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

Der Schaltvorgang als Auslöser von Spulengeräuschen

Die meisten Leser treibt seit einiger Zeit immer wieder das gleiche Internet-Gespenst namens Spulenfiepen um, denn wenn man sich wie er aktiv in den sozialen Netzwerken oder Foren bewegt, kann man nicht nur die immer wieder gleichen Probleme lesen, sondern auch die meist noch viel unbeholfeneren Deutungsversuche und inhaltlosen Antworten. Gut. es ist komplex, leider. Und genau deshalb habe ich ich mich zur Veranschaulichung des bereits auf der ersten Seite kurz erklärten Schaltvorgangs (mit freundlicher Genehmigung von Bernhard Baumgartner) an einem Text bedient, der in sehr bildlicher Sprache das erklärt, worum es eigentlich geht und den ich Euch einfach nicht vorenthalten will.

Das Schema der ersten Seite habe ich jetzt noch einmal für den Regelkreis so einer Grafikkarte bildlicher angepasst. Anhand dieser Grafik könnt ihr sehr vereinfacht sehen, wie ein einzelner Schaltregler auf Eurer Karte aufgebaut ist. Auf der Low-Side nutzen wir hier wegen der hohen Ströme gleich zwei parallel geschaltete MOSFETs. Die Spule sorgt bei einem PWM-geregelten Stromkreis dann dafür, dass Strom weiter fließt, obwohl der MOSFET schon wieder nichtleitend ist (Energiespeicher mittels Magnetfeld). Aber das hatten wir ja schon auf der ersten Seite.

In der Logik läuft die Regelung so ab:

Gate Controller:
Jetzt brauchen wir endlich mal wieder Strom, Kinder!  Er schickt frech mal ein kleines Steuersignal auf den Gate Anschluss des MOSFETs (daher auch der Name).

MOSFET:
Wie geil ist das denn? Auf meinem Gate krabbelt mich ein positives Potential, ich schalte jetzt mal lustig Source nach Drain durch und werde aber sowas von leitend, lasse also mal voll den Strom durch. Auf geht’s Ihr Pappnasen, Grenzen auf!

Spule:
Hä, was’n jetzt los? Die Spule, die hinter dem MOSFET liegt, wacht erschreckt mit verschlafenen Augen auf und checkt: Oops okay, durch mich fließt Strom (ich bekomme was zu Essen), ich muss jetzt ein Magnetfeld aufbauen (richtig fett werden) sowie die vorgegebene Energie speichern, damit ich bei Bedarf eine Gegenspannung entgegengesetzt zur Eingangsspannung erzeugen kann! Ich bin nämlich sowas wie ein Reflektor, ätsch!

Gate Controller:
OMG, was sagt mir die Stromauswertung? Ein Hilferuf? Das wird jetzt wirklich zu viel, weil in dieser Millisekunde gar nicht so viel Strom gebraucht wird, also gefälligst mal Ruhe im Karton! Logischerweise nimmt er flink das Steuersignal vom Gate des MOSFET und der macht wieder dicht. Diese Geheimdienstinformation kommt natürlich vom PWM-Controller, der über alles wacht.

MOSFET:
Ich bin jetzt mal so richtig sauer!  Er hängt protestierend ein Schild in seinen Eingangsbereich, auf dem steht: Keine Arme, keine Kekse! Oder auch: Kein positives Potential am Gate, kein Strom (und lässt beleidigt den Hammer fallen).

Spule:
Och Menno, ich schlafe gleich wieder ein! Denn die Spule wird nun auch nicht mehr mit Strom durchflossen und sitzt auf zwangsverordneter Mager-Kur. Und was macht nun so ein trockengelegtes Spulen-Model, wenn die Magersucht zum Lebensmittelpunkt wird? Richtig, sie geht aufs Klo, steckt den Draht in den Hals und kotzt all die gespeicherte Energie (Fett) wieder aus.
Allerdings zur falschen Seite (also nicht nach unten)…

Die Gegenspannung (Erbrochenes) wird dann von einer Putzfrau (Diode und Elko) wieder in den Stromkreis zu Beginn eingespeist und nicht einfach weggeworfen, wie z. B bei einem Vorwiderstand, weil das Potential nach Masse abfließen kann. Wo kämen wir denn da hin? Nein! Ab und zurück in den Restaurantkreislauf, dann gibt es morgen leckere Soljanka oder Gulaschsuppe nach Art des Hauses. Je nachdem. So weit so gut. Wir haben jetzt auch gelernt, dass nichts verloren geht und Effizienz samt Rückgewinnung  auch bis zum Erbrechen lustig sein kann.

Der Herr Lorentz macht kräftige Geräusche

Jeder von uns kennt es: Es gibt Menschen, bei denen bekommt man gar nicht mit, wenn sie vornehm leise erbrechen müssen, andere wiederum führen gar einen akustischen Todeskampf und klingen dabei wie sterbende Tiere. Also bildlich gesehen natürlich. Genau so ist es mit Spulen auch, es sind ja auch nur Menschen wie Ulf und ich. Überhaupt Spulen, es gibt verschiedene Bauformen, wie Ringkernspulen oder Kapselspulen. Darüber hinaus haben Spulen oft verschiedene Dinge im Kern, die ihre Eigenschaften beeinflussen. Dort gibt es Eisenkerne (Ferrit), Pulverkerne und noch so Einiges mehr. Eine wichtige Kenngröße bei einer Spule ist allerdings ihre Resonanzfrequenz, also ab wann sie beginnt, physikalisch zu schwingen. Genau dort unterscheiden sich dann die vornehmen Schalldämpferkotzer von den sterbenden Tieren. Also erneut bildlich gesehen.

Bessere „Magic“ Coils und gute Smart Power Stages im High-End

Liegt diese Frequenz bei den in diesem Zeitpunkt wirkenden Parametern im hörbaren Bereich (50 Hz bis 20 KHz), dann nehmen wir das als Spulenfiepen wahr. Hervorgerufen wird das durch die so genannte Lorentzkraft. Diese beschreibt eine Wechselwirkung aus drei physikalischen Kenngrößen: Stromrichtung, Magnetfeldrichtung und: TAADAA: Lorentzkraftrichtung! Genau hier ist der Hase im Pfeffer begraben! Die Lorentzrichtung sorgt nämlich für die mechanische Bewegung in der Spule und da drin ist quasi kaum Platz. Die Wicklungen der Spule stoßen also ans Gehäuse und an den Kern und verursachen dadurch das Spulenfiepen, das eigentlich eher eine Art Spulenkrampf ist.

© Von Miessen – Eigenes Werk (Wikipedia)

 

Das mit der Lorentzkraft und den sich aneinander reibenden Windungen merken wir uns jetzt bitte, denn wir brauchen dieses Wissen gleich noch einmal.

 

Kommentar

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Deridex

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2,014 Kommentare 729 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

Mitglied

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©

7,585 Kommentare 12,633 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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3,048 Kommentare 1,365 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

127 Kommentare 68 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

Mitglied

16 Kommentare 5 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

166 Kommentare 116 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

Mitglied

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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166 Kommentare 116 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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772 Kommentare 474 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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2,014 Kommentare 729 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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166 Kommentare 116 Likes

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

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Igor Wallossek

Format©

7,585 Kommentare 12,633 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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