Схемотехника питания материнких плат

На все материнские платы подается постоянное напряжение, которое должно обеспечивать стабильность питания всех узлов материнской платы. Питание подается следующих номиналов: ±12, ±5 и +3,3В. При этом, по каждому каналу напряжений должен обеспечиваться соответствующий необходимый потребляемый ток.

Наибольший ток потребляется процессором и подается на видеокарту через слот AGP или  PCI-Express и через дополнительные разъемы питания на ней. Для стабильности работы всех узлов материнской платы (процессора, слотов памяти, чипсета) необходимо обеспечить стабильность питания, подаваемого на плату, а также преобразовать подаваемые номиналы в необходимые на данном компоненте платы.

Применение VRM

На плате находится разъём для подключения питания, на сегодняшний день стандарт предусматривает установку минимум двух разъемов – 24-контактного ATX и 4-контактного ATX12V для дополнительной линии 12В. Иногда производители материнских плат устанавливают 8-контактный EPS12V вместо ATX12V, через него можно подвести две линии 12В. Питание, подаваемое блоком питания, проходит преобразование, стабилизацию и фильтрацию с помощью силовых полевых транзисторов (MOSFET, «мосфетов»), дросселей и конденсаторов, составляющих VRM (Voltage Regulation Module, модуль регулирования напряжения). Питание процессора и чипсета осуществляется одним VRM, питание модулей памяти – чаще всего другим. Дополнительно для стабилизации питания, подаваемого через разъёмы PCI Express, иногда устанавливаются стандартные разъёмы Molex.

VRM разработан для того, чтобы существующие системные платы могли поддерживать несколько типов процессоров, а также те, которые появятся в будущем. Ведь каждый процессор имеет свое напряжение питания. При установке процессора в материнскую плату по соответствующим контактам VID (4 или 6 штук) тот определяет модель установленного процессора и подает на его кристалл (ядро) соответствующее напряжение питания. Фактически, комбинация 0 и 1 на выводах VID задает 4 или 6-битный код, по которому VRM «узнает» о модели процессора.

Для примера рассмотрим питание ядер процессоров модели Intel Core 2 Extreme (Conroe, техпроцесс, 65 нм, частота 2,93 ГГц, 4 Мбайт L2).

Для этого процессора значение VID находится в диапазоне 0,85–1,36525 В, максимальный ток для верхней модели E6800 может достигать величины 90 А, для остальных, представленных моделями E6300, Е6400, Е6600, Е6700, — 75 А. VRM для процессоров Intel Core 2 Duo должен удовлетворять спецификации 11.0.

Существует два типа регуляторов: линейный и импульсный. Применявшийся в более старых платах линейный регулятор напряжения представлял собой микросхему, понижающую напряжение за счет рассеяния его избытка в виде тепла. С уменьшением требуемого напряжения росла тепловая мощность, рассеиваемая такими регуляторами, поэтому они снабжались массивными радиаторами, по которым их легко было найти на материнской плате. При установке в материнскую плату процессора, потребляющего большую мощность, регулятор (а с ним и материнская плата) мог выйти из строя из-за перегрева. Поэтому в современных материнских платах применяется импульсный регулятор, содержащий сглаживающий фильтр низких частот, на который подается последовательность коротких импульсов полного напряжения.

Импульсный стабилизатор содержит реактивно-индуктивный LC-фильтр, на который короткими импульсами подается полное напряжение питания, и за счет инерции емкости и индуктивности выравнивается до требуемой величины, причем бесполезных потерь энергии практически не происходит. Стабильность напряжения поддерживается путем управления частотой и шириной импульсов (широтно-импульсная модуляция, ШИМ). При широтно-импульсной модуляции в качестве несущего колебания используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов, а информационным параметром, связанным с дискретным модулирующим сигналом, является длительность этих импульсов. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности имеет постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов, то есть прямо пропорциональную их длительности. Пропустив импульсы через ФНЧ с частотой среза, значительно меньшей, чем частота следования импульсов, эту постоянную составляющую можно легко выделить, получив стабильное постоянное напряжение.

Применение импульсных стабилизаторов позволяет значительно сократить тепловыделение, однако создает дополнительный источник помех, который может влиять на работу видео- и звуковых адаптеров.

