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Power Supply in Graphics Cards explained – Switching Voltage Regulators, PWM Controler, true Phases and the annoying “Coil Whining” | Reminder

The switching operation as a trigger for coil noise

For some time now, most readers have been repeatedly haunted by the same Internet ghost called Spulenfiepen, because if you are like him and actively move in the social networks or forums, you can read not only the same problems over and over again. Ok, this problem is really complex. And that is exactly why I have used a text to illustrate the switching process already briefly explained on the first page (with the kind permission of Bernhard Baumgartner), which explains in very figurative language what it is actually about and which I simply do not want to withhold from you.

I have now adapted the diagram on the first page for the control loop of such a graphics card. With this graphic you can see very simplified how a single switching regulator is built up on your board. On the low side, we use two MOSFETs connected in parallel because of the high currents. In a PWM-controlled circuit, the coil then ensures that current continues to flow even though the MOSFET is already non-conducting again (energy storage by means of magnetic field). But we already had that on the first page.

 

In logic, the scheme runs like this:

Gate Controller:
Now we finally need power again, kids!  It cheekily sends a small control signal to the gate terminal of the MOSFET (hence the name).

MOSFET:
How awesome is that? On my gate a positive potential crawls me, I switch now times merrily Source after Drain through and become however so of conductive, let thus times fully the current through. Let’s go you cardboard noses, open the borders!

Coil:
Huh, what’n going on now? The coil, which is located behind the MOSFET, wakes up startled with sleepy eyes and checks: Oops okay, current flows through me (I get something to eat), I now have to build up a magnetic field (get really fat) as well as store the given energy, so that I can generate a reverse voltage opposite to the input voltage when needed! Because I’m something of a reflector, ugh!

Gate Controller:
OMG, what does the current evaluation tell me? A call for help? This is really too much now, because in this millisecond not so much current is needed, so please be quiet in the box! Logically, it quickly takes the control signal from the gate of the MOSFET and it shuts down again. This intelligence information, of course, comes from the PWM controller that watches over everything.

MOSFET:
I’m really pissed off now!  He protestingly hangs a sign in his entryway that says: No arms, no cookies! Or also: No positive potential at the gate, no current (and drops the hammer in a huff).

Coil:
O shit, I’m about to fall asleep again! Because the coil is now also no longer flown through with current and sits on forced lean cure. And what does such a drained coil model do when anorexia becomes the center of her life? That’s right, she goes to the bathroom, sticks the wire down her throat, and pukes up all that stored energy (fat).
However, to the wrong side (i.e. not downwards)…

The counter voltage (vomit) is then fed back into the circuit at the beginning by a cleaner (diode and electrolytic capacitor) and not simply thrown away, as for example with a series resistor, because the potential can flow away to ground. Where would we end up? No! Off and back into the restaurant circuit, then tomorrow there will be delicious solyanka or goulash soup in the style of the house. Depending. So far so good. We have now also learned that nothing is lost and efficiency including recovery can also be fun ad nauseum.

Mr. Lorentz makes powerful noises

Every one of us knows it: Some people don’t even notice when they have to vomit quietly, others even have an acoustic death throes and sound like dying animals. Figuratively speaking, of course. That’s exactly how it is with coils too, they’re just people like Ulf and me. About coils, there are different designs, such as toroidal coils or capsule coils. In addition, coils often have various things in the core that affect their properties. There are iron cores (ferrite), powder cores and many more. However, an important parameter of a coil is its resonance frequency, i.e. the point at which it begins to physically oscillate. That’s exactly where the posh silencer pukes differ from the dying animals. So again figuratively.

Better “Magic” Coils and good Smart Power Stages in the High-End

If this frequency is within the audible range (50 Hz to 20 KHz) for the parameters acting at this time, then we perceive this as coil beeping. This is caused by the so-called Lorentz force. This describes an interaction of three physical parameters: current direction, magnetic field direction and: TAADAA: Lorentz force direction! This is exactly where the rabbit is buried in the pepper! The Lorentz direction is responsible for the mechanical movement in the coil and there is hardly any space inside. So the windings of the coil hit the case and the core, causing the coil whine, which is actually more of a coil cramp.

© Von Miessen – Own work (Wikipedia)

 

Let’s remember the Lorentz force and the turns rubbing against each other now, because we will need this knowledge again in a moment.

 

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Deridex

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2,214 Kommentare 849 Likes

Schöner Artikel, auch wenn das Thema aus meiner Sicht etwas stark vereinfacht wurde. Auch redet zumindest in meinem Umfeld die EMV beim Schaltungsdesign sehr stark mit.

Was man noch erwähnen sollte: Auch MLCCs können gut hörbare Geräusche machen, weswegen man die Schaltungen nicht einfach mit MLCCs bewerfen kann, ohne das vorher genau zu überdenken und zu kontrollieren.
Edit: Habe vergessen zu erwähnen: Kleber mit einem hohen Lösemittelanteil können auch negative Auswirkungen haben.

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Falcon

Veteran

114 Kommentare 117 Likes

Leider steht die durch die Platine verursachte Geräuschkulisse bei den Herstellern von Grafikkarten im Lastenheft sehr, sehr weit hinten, wenn überhaupt.

