosfet-tutorial

Wenns überhaupt erst mal um die Funktion von Schaltreglern geht fand ich das ABC der Power-Module sehr lehrreich:
https://www.we-online.com/web/de/electronic_components/produkte_pb/fachbuecher/abcderpowermodule.php
Ist halt ein Buch, kostet 9,90€

 

[Sahit]

@ghecko Also sind wir eher bei 4,25-4,5 mOhm. Dann wären es knappe 12W Abwärme. Ok danke für die klarstellung mit den Schaltzyklen. Also bräuchte ich noch das Datenblatt des Spannungsreglers?

 

[ghecko]

Ohne zu wissen mit welcher Spannung das Gate angesteuert wird, kann man keine Aussage darüber treffen. Aber das erfahren wir, wenn wir uns mit dem Spannungsregler befassen. Darin finden wir sicher auch Informationen zur Spannungsregelung selbst.

 

[Samurai76]

Ja, dazu die technischen Spezifikationen der Ansteuerung (Spannungshöhe und Frequenz) und die Höhe der Eingangsspannung, da sich die Verlustleistung der VRM's direkt Proportional zur Frequenz, Strom und Eingangspannung-Ausgangsspannung verhält. Nur Theoretisch wird der Wert aber schwer greifbar und die Berechnung ist nicht ohne. Sage ich als gelernter Elektroniker.

 

[Sahit]

Bin fündig geworden das hier sollte der verwendete Spannungswandler sein https://www.richtek.com/assets/product_file/RT8877C/DS8877C-01.pdf

 

[ghecko]

Hm, ein PWM-Regler. Das vereinfacht das Ganze, weil sich die Schaltfrequenz nicht ändert, sondern die Impulsänge. Somit sind die Zyklen eine statische Größe. Vielleicht habe ich Tomaten auf den Augen, aber ich hab auf die Schnelle im Datenblatt keine Schaltfrequenz gefunden

Der Spannungsregler kann die Mosfets aber nicht allein betreiben, dazu braucht er noch separate Gate-Treiber:
https://www.richtek.com/assets/product_file/RT9624A/DS9624A-07.pdf
Diese sind im Datenblatt beschrieben, können aber auf dem Mainboard auch andere sein.
Die angegebenen haben eine Versorgungsspannung von 4,5V bis 13,2V und eine maximale Schaltfrequenz von 500Khz. Die Gate-Spannung wird über PHASE reguliert, ist also für uns nicht einsehbar ohne Messungen am Board selbst vorzunehmen. Zudem die Schaltungstopographie des Buck-Converter ein Mosfet anstelle einer "Freilaufdiode" vorsieht, über welchen auch noch Anteile der Leistung generiert werden.

Man sieht, will man das berechnen, muss man mit einem Oszi die Mosfets während der Regelung vermessen und den genauen Schaltungsaufbau auf dem Board kennen. Und selbst dann ist die Rechnung nichts, was man schnell nach URI auf einen Zettel kritzelt.

 

[Sahit]

@ghecko ok War ja wieder klar das das ganze nicht so einfach ist. Danke für die Erläuterungen, eventuell schau ich mal ob ich nen einfachen Temperatursensor bekomme um die vom Mainboard angezeigten Temperaturen für die VRMs zu überprüfen. Übrigens hat mich dieses Video auf die Idee gebracht:

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Er hält hier ja nicht viel vom der Spannungswandlung des TUF B-450M deswegen wollte ich einfach mal überprüfen ob die Temperaturen die ich von den Sensoren angezeigt bekomme auch wirklich der Wahrheit entsprechen.

Edit: Was ich halt absolut nicht nachvollziehen kann ist warum Hersteller so ein Bullshit wie im Video gezeigt machen und einfach 2 Spulen pro Phase verbauen um so den Anschein von mehr Phasen zu erwecken. Ich würde lieber auf den ganzen RGB Quatsch am Mainboard verzichten und dafür eine ehrliche Spannungsversorgung mit guten Kühlkörpern haben. Müssen ja jetzt keine 10 Phasen sein aber 6 wären mal ganz nett. Bin gespannt wie sich das ganze verhält wenn wirklich Ryzen 3000 16 Kerner kommen.