За счет инерционности фильтра импульсы сглаживаются в требуемое постоянное напряжение. КПД такого преобразователя весьма высок, поэтому паразитного нагрева почти не происходит. Узнать импульсный регулятор напряжения на плате можно по катушкам индуктивности. Во всех новых платах применяется многоканальный (многофазный) преобразователь напряжения, который понижает напряжение питания до необходимых 0,8—1,7 В на ядре процессора (в зависимости от модели).

Трехканальный VRM на плате K8NS (Socket-939)

Трехканальный VRM на плате K8NS (Socket-939)

Таким образом, VRM – это по сути ШИМ-регулятор на микросхеме с преобразователями на MOSFET и фильтром. Как правило, напряжение на системной плате выше, чем на ядре процессора.

Традиционно основные регуляторы напряжения расположены вокруг процессорного разъема. Учитывая высокие значения потребляемых токов, они создаются многоканальными (многофазными). Обычно их число три-четыре, но на топовых платах их число может достигать 8. Отказ от одноканального питания снижает нагрузку на регулирующие транзисторы. С целью улучшения температурных режимов их работы, а также повышения надежности, силовые транзисторы нередко снабжаются средствами охлаждения (радиаторами).

В дополнение к многоканальному VRM, индивидуальными системами энергопитания снабжены цепи видеоадаптера и модулей оперативной памяти. Они обеспечивают необходимые уровни напряжений и токов, а также снижают взаимное влияние, передаваемое по силовым шинам.

Большое количество вентиляторов, сосредоточенных в небольшом объеме, создает сравнительно высокий уровень акустического шума. Уменьшить его можно специальным дизайном материнских плат, предусматривающим использование решений на основе тепловых трубок (heat pipe).

В качестве примера можно привести плату Gigabyte GA-965P-DQ6. На ней радиаторы, установленные на обеих микросхемах чипсета, соединены несколькими тепловыми трубками с радиаторами, установленными на силовых транзисторах VRM.

Такое решение обеспечивает эффективное перераспределение тепловых потоков между несколькими радиаторами. В результате выравниваются температуры элементов, работающих в ключевых режимах, являющихся источниками неравномерного нагрева, как в пространстве, так и во времени. Охлаждению же всей конструкции способствует общий дизайн, предусматривающий использование воздушных потоков, порождаемых вентиляторами процессора и кулера.

Оценивая эффективность данного решения, необходимо отметить, что еще одним фактором, способствующим уменьшению тепловой и электрической нагрузок на транзисторы VRM, является реализация большого количества каналов (фаз) питания. Например, в архитектуре указанной платы их двенадцать. Столь большое количество каналов существенно упрощает конструкцию VRM, улучшает развязку по линиям питания, уменьшает электрические помехи и увеличивает устойчивость работы компьютерных подсистем. Кроме того, описанная конструкция с пассивными кулерами, аналог которой активно используется, кстати, в бесшумных моделях видеоадаптеров этого же производителя, уменьшает акустический шум и от материнской платы.

Конструкция регулятора напряжения позволяет подавать на него 5 или 12 В (на выходе – напряжение питания процессора). В системе в основном используется напряжение 5 В, но многие компоненты в настоящее время переходят на 12 В, что связано с их энергопотреблением. Кроме того, напряжение 12 В используется, как правило, приводным электродвигателем, а все другие устройства потребляют напряжение 5 В. Величина напряжения, потребляемого VRM (5 или 12 В), зависит от параметров используемой системной платы или конструкции регулятора. Современные интегральные схемы регуляторов напряжения предназначены для работы при входном напряжении от 4 до 36 В, поэтому их конфигурация всецело зависит от разработчика системной платы.

Как правило, в системных платах, предназначенных для процессоров Pentium III и Athlon/Duron, использовались 5-вольтные регуляторы напряжения. В последние годы возникла тенденция к переходу на регуляторы, потребляющие напряжение 12 В. Это связано с тем, что использование более высокого напряжения позволяет значительно уменьшить текущую нагрузку. Например, если использовать тот же 65-ваттный процессор AMD Athlon с рабочей частотой 1 ГГц, можно получить несколько уровней нагрузки при различных величинах потребляемого напряжения

При использовании напряжения 12 В сила потребляемого тока достигает только 5,4 А или, с учетом 75% эффективности регулятора напряжения, 7,2 А. Таким образом, модификация схемы VRM системной платы, позволяющая использовать напряжение 12 В, представляется достаточно простой. К сожалению, стандартный блок питания ATX 2.03 содержит в основном силовом разъеме только один вывод +12 В. Дополнительный разъем вообще не содержит выводов +12 В, поэтому толку от него немного. Подача тока силой 8 А и более на системную плату, осуществляемая при напряжении +12 В через стандартный провод, может привести к повреждению разъема.

