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Spannungswandler in Grafikkarten erklärt – Schaltregler, PWM-Steuerung, echte Phasen und das nervige „Spulenfiepen“

Es gibt immer wieder viele Ungereimtheiten und Unwissen rund um die Spannungswandler einer Grafikkarte und der damit verbundenen Komponenten, sowie der Folgen im praktischen Einsatz. Lästiges „Spulenfiepen“ ist da nur eine Facette, was zudem nicht zwingend auf eine minderwertige Qualität der Spulen zurückzuführen sein muss, sondern oft auch auf die grundlegende Topologie der Verschaltung und der Betriebsparameter. Darüber hinaus wollen (und müssen) wir heute auch einmal mit einer Legendenbildung aufräumen, was die reale Anzahl der Phasen betrifft und worin sich diese von der vorhandenen Anzahl der Regelkreise unterscheidet. Denn auch hier kann eine ungünstige Topologie zu nervigen Geräuschen führen, gegen deren Entstehung die beste Spule nahezu machtlos ist. Hier kommen dann auch noch der liebe Herr Lorentz und die nach ihm benannte Kraft ins Spiel, aber dazu komme ich gleich noch.

Eins muss ich aber noch voranstellen: Das Thema ist hochkomplex und auch nicht ganz einfach für einen Außenstehenden zu durchdringen. Ich habe deshalb versucht, das meiste auf ein allgemeinverständliches Level herunterzubrechen und auch manche weiterführenden Details wegzulassen, die Ingenieure unter Euch mögen mir bitte verzeihen. Und trotzdem sind nicht alle Inhalte einfach zu verstehen, also nehmt Euch bitte etwas Zeit. Auch wenn der eine oder andere Absatz kompliziert klingen mag, man kann auch zwischendurch mal Dinge überspringen.

Der DC/DC Konverter, die Topologie, Spulen und Kondensatoren

Kommen wir zunächst zur Begriffserklärung, die nicht ganz unwichtig ist und dem besseren Verständnis der weiteren Ausführungen dient. Da Gleichspannung nicht effizient direkt transformiert werden kann (Linearregler erzeugen viel zu hohe Verluste), arbeiten die DC/DC-Wandler im Prinzip wie elektronische Schaltnetzteile, allerdings ohne Transformator und somit auch nicht isoliert. Die auf Grafikkarten genutzten DC/DC-Wandler nutzen die Pulsweitenmodulation (PWM) und wandeln die anliegende 12-V-Versorgungsspannung in niedrigere Spannungen, meist zwischen 0,7 bis 1.2 Volt um, je nach Lastverhalten und Taktfrequenz der GPU.

Der Begriff Topologie verweist auf verschiedene Arten von Schaltvorgängen und Kombinationen von Energiespeicherelementen, wobei uns nur die transformatorlosen, nichtisolierte Wandler interessieren, die einen gemeinsamen Stromweg zwischen Eingang und Ausgang nutzen. Uns interessiert heute nur der sogenannte Buck- oder auch Abwärtswandler. Doch keine Angst, so schwer wird das jetzt mit der Theorie nun auch wieder nicht. Für uns wichtig: Im Unterschied zu den bereits kurz erwähnten Linearreglern, die die Verlustleistung komplett in Wärme umsetzen, um die Ausgangsspannung zu beschränken, verwenden DC/DC-Schaltregler die Energiespeicherungseigenschaften von induktiven und kapazitiven Komponenten, um eine Leistung in einzelnen „Portionen“ zu übertragen. Diese Energie-Portionen werden bei einer Grafikkarte überwiegend im Magnetfeld einer Induktivität gespeichert, also den uns so gut bekannten Spulen. Womit wir nun auch wissen, wofür die Dinger im Spannungsregler eigentlich genutzt werden.

