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【用語解説】VRM(ボルテージレギュレータモジュール)とは何か?

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本記事は、What Is A VRM (Voltage Regulator Module)? A Simple Overview
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約5分37秒

マザーボードに関しては、誰もがデスクトップ用に異なるものを求めています。人によっては接続用に複数のUSBポートを用意したい人もいれば、大規模なゲーム用に複数のグラフィックカードを使いたい人もいます。しかし、人々がよく無視しているマザーボード設計の重要な側面があります。それは、電圧レギュレータモジュール(VRM)です。これはCPUとGPUに電力を供給する役割を担っています。

 

この概要記事では、なぜVRMが最も重要なコンポーネントであるのか、どのように動作するのか、そして新しいマザーボードを選択する際に見落としてはいけない理由について説明しています。

 

VRMとは?

VRM(Voltage Regulator Moduleの略)は、マイクロプロセッサに接続されたミニ電源装置です。主電源(SMPSまたはスイッチドモード電源)が壁のソケットから240または120ボルトを取り、DC 12ボルトにステップダウンするのと同じように、マザーボードのVRMはCPUに適切な電圧を提供するために、この2回目を行います。

 

VRMは、プロセッサ電源モジュールとも呼ばれ、電圧をステップダウンさせ、+12または+5ボルトをマイクロプロセッサが必要とするはるかに低い電圧に変換するDC-DC電源コンバータです。ほとんどのVRMは0.5~3.5ボルトの間で負荷を供給し、異なる電源電圧のマイクロプロセッサを同じマザーボード上に統合することを可能にします。

 

最新のVRMはプロセッサからの[変化する]必要な電圧を感知し、それに応じて電源を調整します。これらのVRMはマザーボード上に半田付けされ、「センシング」を行います。GPUの中には、高電圧が必要なためにVRMを利用しているものもあります。このようなVRMはタスクを実行中に非常に熱くなるため、余分な熱を放散するためのヒートシンクが必要になります。

 

どのように動作するのか?

VRMは通常、その効率性からスイッチングレギュレータとして実装されています。電圧を適切なレベルに正確にステップダウンさせるだけの降圧コンバータですが、その設計は単純な回路よりもかなり複雑です。VRMは3つのコンポーネントで構成されています。

 

1. MOSFET:電子信号のスイッチングや増幅に広く使われている半導体デバイス。
2. チョーク(インダクタ):磁界に電流が流れたときにエネルギーを蓄える受動部品。
3. キャパシタ:磁界に電気エネルギーを蓄えるもう一つの受動部品。

単相VRM回路

 

VRM回路は、実際のスイッチとなる2つのMOSFET(ハイサイドとローサイド)で構成されています。ハイサイドのMOSFETが閉じているときは、インダクタに磁界が発生します(電荷が蓄積されます)。ハイサイドMOSFETを十分な時間閉じたままにしておくとインダクタは満充電状態になり、12ボルト(電源と同じ)に達します。

 

しかし、VRM回路におけるインダクタの実際の目的は、電圧が瞬時に12ボルトに達しないようにすることにあります。電圧の変化率は、インダクタのインダクタンスに依存します。例えば、インダクタが大きくインダクタンスが高い場合、電圧の変化速度は比較的遅くなります。

 

ハイサイドMOSFETを開放すると、インダクタの磁界が崩れ始め、電流が発生してCPUに供給される。同時に、誘導負荷に急激な電圧スパイクが発生します。このスパイクを除去するために、インダクタにはフライバックダイオードが接続されています。

 

ハイサイドMOSFETをオープンにすると、ローサイドスイッチはクローズになります。この構成により、ダイオードの代わりにローサイドMOSFETに電流を流すことができ、回路の効率を高めることができます。

 

この回路の目的は、CPUが必要とする適切な電圧を供給することです。最近のマイクロプロセッサの多くは1.2ボルトを消費するため、インダクタの電圧が1.2ボルトに達すると、回路はチョーク充電を遮断します。これが起こるとすぐに電圧は下がり始めます。一定の電圧降下後、回路は再びインジケータの充電を開始します。

 

このサイクルをパルス幅変調と呼ばれる方法で何度も繰り返します。こうして回路は適切な動作電圧を維持し、供給しているのです。通常、CPUシステム全体にMOSFETを2個、インダクタを1個、コンデンサを1個だけ用意することはありません。ほとんどのVRMは、マイクロプロセッサに電力を供給するために、複数のMOSFET、複数のインダクタ、および複数のコンデンサ(並列接続)を利用しています。

 

マルチフェーズVRMの利点

多相VRMでは、各相がCPU/GPUが必要とする総電流の一部を処理します。例えば、CPUが50アンペアを必要とする場合、2相VRMは2つのフェーズ間で電流を分割します。したがって25アンペアが第 1 相を介して送信され、残りの25アンペアは第2相を介して送信されます。

