Tutorial Mengenai VRM (Voltage Regulator Modules) Pada VGA

[ekoaja]

Dalam dunia Overclocking anda pasti sudah tidak asing mendengar komponen yang satu ini. VRM (Voltage Regulator Modul), ya... inilah bagian dari komponen perangkat hardware anda yang bertanggung jawab atas suplai daya listrik sehingga perangkat anda dapat berjalan dengan normal.

Kebanyakan para Overclocker mengalami masalah pada bagian yang satu ini tertama saat harus mengoverclock VGAnya. Pada konsepnya komponen ini bekerja dengan sangat rumit dan sangat dipengaruhi oleh stabilitas voltase ukuran heatsink, OCP (Over Current Protection), dan juga ukuran dari VRM itu sendiri. Ukuran dari VRM itu sendiri akan menentukan umur dari VGA itu sendiri, karena ukuran VRM yang tidak sesuai dapat menyebabkan malfungsi pada VGA itu sendiri jika dihadapkan pada kondisi suplai daya tinggi, misal saat menggunakan Furmark. Kini VGA semacam HD5000series telah memiliki managemen OCP yang baik sehingga dapat terlindungi dari kerusakan akibat kurang stabilnya suplai daya pada VGA di komponen VRM. Tapi bagaimana dengan VGA lain yang tidak memiliki OCP yang sebaik HD5000series?? sudah dapat dipastikan system akan mengalami restart, hang bahkan terbakar yang menyebabkan kerusakan permanen pada VGA tersebut. Nah pada artikel kali ini saya akan mencoba menunjukkan seperti apa VRM itu dan lokasinya pada PCB VGA HD5970 dan beberapa VGA lain.

1. Teori Tentang VRM.
VRM merupakan komponen yang melakukan koversi dari DC ke DC (Direct Current). Hal ini sangatlah penting karena GPU tidak bekerja pada voltase +12 dan +5v namun bekerja pada 1v. Dan komponen VRMlah yang bertugas mengubah tegangan tersebut dari 12v dan 5v menjadi 1v. Intinya VRM adalah pengubah arus tegangan DC ke DC. Dan VRM bertugas menjaga kestailan tegangan sembari memberi daya Ampere yang sesuai kebutuhan GPU. VRM juga disebut dengan Buck Converter.

Inilah skema dasar VRM.


SW1 adalah transistor yang berkomunikasi dengan voltase input, L1 adalah induktor yang menyimpan dan melepas energi listrik ke kapasitor untuk meratakan sinyal voltase yang masuk. SW2 adalah transistor roda bebas yang akan tertutup jika SW1 terbuka. Dan sebuah VRM dapat terbagi dalam 3 komponen utama : bagian logika, bagian power, dan bagian filter.

Bagian logika (logic devices) juga disebut voltage regulator yang mengatur daya yang dibutuhkan GPU agar dapat bekerja pada voltase &daya yang sesuai. Voltage controller juga merupakan otak VRM.

Bagian power (power device) merupakan "ototnya" VRM dan memberikan tenaga bagi MOSFET ((Metal-Oxyd Semiconductor Field Effect Transistor). MOSFET adalah power switch yang merupakan salah satu jenis dari transistor.

Bagian filter (filtering device) adalah untuk menghaluskan input dari MOSFET dan dihasilkan oleh induktor dan kapasitor.

Phase adalah gabungan dari power device dan filtering device. Phase dapat dengan mudah disebut sebagai VRM yang artinya adalah : sebuah VRM adalah gabungan dari voltage controller dan beberapa phase.

Gambar dibawah ini adalah ASUS EAH 5830 DirectCU :

Asus EAH 5830 DirectCU PCB dengan VRM phases dan voltage controller (VC)


Asus EAH 5830 DirectCU PCB – detail dari VRM


Asus EAH 5830 DirectCU – voltage controller (VC)

Berdasarkan pandangan keseluruhan maka PCB diats memiliki 8 Phase VRM. Ada 1 atau 2 phase untuk memori dan memori tentu membutuhkan VRM. Dan sisanya 6-7 phase VRM adalah untuk GPU. Mengapa VRM dibuat beberapa phase??

Karena banyak GPU modern dibuat dengan kebutuhan daya yang tinggi. Sampai 80A per GPU. Banyak Ampere yang dihasilkan hanya dari beberapa Phase VRM. Beberapa VRM juga disebut multiphase VRM atau multiphase converter. Dan multi phase dapat tergantikan dengan n-phase. Dan semua modern VGA kini menggunakan multiphase VRM.

Pada multiphase VRM, setiap MOSFET (2 MOSFET per phase) dikendalikan oleh PWM signal yang dihasilkan oleh voltage controller. Perintah sinyal PWM mengendalikan laju buka tutup pada MOSFET. Dan output setiap n-phase adalah jumlah dari setiap phase.

PWM berarti Pulse Width Modulation dan gampangnya disebut sinyal kotak dengan lebar gelombang yang bervariasi.