Die Wirkungsweise des Buck-Converters

Der Schaltregler stellt übrigens sicher, dass nur die Energie, die für die von der GPU aktuell abgeforderte Last erforderlich ist, in jedes Paket übertragen wird, weshalb diese Topologie sehr effizient ist. Die nachfolgende Zeichnung eines sogenannten Buck-Converters zeigt die stark vereinfachte Struktur eines Schaltreglers, wobei der Schalter symbolisch für die MOSFET-Brücke steht, die vom sogenannten PWM-Controller gesteuert wird, der mindestens eine Phase (wie hier im Bild) erzeugt. Die Verluste sind deutlich niedriger als bei einem Linearregler und die Effizienz der gesamten Schaltung kann zwischen ca. 85% und über 95% liegen, je nach getriebenem Aufwand bei Schaltung und Komponenten.

Betrachten wir nun den Schalter in Form des PWM-gesteuerten Schaltreglers. Durch ihn fließt Strom über einen den kurzzeitig geschlossenen Schalter in einen induktiven Stromkreislauf (unsere so innig geliebten Spulen), der zum Ausgangsstrom führt. Bei Erreichen des gewünschten Spannungswerts (in Abhängigkeit von Takt und Last der GPU) öffnet sich der Schalter am Anfang des Stromkreises und verbraucht so auch nicht viel mehr Strom, als er am Ende wirklich benötigt. Fällt nun der in der Spule (Induktivität) gespeicherte Strom unter ein gewisses Niveau, dann schließt sich der Schalter automatisch wieder und der Kreislauf beginnt von Neuem. Das ist erst einmal die Theorie, bei der der Kondensator C zur Glättung dient. Außerdem lest Ihr das alles auf der übernächsten Seite noch einmal komplett vereinfacht, wenn es um die Spulengeräusche geht.

Um diese gewünschte Energie nun in kontrollierten Mengen vom Eingang zum Ausgang zu übertragen, ist ein sehr kompliziertes Regelungsverfahren notwendig. Die auf der Grafikkarte genutzte Art der Regelung ist PWM (Pulse Width Modulation bzw. Pulsweitenmodulation), bei der die vom Eingang (Ue) zum Ausgang (Ua) zu übertragende Energiemenge durch einen in seiner Breite variablen Impuls in einem festen Zeitintervall moduliert wird. Die relative Einschaltdauer der PWM ist das Verhältnis vom Zeitraum (in dem Energie aus der Quelle fließt) zur Periode T (als Umkehrgröße der Schaltfrequenz). Das soll uns hier erst einmal nicht weiter interessieren, aber wir kommen gleich noch einmal darauf zurück, wenn es um die Verwendung mehrerer Phasen geht.

Was ist eine High- und eine Low-Side?

Die üblichen MOSFETs (also unsere VRM) werden bei der Verwendung als Schalttransistoren meist gesättigt betrieben, wobei da der Drain-Quellen-Widerstand immer am Minimum ist und somit auch die Leistungsverluste im Schalter gering bleiben. Solange die Gate-Spannung wesentlich größer ist als die Schwellenspannung, befindet sich der MOSFET über den ganzen Lastbereich in Sättigung. Wir sehen auf dem unten stehenden Schema, dass sogar zwei  MOSFETs vorhanden sind, wobei der eine auf Masse (Niederspannungsseite, Low Side) und der andere auf VIN+ (Hochspannungsseite, High Side) schaltet. Die genaue Wirkungsweise dieser zwei MOSFETs erkläre ich Euch später noch im Detail, wir nehmen den Aufbau an dieser Stelle erst einmal nur zur Kenntnis.

Was aber für die Effizienz wichtig ist, sind die Spielarten des Aufbaus und der Komponenten. Man kann die High- und Low-Side sowie den Gate Treiber diskret aufbauen und braucht so mindestens drei Komponenten. Oft nimmt man für die Low Side noch einen zweiten MOSFET parallel hinzu, um die hohen Ströme besser aufzuteilen und um damit quasi auch den Innenwiderstand zu senken. Ein klassisches Beispiel so einer Low-Cost-Lösung sehen wir im nachfolgenden Bild und ich kann es schon verraten: hier zirpen die Spulen wie durchgeknallte Zikaden auf Extasy.