Для повышения энергообеспечения системных плат в Intel была создана новая спецификация блоков питания ATX12V. Результатом этого стал новый силовой разъем, предназначенный для подачи дополнительного напряжения +12 В на системную плату.

В плате ASUS P5B-E Plus, основанной на чипсете Intel P965 Express, VRM используется 4-канальный, а значит, более приспособленный к надежной поддержке мощных (или сильно разогнанных) процессоров. Дизайном предусмотрено охлаждение половины из ключевых транзисторов, но на данной модели радиатор не установлен. Разъем подачи питания на VRM сделан 8-контактным, чтобы уменьшить вдвое ток, проходящий по линиям +12 В. Впрочем, если у вашего блока питания нет такого разъема, можно подключить плату и через 4-контактный разъем.

Питание процессора и чипсета осуществляется одним VRM, питание модулей памяти и видеоадаптера – чаще всего другими. Это обеспечивает необходимые уровни напряжений и токов, отсутствие просадок по питанию, а также снижает взаимное влияние, передаваемое по силовым шинам.

Схемотехника стабилизаторов питания

Практически все современные стабилизаторы стоятся на базе того или иного интегрированного ШИМ-контроллера (PWM) — довольно сложной микросхемы с кучей выводов по краям. Одна группа выводов «заведует» выходным напряжением, которое выбирается комбинацией логических «1» и «0», подаваемых на эти ноги. В зависимости от конструктивной реализации эти выводы могут либо сразу идти на перемычки или быть мультиплексированы еще с чем-то другим.

Пару слов о ключевых элементах. Стабилизатор может быть собран либо на двух n-канальных МОП-транзисторах, в этом случае сток (drain) одного транзистора соединен в точке выхода (Vout) с истоком (source) другого. Оставшийся исток идет на массу, а сток — на стабилизируемое напряжение. Это облегчает поиск делителей на неизвестных микросхемах. Находим два мощных транзистора, смотрим — где они соединяются (там еще дроссель будет) и ищем резистор, ведущий к той же точке. Если с другим концом резистора соединен резистор, идущий на массу — делитель найден!

Большинство схем построено именно по такому принципу, однако вместо второго транзистора может использоваться и диод. Внешне он похож на транзистор, только на нем (как правило) написано MOSPEC, а два крайних вывода замкнуты накоротко. Такая схема проще в исполнении, содержит меньше деталей, однако за счет падения на прядения на n-p переходе (~0,6 В) снижается КПД и увеличивается рассеиваемая тепловая мощность, то есть, попросту говоря, нагрев.

В одних случаях каждый узел питается своим собственным стабилизатором (и вся плата тогда в стабилизаторах), в других — производители путем хитроумных извращений запитывают несколько узлов от одного стабилизатора. В частности, на ASUS P5AD2/P5GD2 один и тот же стабилизатор питает и северный мост, и память, используя кремниевый диод для зарядки обвязывающего конденсатора до нужного напряжения. Поэтому напряжение на выходе стабилизатора будет отличаться от напряжения на чипсете. Увеличивая напряжение на памяти, мы неизбежно увеличиваем напряжение и чипсете, спалить который гораздо страшнее, да и греется он сильно.

Стабилизатор может собираться и на операционном усилителе, и на преобразователе постоянного тока или даже на микроконтроллере. Усилители/преобразователи обычно имеют прямоугольный корпус и небольшое количество ног (порядка 8), а рядом с ними расположены электролитические конденсаторы, дроссели и мощные ключевые транзисторы, иногда подключаемые к микросхеме напрямую, иногда — через дополнительный крохотный транзистор. Микроконтроллеры — это такие небольшие микросхемы в прямоугольном корпусе с кучей ног (от 16 и больше), рядом с которым торчат конденсаторы/дроссели/транзисторы (впрочем, на дешевых платах дроссели часто выкидывают, а количество конденсаторов сводят к минимуму, оставляя в нераспаянных элементах букву L).