 

これは、2つの電源相がある場合、各相が時間の50%で動作することを意味します。そして、第三相を追加した場合、各相は時間の33%しか動作しません。

VRMの四相図

 

パワーフェーズが多ければ多いほど、VRMの信頼性は高まります。特にパワーフェーズを増やすほど各フェーズの動作が冷却され、VRMが出力できる電力が増加し、マイクロプロセッサに安定した電圧を供給できるようになります。クールに動作することでVRMの寿命が延び、オーバーヒートのリスクが減少します。プロセッサへの電力の安定性が向上することで、オーバークロックの安定性のために必要な電圧をある程度下げることも可能です。

 

VRMの品質は、単にパワーフェーズを増やすだけでは向上しないことを理解しておくことが重要です。実際のコンポーネントとその回路の集積度が、VRMがどれだけの電力を処理し、どれだけの時間安定した電圧を出力できるかを決定する上で大きな役割を果たします。

 

品質の低いVRMはプロセッサの性能を低下させ、負荷下での動作能力を制限する可能性があります。また、特にオーバークロック時には、予期せぬシャットダウンが発生することもあります。

マザーボード上のVRMコンポーネント

 

今日のVRMは6、8、12、16のフェーズで構成されており、最適な性能をリーズナブルな価格で提供しています。一部のメーカーでは、「6+2」や「8+3」のようにVRMを販売しています。プラス記号の前の値はCPUに電力を供給するためのフェーズ数を示し、プラス記号の後の値は、GPUやRAMなどの他のコンポーネントに電力を供給するためのフェーズ数を示しています。

 

VRMは、マザーボードのRAMスロットの隣にも配置されています。しかしRAMの消費電力はプロセッサよりもはるかに少なく、RAMのオーバークロックを行う人は少ないため無視されることが多いです。

 

CPU/GPUはどのようにVRMを使うのか?

ほとんどのVRMは固定電圧を生成しません。その代わりに、マイクロプロセッサからデジタル信号を取得し、必要な(変化する)電圧レベルについて指示します。起動時に、VRM はマイクロプロセッサに事前に定義された電圧を供給します。その後、プロセッサは、電圧識別定義(VID)として知られる多数のビットを介してVRMと通信します。

 

VRMがVIDを受信すると必要な電源電圧をデコードし、電圧レギュレータとして動作を開始し、マイクロプロセッサに必要な電力を継続的に供給します。また電源電圧を下げることで、理想的な間隔での消費電力を最小限に抑えることができます。

 

例えば、6ビットVIDを持つユニットは、64(26)個の異なる出力電圧のうちの1つを出力します。これらの電圧は一般的に特定の範囲内で間隔をあけて出力されます。いくつかの数値キーは、ユニットの再起動などの特定の操作のために予約されています。コンポーネント メーカーは、これらのキーと電源電圧の対応関係を示す特定のテーブルを提供しています。

 

詳細はこちらをご覧ください。DDR5 RAM とは具体的にどのようなものか?機能と利用可能性

 

良いVRMを探すには?

マザーボードメーカーの中には、実際にはパワーフェーズの数を増やさずに各パワーフェーズで使用するコンポーネントの数を増やしているものがあります。MSIの「B450M Mortar」やASUSの「Z390 Maximus XI Hero」などがそのような設計の例です。

 

一部のメーカーでは、チョークやトランジスタを数個追加するだけで、より多くのフェーズ数を主張しています。より多くのフェーズがあるように見えますが、実際には別のフェーズを追加しているわけではないです。ASUSの「TUF Z370-Pro Gaming」、Biostarの「B450MHC」、Gigabyteの「B450 Aorus M」などがそのような設計の例です。

 

このような戦術は、市場ではよく見られます。このように、マザーボードに搭載されているコンデンサやインダクタの数だけを見てパワーフェーズ数を判断するのは非常に困難になります。パワーフェーズの数を決定する唯一の正しい方法は、実際のコンポーネントを自分で分析するか、検討中のマザーボードでこの種の分析を行った権威あるソースを探すことです。

 

VRMにストレスを感じないでください

パソコンを主にブラウジングや映画鑑賞に使用する一般的なユーザーにとって、VRMについてストレスを感じることはあまり意味がありません。マザーボードの機能とデザインに集中するのがベストです。

 

参考:新しいコンピューティングのパラダイムを特徴とする5つの量子プロセッサー

 

しかし、16以上のコアを持つプロセッサを実行しているユーザーやオーバークロックの記録を破ろうとしているユーザーは、8つ以上のパワーフェーズを持つハイエンドVRMを使用することで、間違いなく恩恵を受けることができるでしょう。

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