Zu Zeiten von Röhrenfernsehern gabs diverse Handwerksbetriebe die sich darauf spezialisiert hatten die Platinen der verbauten Geräte ruhig zu Stellen. Sei es durch bessere Bauteile oder durch Vergießen mit speziellen Harzen.

Die Anmerkung das Karten nach Umbau auf FullCover plötzlich lauter wurden gilt auch umgekehrt.
Hatte schon mehrere Fälle bei denen die Karte nach Umbau auf Wakü leiser wurde, weil die schön weichen Pads oder Thermal Putty die Spulen mechanisch gedämpft hat.

Leider gibts viele Ursachen und auch zwei gleiche Kartenmodelle können brutal unterschiedlich Zirpen/Summen/Knarren.

Es bleibt für den Endkunden wohl noch lange eine Lotterie.

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Igor Wallossek

1

10,212 Kommentare 18,900 Likes

Ich kann Dir ein Geheimnis verraten: da steht meist gar nichts drin. :D

Es gibt das Referenzdesign als Empfehlung von AMD bzw. NVIDIA, dazu ein paar Bereiche, wo nichts abgeändert werden darf (z.B. bei der RAM-Anbindung, diese Tracks sind fix vorgegeben) und physikalische Grenzen, die man aber fast immer nur in Richtung Kosten auslotet.

Das größte Problem ist aus meiner Sicht das minimalistische Bemessen der Baulemente auf der Ausgangsseite. Man führt die Schaltfrequenz an die 400 KHz oder drüber, und nimmt dann nur das Kleinste, was gerade noch so passt. Dann hofft man, dass die Teillastbereiche bis zum Maximum bestens abgefedert sind. Was da aber schiefgehen kann, ist die Toleranz bei den Baulementen. Einerseits hat man da die Fertigung und bei Spulen ist das echt manchmal wie Lotto und andererseits sind da die Temperaturen, weil nie alle Bereiche identisch heiß werden. Man müsste immer überdimensionieren und die Temperaturfenster riesig halten, nur wird es dann teuer und oft auch zu groß.

Ich habe aus ursprünglich 7 Seiten Langtext fast einen halben Tag wie blöd rausgekürzt, was m.E. das normale Schulwissen zu weit übersteigt. Es soll ja kein technischer Aufsatz werden, weil man dann den Großteil der Leser liegen lässt. Dann sind diese Seiten übrig geblieben, die aber vielen auch noch zu komplex sein dürfte, Das ist ein Kompromiss, den man kaum hinbekommt.

EMV, jaaa. Aber. Die haben so Ihre Basics, die einmal ausgemessen einfach immer wieder rumkopiert oder nur leicht abgewandelt werden. Das geht eigentlich fast immer schief, nur interessiert es leider keinen so recht. Schönes Beispiel: ich wollte gestern meine 4090 FE ohne Backplate im laufenden Betrieb mit dem iPhone filmen, auch um noch ein paar Betriebsgeräusche aufzunehmen. Da läuft das Smartphone an manchen Bereichen plötzlich Amok, bis hin zum Neustart :D

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Klicke zum Ausklappem
RedF

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Die aktuellen XFX karten haben den ruf nicht oder wenig zu fiepen.
Meine ist auch stumm, aber wenn ich lese was Igor schreibt ist das warscheinlich auch nur zufall.

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ssj3rd

Veteran

218 Kommentare 155 Likes

Meine 3090FE hatte Spulenfiepen aus der Hölle, RMA gemacht und das zweite Modell war sogar noch etwas schlimmer, dann frustriert aufgegeben…

Meine jetzige 4090 Strix hat dagegen zum Glück nur leichtes/leises Spulenfiepen.

Mal ein Tipp zum Testen des Fiepen aus dem Luxx Forum:
Red Dead Redemption 2 eignet sich da hervorragend (alles aufdrehen auf MAX), Spiel starten und lauschen:
Da singt es es dann bei (fast) jeden, selbst mit UV und Framerate Begrenzung, geht schon in den Menüs los.

Isr ein wirklich guter Test um herauszufinden wie das worst case fiepen bei einem klingt bzw ob es überhaupt da ist.
Wer in dem Game kein fiepen vernimmt hat wahrlich eine gute Karte erwischt.

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S
Staarfury

Veteran

257 Kommentare 206 Likes

Auf Seite 3 bei der Beschreibung des Schaltvorgangs fehlten mir eigentlich nur noch ein paar rote Blutkörperchen, die Sauerstoffkugeln rumtragen, um mich komplett in die Jugend zurückzuversetzen. :ROFLMAO:

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Steffdeff

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731 Kommentare 691 Likes

Auf Seite 3 musste ich spontan an Otto‘s „Der menschliche Körper“ denken!
Das macht einen kalten verregneten Tag gleich ein wenig angenehmer.

Danke für den Artikel. Ich bin zwar nicht vom Fach, habe aber etwas gelernt!