 

[ghecko]

Na ja, ich halte ja nicht viel von seiner Argumentation. Sein Hauptargument ist, dass mehr Phasen=besser. Ich denke er spielt hier darauf an, dass sich eine höhere Anzahl Mosfets pro Leistungspfad leichter kühlen lassen, argumentiert aber mit der Regelung, und das diese Aufgrund des einzelnen ICs für 2 Paare "Fake sei", was ich nicht unterstreichen kann.

Hier sieht man den 4+2-phasigen Aufbau der Spannungsregulierung für die zwei Ausgangsspannungsbereiche, Vvddnb und Vvdd.
Wenn wir jetzt nur Vvdd betrachten sehen wir, dass wir pro PWM-Channel jeweils einen Gate-Treiber und zwei Mosfets haben. Asus betreibt scheinbar pro Gate-Treiber jeweils 4 Mosfets, also 2 Parallel. Ob der Treiber nun nativ das Ansteuern von 4 Gates unterstützt oder ein Gatetreiber auf 2 Gates verzweigt wird, weil er mit der Gatekapazität zurecht kommt, ist uns nicht bekannt und prinzipiell nicht relevant.

Dieser Herr argumentiert nun, dass dies keine echten 8 Phasen sind, also alles Fake. Meine Gegenfrage: Was verbessern native 8 Phasen gegenüber dieser Ansteuerungstopographie? Der einzige Vorteil von 8 Phasen ist eine Lastverteilung auf mehrere Bauteile und mehr Oberfläche, was einfacher zu kühlen ist.
Ist dies trotz 4-phasiger Ansteuerung gegeben? Ja!

Spannungsregelung: Der RT8877C reguliert die Spannung, indem er hinter den Drosseln aller 4/8 Phasen an der Brücke den Spannungswert abgreift, über Vvdd_sense, und zwar nur ein einziger Kanal über alle Phasen gemeinsam. Die Ansteuerung der Phasen ist somit ohnehin ein paralleler Ablauf, die Spannungsqualität würde sich nur erheblich durch separate Regulierung und Überlagerung der einzelnen Phasen deutlich verbessern.
Hat man also einen deutlichen Nachteil in der Spannungsqualität eines 4-Phasigen Designs gegenüber einem nativen 8-Phasen Design?
Nein!

Würde es Sinn machen, die Spannungsregler mit mehr Feedbackchannel auszustatten?
Nur wenn die CPUs mehr unterschiedliche Spannungsbereiche haben. AM4 hat zwei Spannungsbereiche und die Prozessoren ohne Grafik nutzen (meines Wissens) nur einen davon. Hier muss die Spannung passen. Eine Separate Regelung der Phasen ist also unnötig und bringt keinen reellen Vorteil. Überlagerungen im 4-Phasigen Design in Verbindung mit der hohen Schaltfrequenz reichen völlig aus, um eine ausreichende Spannungsqualität zu gewährleisten.

Somit halte ich seine Anschuldigung für Unsinn, welche aus oberflächlichem Verständnis der Schaltung herrührt. Auf das Bild kritzelt er nur Ergebnisse seiner Rechnung, wie er auf diese Werte kommt erklärt er nicht. Wenn sein Argument ist, dass der Kühler zu klein dimensioniert ist, dann von mir aus, soweit seine Rechnung stimmt. Wenn er aber argumentiert, dass das 4/8 Phasen Design daran schuld ist frage ich mich, was sein argumentatives Ziel ist. 4/8 Phasen lassen sich genau gleich gut/schlecht kühlen wie ein natives 8-Phasen Design, das hat absolut nichts mit der Ansteuerung zu tun.
Diese ganze Phasenesoterik erreicht in Fachforen langsam erschreckende Ausmaße, vergleichbar mit dem Operationsverstärker in Audioforen.