Как выделить стабилизаторы среди прочих микросхем? Проще всего действовать так: выписываем маркировку всех мелких тараканов и лезем в сеть за datasheet'ами, в которых указывается их назначение и, как правило, типовая схема включения, на которой где-то должен быть делитель, подключенный к одному из выводов. Делитель — это два резистора, один из которых всегда подключен к выходу стабилизатора (Vout), а другой — к массе (GROUND или, сокращенно, GND). Выход найти легко, во-первых — вольтметром, во-вторых — чаще всего он расположен в точке соединения двух ключевых транзисторов от которой отходит дроссель (если он есть).

Изменяя сопротивление резисторов делителя, мы пропорционально изменяем и выходное напряжение стабилизатора. Уменьшение сопротивление резистора, подключенного в массе, вызывает увеличение выходного напряжения и наоборот. «Выходной» резистор при уменьшении своего сопротивления уменьшает выходное напряжение.

Современные мощные ключевые транзисторы IGBT, MOSFET имеют довольно высокую емкость затвора (>100 пФ) которая не позволяет «быстро» (десятки кГц) переключать ключевой транзистор. Поэтому для быстрого заряда/разряда емкости затвора применяются спец. схемы или готовые ИМС, называемые «драйверами» которые обеспечивают быстрый перезаряд емкости затвора. В нашем случае, драйвером можут быть как сами микросхемы ШИМ-контроллеров, так и внешние каскады — внешине драйверы (обычно в многофазных преобразователях). Формально любой управляющий (напрмиер, предоконечный) каскад сожет быть драйвером.

Микросхемы памяти в зависимости от своих конструктивных особенностей могут требовать большего или меньшего количества напряжений. Как минимум, необходимо запитать ядро — VDD. Вслед за ним идут входные буфера VDDQ, напряжение питания которых не должно превышать напряжения ядра и обычно равно ему. Термирующее (VTT) и референсные (Vref) напряжения равны половине VDDQ. (Некоторые микросхемы имеют встроенные термирующие цепи и подавать на них VTT не нужно).

Применяемые микросхемы

Рассмотрим ASUS P4800-E на базе чипсета i865PE. Внимательно рассматривая плату, выделяем все микросхемы с не очень большим количеством ног. Возле северного моста мы видим кварц, а рядом с ним — серый прямоугольник ICS CA332435. Это — клокер, то есть тактовый генератор. Процессор, как обычно, окружен кучей конденсаторов, дросселей и других элементов, выдающих близость стабилизатора питания. Остается только найти ШИМ-контроллер, управляющий стабилизатором. Маленькая микросхема с надписью ADP3180 фирмы Analog Devices. Согласно спецификации (http://www.digchip.com/datasheets/download_datasheet.php?id=121932&part-number=ADP3180) это 6-битный программируемый 2- , 3- , 4-фазный контроллер, разработанный специально для питания Pentium-4. Процессор Pentium 4 жрет слишком большой ток и для поддержания напряжения в норме основному контроллеру требуется три вспомогательных стабилизатора ADP3418. Китайцы славятся своим мастерством собирать устройства с минимумом запачастей, но наш ASUS не принадлежит к числу пройдох и все детали присутствуют на плате — такие маленькие квадратные микросхемы, затерявшиеся среди дросселей и ключевых транзисторов.

Комбинация логических уровней на первых четырех ногах основного контроллера задает выходное напряжение (грубо), точная подстройка которого осуществляется резистором, подключенным к 9 выводу (FB). Чем меньше сопротивление — тем ниже напряжение и наоборот. Следовательно, мы должны выпаять резистор с платы и включить в разрыв цепи дополнительный резистор. Тогда мы сможем не только повысить напряжение сверх предельно допустимого, но и плавно его изменять, что очень хорошо!

Материнская плата ASUS P5K-E/WiFi-AP оснащена 8-фазным (!) стабилизатором питания, собранным на дросселях с ферромагнитным сердечником и MOSFET NIKOS P0903BDG (25 В, 9,5 мОм, 50 А) и SSM85T03GH (30 В; 6 мОм; 75 А). Четыре канала стабилизатора питания накрыты радиатором, который по большому счету служит для охлаждения северного моста, от которого тепло передается по тепловой трубке.