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ianann

Veteran

336 Kommentare 231 Likes

Interessant fand ich für mich - neben den vielen anderen Einblicken - der Teil, in dem Du auf die unnötige Kühlung der Spulen eingehst. Bei der 4090 FE werden diese - wenn ich es richtig im Kopf habe - gar nicht gekühlt, mit dem EWKB Wasserblock jedoch schon.

Müssten die Wasserblock-Hersteller nicht um diese Thematik wissen und dies in den Entwurf der Blöcke einbeziehen?
Bedeutet ich kann die vergleichsweise fetten Pads auf den Spulen bedenkenlos weglassen?
Hätte dann uU auch den Vorteil, dass ein insgesamt noch besserer "Fit" des Blocks zu erzielen wäre.

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F
Falcon

Veteran

114 Kommentare 117 Likes

War ja klar... :rolleyes:

@ianann

Jupp, kannst es mit oder ohne Pads auf den Spulen probieren.

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ianann

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Weshalb sollen die denn laut WaKüBlock Hersteller "be-paddet" werden?
Versucht man damit vielleicht den "Sekundenklebertrick" nachzustellen und die Schwingungen zu reduzieren?

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Ghoster52

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1,417 Kommentare 1,077 Likes

Man wird alt wie ne Kuh und lernt immer (wieder) noch dazu... :ROFLMAO:
Danke für den Einblick & Hinweis, sollte ich meine 3090 noch mal zerlegen, werde ich die "Fiepis" nicht mehr kühlen.

Seite 3 erinnerte mich auch irgendwie an "Es war einmal... der Mensch" und ich hatte diverse Bilder im Kopf. 😂

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Deridex

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2,214 Kommentare 849 Likes

Das gefällt mir gar nicht.
Mich würde es interessieren, ob die Teile einen EMV-Test im Labor bestehen würden.

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ianann

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336 Kommentare 231 Likes

Hab's mir selbst gegoogled. Gut zu wissen - werde ich die Tage mal testen.

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Igor Wallossek

1

10,212 Kommentare 18,900 Likes

Je nachdem, WAS Du testest :(

Im Conduction Test wird ja zunächst nur der Einfluss AUF die Grafikkarte oder ein Netzteil getestet. Eher uninteressant für den Wellensalat.

View image at the forums

Der viel wichtigere Radiation Test ist eigentlich auch nur auf die CE-Vorschriften ausgegelegt und optimiert, was ich komplett abartig finde, weil...

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... wenn Du Dir die Antenne anguckst, dann sieht man auch, dass es um viel zu hohe Frequenzbereiche geht. Der Bereich unter einem GHz wird kaum noch irgendwo berücksichtigt. Für die Konformitätserklärung will das nämlich leider keiner sehen, die Messbereiche sind m.E. viel zu hoch.

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T
Tombal

Veteran

109 Kommentare 28 Likes

Auf Seite #1 sind beim P-Kanal-Mosfet Source und Drain vertauscht oder man müsste ihn durch einen N-Kanal Transistor ersetzen. Übrigens kann man sich die Wirkungsweise so eines Schaltreglers ganz einfach auf andere Weise erklären: mit den beiden Transistoren wird am Ausgang eine Wechselspannung erzeugt, die dann mit Spule und Kondensator (LC-Glied) geglättet wird. Also Eingangsspannung X Tastverhältnis = Ausgangsspannung. Beispiel: ich habe einen Duty-Cycle von 50%, dann ist Uout = 0,5 Uin. Der Regelkreis sorgt natürlich ständig dafür, dass das Tastverhältnis angepasst wird.

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Igor Wallossek

1

10,212 Kommentare 18,900 Likes

Naja, das ist ja keine Wechselspannung, sondern eher eine Gleichspannung als Sägezahn. Siehe Seite 2 oben. Die Spule ist der Energiespeicher und der Cap glättet dann die Welligkeit.

BTW:
Schaltbild gespiegelt und gefixt, Danke. Man muss beim Einfügen aus der Bibliothek wirklich aufpassen, abends sieht man sowas nicht mehr :D

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Deridex

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Ich habe es beim Überfliegen vom Artikel auch übersehen.

Btw ich habe grad kurz nach den EMV Grenzwerten bezüglich CE gesucht. Was ich gefunden habe kommentiere ich lieber nicht.

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Goliath1985

Mitglied

16 Kommentare 4 Likes

Bei mir ist es mit dem Fullcover Backplate der GPX- A (Wakü ) auf einmal so laut geworden das man es durch die Tür gehört hat. Allerdings nur wenn ich diese Festverschraube. Hab Sie nun einfach unverschraubt oben drauf liegen. Jetzt macht die Karte keinen Mucks mehr. Also ( minimal was Sie auch vorher schon hatte ).
"https://www.igorslab.de/community/t...ausreichend-für-rx6800-single-kreislauf.7193/"

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Igor Wallossek

1

10,212 Kommentare 18,900 Likes

Ich kann mich nur noch daran erinnern, dass ich bei Gigabyte im R&D mal so ein Protokoll in der Hand hatte und mich über die sehr "praxisnahen" Frequenzbereiche gefreut habe. Ist aber schon länger her

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Danke für die Spende



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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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