Basics GPUs Graphics Practice Reviews

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

Good coil, bad coil?

After I have now fed you over three pages with all the basics about voltage conversion on such a graphics card, we finally come to the acoustic consequences of the high currents and the audible effect of the already described in detail Lorentz force from page two. So all well and good, but what do we do now or where does one remain helpless? Actually, coil beeping is not a reason for complaint, because it is an electrotechnical regularity and normality with more or less audible noise.

In reality, however, an extremely beeping graphics card is often taken back anyway, as long as it might be component tolerances after all. In general, it can be said that the manufacturing tolerances of lower-priced coils can also be quite high. And it does not matter whether the coils are high or rather flat! Here it depends on the materials used, coefficients of expansion, the appropriateness of use based on the actual temperature window and the potting inside. And, of course, on the load and the topology of the voltage transformers. As you can see, the subject is complex.

High FPS numbers and extremely fast load changes

i had the fun of driving the GeForce RTX 4080 Founders Edition into the FPS inferno. First of all, the whole thing is good and serene with just under 120 FPS in a normal UHD gaming loop (Horizon Zero Dawn). Up to 34 amps in the small peaks are measurable, but these violent intervals are not yet so frequent and close together. The coils are de facto never audible and the intended compromise in circuitry and component dimensioning (coils, capacitors) fit perfectly.

I wouldn’t want to play the following without a frame limiter, because the well over 500 FPS in NFS Underground 2 with wide-screen patch is off the charts. And yes: the just so highly praised coils chirp slightly audibly. It’s not a sonic end of the world yet, but you can hear it, unfortunately. The current in the peaks has been capped just as well, but you can see very clearly that it is already full on in the microsecond range here.

The only thing that really helps here is en frame limiter to what the monitor is capable of and possibly also lowering the power limit along with the clock for such situations. That’s all you can really do. Unfortunately.

Coils cooled too well

This sounds paradoxical at first, but on closer inspection it is actually quite logical. i know some cases, also from the forum, where users complain that after a conversion to a good GPU water block, the card suddenly starts to show coil noise, which was not present before or only much less. The water block in the picture would certainly allow cooling the coils with a thick thermal pad, but actually that’s not necessary and I’ll tell you why right now.

A well-dimensioned coil with low internal resistance coil produces namely only a power loss (depending on the current flow) of about 0.2 to 0.5 watts, which is absolutely little and definitely does not need to be cooled. On the contrary, because the coils have a certain temperature window in which they function optimally. This is where the coefficient of expansion of the copper comes into play, which is calculated by the manufacturer in the uncooled state. If we now remember the Lorentz force again, we also understand that the hotter the coils are, the quieter they become, because the windings can no longer rub against each other. It’s just too tight inside!

Unfortunately, it is difficult to get such data sheets as a normal user, which is why it is hard to estimate this as an outsider. Those who convert to water are therefore welcome to omit the pads. The misconception that this would cool the PCB better dies at the latest when you consider the sum of the thermal and heat transfer resistances between the solder joint on the PCB and the top of the coil housing. So we can forget about that already. A GeForce RTX 4090 FE with 20 switching regulator coils converts (according to NVIDIA’s Thermal Design Guide) around 10 watts in waste heat, whereas a TBP of 600 watts was still estimated at that time. In reality, it should be a full 7 to 8 watts, or a maximum of 0.4 watts per coil. Peanuts with a water cooler for the rest.

The bonding of coils

This is where opinions differ somewhat and I see the principle as rather tricky. There have already been videos where users have glued together a kind of coil monolith as a block with super glue and plastic plates inserted between the coils. The aim was to reduce vibrations. But what this ignores is the simple fact that the oscillations of the windings only take place inside the coil. Of course, these are also transmitted to the outside and it can definitely soften the volume level somewhat, I won’t deny that. But there may also be undesirable side effects if the coils have been assembled by machine (SMD).

If you were to glue them together now, after filling the gaps with plastic material, this could lead to the coil tearing off the solder pad or at least to damaged solder joints, where the contact resistance then increases extremely and instabilities can occur on the affected switching regulator. This usually happens gradually and not abruptly, so that the error cannot be localized later. However, what would work, I have also tested once, is filling with suitable hot glue, which remains reasonably elastic. Then you even have a nice damping in theory. But the added value, should it really exist, is actually close to zero here as well and you lose the warranty.

SMD Coils

 

However, depending on the platinum design and manufacturer, there are also through-hole coils with two solid pins that are first soldered in the wave solder bath. Very few manufacturers do this nowadays, but you can see it from time to time, especially on inexpensive cards (or older ones). These coils are much less susceptible to gluing, and at least not as much can break if you glue everything into a solid block. The following picture shows the bottom side of the board including the through, soldered and shortened connections.

 

Kommentar

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Deridex

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2,213 Kommentare 846 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

10,193 Kommentare 18,806 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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4,663 Kommentare 2,552 Likes

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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727 Kommentare 678 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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1,408 Kommentare 1,064 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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D
Deridex

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2,213 Kommentare 846 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

10,193 Kommentare 18,806 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.

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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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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

10,193 Kommentare 18,806 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

10,193 Kommentare 18,806 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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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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