Кроме Analog Devices (микросхемы ADP), ШИМ-контроллеры VRM выпускают также Fairchild Semiconductor (FAN), International Rectifier (IR), Intersil (ISL) — очень популярны, Maxim (MAX),  ON Semiconductor (NCP), Semtech (SC), STMicroelectronics (L), Analog Integrarion Corp. (AIC, нарисована корона), Richtek (RT) , количество контактов — от 16 до 24 pin.

На данный момент выпускают 33 модели микросхем, поддерживающие спецификацию VRM 10.1 и только 5 микросхем с поддержкой VRM 11.0.:

Как видно, многие, но далеко не все из этих микросхем импульсных регуляторов имеют 4 фазы стабилизации.

Теперь перейдем к памяти. В окрестностях DIMM-слот быстро обнаруживается несколько ключевых транзисторов, электролитических конденсатора и всего одна микросхема с маркировкой LM 358. Такую микросхему производят все кому только не лень: Fairchild Semiconductor, Philips, ST Microelectronics, Texas Instruments, National Semiconductor и другие.

Это типичный операционный усилитель, причем — двойной. Распиновка приведена на здесь, а схема типового включения — тут, из которой все становится ясно и типовая схема включения уже не нужна. Нужный нам резистор подключен к выходу операционного усилителя (ноги 1 и 7). Да не введет нас в заблуждение делитель на отрицательном входе. Он не имеет обратной связи по стабилизируемому напряжению и потому нас не интересует.

Смотрим на плату — 7-я нога зашунтирована через конденсатор и дальше никуда не идет, а вот за 1-й тянется дорожка печатного проводника. Значит, это и есть тот вывод, который нам нужен! Чтобы увеличить напряжение на памяти, необходимо включить в разрыв между 1-й ногой и резистором RF дополнительный резистор. Чем больше его сопротивление — тем выше выходное напряжение. Как вариант, можно подпаять между 2-й и 4-й ногами свой резистор (4-я нога — масса), чем меньше его сопротивление — тем выше напряжение и ничего разрывать не придется.

Для контроля напряжения можно использовать либо встроенную систему мониторинга напряжения (если она есть), либо мультиметр. Мультиметр надежнее и ему больше веры, встроенный мониторинг — удобнее, тем более что контролировать напряжение после вольмода приходится постоянно. На холостых оборотах оно одно, под нагрузкой — другое. Весь вопрос в том, куда его подключать? Один из контактов — на массу, другой — на точку соединения двух ключевых транзисторов или транзистора с диодом. Если найти точку соединения не удалось (ничего смешного здесь нет — на вставленной в компьютер печатной плате разводку разглядеть довольно проблематично), можно подключаться к стоку каждого из транзисторов. У одного из них он идет к входному напряжению, у другого — к уже стабилизированному. Сток обычно расположен посередине и «продублирован» на корпус. Внешне он выглядит как «обрезанный» вывод. Соответственно, в схеме «транзистор плюс диод» сток всегда подключен к входному напряжению и тогда нам нужен исток — крайний правый вывод (если смотреть на транзистор в положении «ноги вниз»). Втыкаем сюда щуп вольтметра, медленно вращаем построечный резистор и смотрим. Если напряжение не меняется, значит мы подключили резистор не туда и все необходимо тщательно перепроверить.

Перейдем к тактовой частоте. Обычно производители оставляют довольно солидный запас, и материнская плата сваливается в глюки задолго до его исчерпания, однако в некоторых случаях наши возможности очень даже ограничены. Некоторые платы не гонятся вообще! Что тогда? Тактовый генератор (он же «клокер») может быть собран на разных микросхемах (обычно это ICS или RTM), которые можно программировать путем перебора комбинацией логических «0» и «1» на специальных выводах. Внешне это прямоугольная ИМС в корпусе SOP с кол-вом пинов от 20 до 56 в районе кварца. Таблицу частот можно найти в datasheet'е на микросхему. В древние времена, когда конфигурирование осуществлялось через перемычки, производителю было очень сложно «заблокировать» верхние частоты, но при настройке через BIOS setup — это легко! Придется пойти на довольно рискованный и радикальный шаг — отрезаем «комбинаторную» группу выводов от печатной платы и напаиваем на них jumper'ы с резисторами, схему соединения которых можно взять из того же datasheet'а. И тогда все будет в наших руках! Естественно, настраивать частоту через BIOS уже не удастся.