Gambar dibawah menunjukkan sinyal PWM untuk 4 phase VRM :

4 phase VRM- PWM signal

Prinsip PWM adalah sederharna, dan secara alami tidak mendukung adanya variasi brutal seperti voltase, speed berapapaun kuantitas yang kamu inginkan dan hanya bisa mengendalikan kendali operasi secara normal. Dengan adanya gelombang kotak (voltase) dimana tempat gelombang ini dimodulasi dan didalam filter device maka gelombang ini akan dihaluskan dan menghasilkan sinyal rata rata. Dan sinyal rata rata inilah yang akan dihubungkan ke lebar gelombang.

Pada n-phase VRM, setiap pasanga MOSFET akan menghantarkan 1/n dari total output power, dan ini mengijinkan penggunaan MOSFET dan induktor yang lebih kecil. Nah disini disipasi power akan disebarkan keseluruh MOSFET agar terhindar dari kejadian titik panas yang terjadi akibat penggunaan phase VRM tunggal.

Ada 2 macam VRM generator : Analog dan Digital. PWM generator model analog menggunakan komponen dan struktur yang mudah (continuous signal generator, comparator, dll) untuk menghasilkan PWM signal. Sedangkan Digital PWM generator dibuat didalam sebuah chip yang memungkinkan untuk dilakukannya pemrograman.

Jadi dengan cara demikian power yang dihasilkan VRM dapat dibawa secara proporsional ke setiap phase. Dan tampaknya MSI telah mengerti akan hal ini dan dibuktikan dengan adanya HD5870 Lightning dengan 15-phase VRM (12 phases untuk GPU dan 3 untuk memori)!.



Filtering device pada setiap phase juga berfungsi untuk menyimpan (saat MOSFET tertutup) dan mentransfer (saat MOSFET terbuka) daya yang dibutuhkan oleh GPU. Ada 2 jenis VRM :
- Inductor-based VRMs
- Capacitor-based VRMs
Capacitor-based VRMs berfungsi mengendalikan device (low power) saat inductor-based VRM mengendalikan device dengan Ampere tinggi dan low voltage. Pada kasus ini, induktor ini disebut dengan nama high current inductors. Induktor ini menghasikan induktansi rendah (biasanya 2.0 uH dan dibawahnya) dengan rating ampere tinggi (15A-100A).

Choke adalah sebutan bagi power induktor yang digunakan pada elemen filter.

Perlu diingat bahwa GPU beroperasi pada low voltage dan high current (20A per phase). Pada situasi semacam ini, induktor berfungsi sebagai reservoir untuk mencegah terjadinya Overcurrent. Induktor ini menyimpan energi didalam bentuk medan magnet. Dan hal ini sering disebut sebagai low pass filter.

2. VRM : AMD Radeon HD5970


HD5970 adalah 2 GPU dan 2 VRM digunakan untuk menghidupi kedua GPU tersebut.

Inilah diagram VRM HD5970 :


Voltage controller pada HD5970 adalah Volterra VT1165MF. Komponen ini mengijinkan voltase hingga 2.0v dan secara teori dapat dikendalikan dalam konfigurasi berbeda pada setiap GPU. Voltase normal adalah 1.0v dan HD5970 dapat diubah core voltagenya secara software.

Chip VT1165MF mengendalikan 3 power MOSFET dengan sebuah PWM signal. Setiap MOSFET memiliki kesamaan fungsi dengan Volterra VT1157SF. Pada HD5970, setiap GPU ditenagai oleh 3 phase VRM.

Setiap GPU pada HD5970 membutuhkan sedikit energi daripada HD5870. Maka dari itu hanya dibutuhkan 3 phase PWM untuk setiap GPU (vGPU untuk GPU voltage) pada HD5970 dibandingkan HD5870 yang membutuhkan 4 phase PWM.


Radeon HD 5870 and the 4-phase VRM

AMD telah menentukan tempat peletakan tambahan phase bagi HD5970. VGA ultra High End seperti ASUS Ares (True Dual HD5870) membutuhkan 4 phase PWM per GPU. Hal ini dikarenakan kebutuhan daya yang begitu besar sehingga dibutuhkan cooling system yang baik seperti HD5850 dibawah ini :


Radeon HD 5850 with Thermalright VRM-R5 heatsink

VRM pada HD5970 adalah inductor-based VRM. VRM jenis ini memerlukan off-chip inductor.

Off-chip inductor ini dikendalikan oleh Coiltronics CPLA-3-50, sebuah 3 phase induktor yang didesain khusus untuk Volterra device. CPLA-3-50 merupakan 3-phase low noise component ( induktor menghasilkan suara jika dialiri daya yang besar), dan setiap phase memberikan induktansi sebesar 50nH (nano-Henry).

Henry adalah satuan bagi induktor, Kapasitor adalah Farad dan resistor adalah Ohm. Resistor, kapacitor & Induktor adalah komponen penting untuk elektronik pasif.