Packt man all diese Komponenten in ein gemeinsames Package, dann entsteht ein einziger IC als sogenannter DrMOS (Driver + MOSFET). Kommen noch weitere Steuer-Features und ein intelligentes Monitoring wie TMON (Temperatur) und IMON (Strom, MOSFET-DCR) hinzu, entstehen sogar hochkomplexe Smart Power Stages (SPS), mit denen man extrem effiziente Schaltungen aufbauen kann. Der Vorteil liegt aber nicht nur in der sehr hohen Effizienz, sondern auch dem deutlich niedrigeren Platzbedarf so eines Bauteils. Nutzt man nur diskrete Bauelemente und keine SPS, muss man zur Stromüberwachung auf die sogenannte Inductor-DCR zurückgreifen, also eine deutlich ungenauere Strommessung über den induktiven Widerstand der jeweiligen Filterspulen im Ausgangsbereich.

Smart Power Stages

Die Schaltfrequenz des Schaltreglers und die Größe der Spulen

Die Größe der Schalt- und Speicherelemente des Schaltreglers sind stets umgekehrt proportional zur verwendeten Schaltfrequenz. Daraus ergibt sich im Umkehrschluss auch, dass die in einer Spule gespeicherte Energiemenge proportional zur Frequenz ist. Und das wiederum bedeutet, dass man für eine konstante Energiemenge die Induktivität L einfach halbieren könnte, indem einfach die Frequenz verdoppelt wird. Nur kann man das leider nicht endlos steigern, sonst gibt es hochfrequenten Wellensalat. Daher existiert ein EMV-Kompromiss, der die höchste, noch sinnvoll nutzbare Schaltfrequenz auf ca. 500 kHz beschränkt.

Im Fall unserer Grafikkarten liegen die Schaltfrequenzen meist zwischen 350 und 450 kHz. Da hat jeder Boardpartner so seine eigenen Vorlieben, muss aber auch berücksichtigen, welche Bauelemente vorhanden sind, welche Ströme fließen könnten und wie die Aufteilung und Anzahl der Phasen aussieht. Denn dieses Thema ist hochwichtig und entscheidet auch über die Effizienz der Spannungswandler und das mögliche Entstehen des Spulen-Schnarrens bzw. -Fiepens. Ja, es war bisher etwas viel Theorie, die ich versucht habe, soweit wie möglich zu vereinfachen, nur muss man diese Dinge wirklich wissen. Ohne diese Kenntnisse werden dann wieder vogelwild und fast immer nur auf Verdacht Spulen getauscht und im ungünstigsten Fall richtet man sogar die Grafikkarte hin, trotz vermeintlich besserer Qualität der Bauelemente.

Fakt ist aber, dass diese Bemessungen auch einen gewissen Einfluss auf das Spulengeräusch haben können und es dann im ungünstigsten Fall schon fast egal ist, welcher Güteklasse die verwendeten Spulen entstammen. Eine preiswerte Karte mit auf Kante genähter Spannungsversorgung wird also fast immer sehr hörbar sein, denn irgendwo musste ja gespart werden. Allerdings ist dann der gesamte Block aller Spannungswandler als akustisch missratenes Gesamtkunstwerk zu betrachten.

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Deridex

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2,018 Kommentare 730 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

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42 Kommentare 41 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

Format©

7,602 Kommentare 12,666 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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RedF

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3,057 Kommentare 1,371 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

129 Kommentare 70 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

163 Kommentare 155 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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20 Kommentare 8 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

180 Kommentare 123 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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Falcon

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42 Kommentare 41 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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180 Kommentare 123 Likes

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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775 Kommentare 476 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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2,018 Kommentare 730 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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180 Kommentare 123 Likes

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

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Igor Wallossek

Format©

7,602 Kommentare 12,666 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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T
Tombal

Mitglied

94 Kommentare 21 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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About the author

Igor Wallossek

Chefredakteur und Namensgeber von igor'sLAB als inhaltlichem Nachfolger von Tom's Hardware Deutschland, deren Lizenz im Juni 2019 zurückgegeben wurde, um den qualitativen Ansprüchen der Webinhalte und Herausforderungen der neuen Medien wie z.B. YouTube mit einem eigenen Kanal besser gerecht werden zu können.

Computer-Nerd seit 1983, Audio-Freak seit 1979 und seit über 50 Jahren so ziemlich offen für alles, was einen Stecker oder einen Akku hat.

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