А вот другой путь — замена кварца. В большинстве материнских плат стоит кварц, рассчитанный на частоту 14,318 МГц, если его заменить на более быстрый, то все частоты пропорционально подскочат, однако при этом, возможно, начнется полный глюкодром. Вообще говоря, замена кварца — неисследованная область, еще ждущая своих энтузиастов.

Выводы

Собственно, выход из строя ИМС ШИМ-контроллера VRM, выход из строя транзисторов преобразователя или вздутие (и как следствие потеря ёмкости) электролитических конденсаторов («бочек») в цепях питания VRM – это чаще всего встречающийся отказ материнских плат. Проявляется в виде того, что плата не стартует, не подавая признаков жизни или же стартует и выключается.

Применяемые в большинстве системных плат алюминиевые электролитические конденсаторы емкостью 1200 мкФ, 16 В или 1500 мкФ, 6,3 и 10 В обладают рядом недостатков, один из которых это высыхание по истечении времени. Следствием этого является потеря ими емкости, выход компонента из строя, появление аппаратных ошибок в цепях. Риск увеличивается при использовании подобных конденсаторов в тяжелых температурных условиях, например, в корпусе системного блока компьютера температура может доходить до 50-60° С.

Танталовые конденсаторы обладают большей надежностью, чем электролитические (нет эффекта высыхания), они более компактны и имеют меньшее значение параметра ESR, увеличивающее эффективность их применения в цепях фильтрации источников питания.

В последнее время вместо часто вздувающихся электролитических конденсаторов именитые производители плат стали использовать твердотельные конденсаторы. В схемах питания новой платы ASUS M3A79-T DELUXE на чипсете AMD 790FX используются высококачественные детали, в частности, транзисторы с низким сопротивлением в открытом состоянии (RDS(on)) для уменьшения потерь при переключении и снижения тепловыделения, дроссели с ферритовыми сердечниками, и, что очень важно, твердотельные полимерные конденсаторы от ведущих японских производителей (гарантийный срок службы модуля VRM – 5000 часов). Благодаря применению таких компонентов достигается максимальная эффективность энергопотребления, низкое тепловыделение и высокая стабильность работы системы. Это позволяет получить высокие результаты разгона и увеличить срок эксплуатации оборудования.

Полимерные конденсаторы на плате ASUS p5W-DH Deluxe (i975X, Socket-775)

Такие же элементы используются например в материнской плате Gigabyte GA-P35T на чипсете P35.

VRM на обычных элементах имеет MTBF всего около 3000 часов.

По возможности необходимо выбирать те материнские платы, которые используются 4-фазный импульсный регулятор. В цепях фильтра VRM предпочтительно должны стоять твердотельные, а не алюминиевые электролитические конденсаторы, дроссели должны иметь ферритовый сердечник. Кроме того, на грамотно спроектированной плате, конденсаторы фильтра не должны стоять вплотную к кулеру процессора и к дросселям, чтобы не проиходило их перегрева.

В идеальном варианте, необходимо выбирать те платы, которые имеют отдельный независимый регулятор напряжения для CPU, памяи и шины видеокарты. В этом случае, вы сможете отдельно регулировать напряжение на каждом из компонентов, не вызывая роста напряжения на других!

Популярность: 42%

Поделиться в соц. сетях

Share to Google Plus
Share to MyWorld
Share to Yandex

Понравилась публикация? Почему нет? Оставь коммент ниже или подпишись на feed и получай список новых статей автоматически через feeder.

Комментарии

Очень интересная статья, хорошо написано )

возник вопрос по самотестированию питания Блоки Питания, если питание поступает на материнку постоянно, то какой у нее износ от этого ?

т.е. если комп включен в сеть но не включена ОС...т.е. если я просто выключил компьютер из ОС.

При подключении МП к сети без её старта подается дежурное питание с небольшим током, однако незначительный износ фильтрующих компонентов питания имеет место быть.

Оставьте коммент

(обязательно)

(обязательно)