Inilah 2 MOSFET lain pada HD5970 :


2 MOSFET tersebut digabungkan dengan 2-phase shoke (CLP-2-50), yang dikendalikan oleh VT1165MF yang memberi daya bagi GPU uncore I/O. Keseluruhan phase dibagi diantara GPU. TDP bagi HD5870 adalah 188W. Dengan voltase 1v maka akan membutuhkan daya 188A bagi HD5870 yang sangat mustahil terutama bagi VGA dimasa mendatang. Ya, mari kita perkirakan kebutuhan untuk GPU adalah 78A dan dengan kondisi tes software Furmark. Yang artinya adalah 78W untuk GPU dan 188W-78W = 110W untuk board secara keseluruhan. Daya sebesar 110W didisipasikan oleh MOSFET, memori dan Fan. Dan ingat kondisi tersebut hanya pada kondisi extrim dan tidak jauh dari kenyataan yang ada.

MOSFET (VT1157SF) pada HD5000series sekarang dilindungi oleh chip yang terdedikasi yang merupakan perbedaan yang sangat signifikan dibanding HD4000series. Ketika kemampuan MOSFET sudah mencapai tahap maksimum maka chip tersebut akan mengembalikan MODFET kedalam keadaan normal. Pada saat tes Furmark dengan HD5970, membuktikan chip ini bekerja sangat baik. Namun jika tes ini dilakukan berulang kali maka lain ceritanya.

3. VRM : GeForce GTX480
GeForce GTX480 memiliki 6-phase VRM untuk menyuplai daya GPU dan 1 phase untuk suplai daya ke memori. Tidak seperti HD5970, GTX480 tidak memiliki VT1165 sebagai pengendali voltase, namun menggunakan CHiL CHL 8266. CHiL CHL 8266 terletak dibelakang GTX480 PCB. Dan GPU ini bekerja pada voltase 0.990 maupun 0.995v.


PCB bagian muka.


Detail VRM


Detail GTX 480 GPU VRM phases


GTX 480 PCB bagian belakang dengan voltage controller


Detail GTX 480 voltage controller

Setiap phase GPU VRM pada GTX480 terdapat 3 MOSFETs, 1 choke dan 1 kapasitor.

Source

[tomzgunner]

Nice info,, gw aja baru tau VRM setelah abca ini trit

[[email protected]]

wah detil banget.....setelah baca panjang lebar....kayae masih ttp ga mud.....hehehehe
tapi buat nambah2 ilmu ok banget.....nice tritttt............

[arni]

hmm, phase VRM gtx 465 ada berapa ya?? samakah spt gtx 470??

[ekoaja]

ini thread cocok bagi anda yang suka overclock sambil Hardmod............yah itung2 tambah ilmu.....

[[email protected]]

wah klo buat aq lom nyampe tu ilmu kayak gitu.....
sering2 baca aja......hehehehehe

[seeds]

wah nice inpoh bang TS
eh kan diatas adamacem2 vga highend bang, nah pertanyaan gw yg make teknologi vrm lebih canggih & efisien yg mana bang ?
BTW ada dislokasi pict lo bang

[Dhysolid]

@TS nice bro

wlpun ngejelimet susah bwt paham setidaknya ane jadi tahu istilah n fungsinya sbg apa itu VRM dllnya

Off-chip inductor ini dikendalikan oleh Coiltronics CPLA-3-50, sebuah 3 phase induktor yang didesain khusus untuk Volterra device. CPLA-3-50 merupakan 3-phase low noise component ( induktor menghasilkan suara jika dialiri daya yang besar), dan setiap phase memberikan induktansi sebesar 50nH (nano-Henry).

bro yg di tebalkan menghasilkan suara mksdnya bunyi klo kelebihan daya???

[seeds]

@TS nice bro

wlpun ngejelimet susah bwt paham setidaknya ane jadi tahu istilah n fungsinya sbg apa itu VRM dllnya

bro yg di tebalkan menghasilkan suara mksdnya bunyi klo kelebihan daya???

kayak kasus yg dialami bang becc dulu bro...
ada suara Ngiiing gt
coba dicari ada kok trit pembahasan'nya

[ekoaja]

@seeds : thx dah kasih koreksi.........soal efisiensi n kualitas VRM saat ini yang terbaik adalah milik radeon HD5000series karena pada seri itulah terdapat chip pengendali VRM, sehingga jika VRM mengalami kelebihan beban pada kerja yang tinggi, maka chip tersebut akan melakukan throtling daya (penurunan paksa) pada VRM agar VRM tidak mengalami OverCurrent yang berakibat terbakarnya VGA. Seperti pada kasus kebanyakan GTX275 yang mengalami terbakar akibat penggunaan VRM yang tidak dilengkapi pelindung OCP.

@dhysolid : bunyi itu disebabkan Phase PWM berjumlah sedikit sementara daya yang harus dihandle besar, sehingga mengakibatkan interferensi pada gelombang didalam PWM. Atau bisa juga dikarenakan tidak sinkronnya antara gelombang PWM dengan gelombang yang dihasilkan oleh refresh rate monitor, nah pada kasus ini dengan mengaktifkan V-Sync maka akan menghilangkan suara berisik pada PWM VGA karena PWM akan melakukan sinkronisasi gelombang dengan gelombang yang dihasilkan oleh monitor.