Материнская плата схема напряжения описание работы: This is somewhat embarrassing, isn’t it?

Содержание

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)

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 строятся 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 могут быть как сами микросхемы ШИМ-контроллеров, так и внешние каскады — внешние драйверы (обычно в многофазных преобразователях). Формально любой управляющий (например, предоконечный) каскад может быть драйвером.

Микросхема VRM на платах Gigabyte

На картинке выше представлен новый подход с исполнению ШИМ: вместо 3 микросхем — драйвера и двух мосфетов используется одна интегральная микросхема, включающая в себя все эти компоненты. Такие микросхемы с некоторых пор стали использоваться на дорогих платах Gigabyte и других ведущих производителей.

Дизайн подобных решений разработан и расписан в спецификации Intel DrMOS V4.0, которая описывает требования к драйверам по питанию Intel CPU.

Именно в этой спецификации приведены все основные типовые сигналы для такой микросхемы:

Basic Input-Output Signal Definition for a typical DrMOS

Микросхемы памяти в зависимости от своих конструктивных особенностей могут требовать большего или меньшего количества питающих 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. Термирующие (VTT) и референсные (Vref) напряжения равны половине VDDQ. (Некоторые микросхемы имеют встроенные термирующие цепи и подавать на них VTT не нужно).

Теперь посмотрим на двухфазную схему питания DrMOS на примере платы MSI:

Применяемые микросхемы

Рассмотрим старую добрую 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 запчастей, 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 транзисторах 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.

У ASUS фирменная микросхема управления питанием называется EPU (Energy Processing Unit):

Контроллер EPU на платах ASUS

Из картинки выше понятно, что микросхема EPU не только генерирует правильное напряжение питания ядра процессора Vcore согласно сигналам VID, но также и общается с чипсетом по шине SM Bus, позволяя через управляющие сигналы такового генератора задавать частоту процессора согласно текущему профилю энергопотребления.

А вот фотография уникальной платы Gigabyte с 10-канальный VRM, который они называли фирменным термином PowerMOS! В нем используется микросхемы фирмы International Rectifier (IR) IR3550, каждая из которых в себя включает мощный синхронный драйвер затвора, упакованный в одном корпусе с управляющим MOSFET и синхронным MOSFET с диодом Шоттки. Максимальный ток — 60 А. Эта микросхема походит как для управления питанием мощных CPU, так и GPU, и многоканальных контроллеров памяти. Эта микросхема, как и аналогичные удовлетворяет спецификации Intel DrMOS V4.0.

Типовая схема включения IR3550 выглядит следующим образом:

Сигналы микросхемы IR3550

Типовая схема включения IR3550

Из картинки поднятно, что напряжение питания самой микросхемы Vcc от 4,5 до 7 V (подается с шины 5V), а выходнйо каскад — Vout.

Если вам пробуется найти схему включения любой микросхему. то это легко сделать в интернете по названию микросхемы и слову datasheet.

DrMOS также поддерживается компаниями MSI, Asrock и некоторыми другими. Более бюджетные производители по прежнему используют стандартный дизайн — отдельная микросхема ШИМ-контроллера и набор силовых мосфетов. Например, на свежей плате ECS X79R-AX на чипсете Intel X79 Express используется VRM-контроллер Intersil ISL6366 для управления 6+1 фазным питанием:

VRM контроллер ISL6366

Из документации микросхема ISL6366 подддерживает стандарт Intel VR12/IMVP7 и имеет два выхода: одна на 6 фаз питания ядра или памяти, второй — на одну дополнительную фазу питания графики, микросхем мониторинга и отдельно линий I/O процессора. Более того, она имеет встроенные функции термомониторинга и термокмопенсации. Также микросхема непрерывно мониторит выходной ток через отдельный резистор и подстраивает напряжение питания. Сама микросхема используется в паре с драйверами ISL6627, подключаемыми к транзисторам:

Typical Application: 6-Phase Coupled-Inductor VR and 1-Phase VR

6+1 фаз питания платы ECS

По фото видно, что транзисторы здесь тоже упакованы в микросхемы, поэтому занимают очень мало место.

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 стандарта VRM 11. 0.:

ON Semiconductor NCP5381MNR2G – 2/¾ Phase Buck Controller for VR10 and VR11 Pentium IV Processor Applications
STMicroelectronics L6714 – 4-Phase Controller with Embedded Drivers for Intel VR10, VR11 and AMD 6-Bit CPUs
Intersil ISL6312CRZ – Four-Phase Buck PWM Controller with Integrated MOSFET Drivers for Intel VR10, VR11, and AMD Applications
Intersil ISL6312IRZ – Four-Phase Buck PWM Controller with Integrated MOSFET Drivers for Intel VR10, VR11, and AMD Applications
STMicroelectronics L6713A – 2/3-Phase Controller with Embedded Drivers for Intel VR10, VR11 and AMD 6-Bit CPUs

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

Питание 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 вольтмода 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.

Генераторы тактовой частоты

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.

Микросхема тактового генератора ICS и кварца 14,318 МГц

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.

Клокеров на плате несколько — каждый отвечает за генерацию своего диапазона частот — один на процессор, другие на периферийные шины, GPU. Еще больше на плате кварцев — отдельный, например, стоит рядом с микросхемой сетевой карты и генерирует тактирование для передаче по локальной сети.

Кварц сетевой карты Realtek

Кварц контроллера USB 3.0

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.

Твердотельные конденсаторы на плате MSI 880GMA-E45

Такие же элементы используются например в материнской плате Gigabyte GA-P35T на чипсете P35. Правда, и твердотельные конденсаторы взрываются, как правильно, в следствие повышенного напряжения или просто некачественных элементов (да, такое тоже встречается!):

Взорвавшиеся конденсаторы

VRM на обычных электролитических конденсаторах 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 происходило их перегрева.

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

[Посещений: 31 907, из них сегодня: 1]
Платформа, РемонтMOSFET, VRD, VRM, видеокарт, генератор, кварц, ключи, конденсаторы, контроллер, материнские платы, напряжение, оперативной памяти, преобразование, стабилизация, схемотехника, транзисторы, фильтр, ШИМ, ядро

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

Устройство материнской платы компьютера: схема и компоненты

Современные материнские платы состоят из множества различных компонентов. Устройство материнской платы компьютера таково, что она содержит в себе: транзисторы (мосфеты), клокеры, резисторы, электролитические и керамические конденсаторы, диоды, катушки индуктивности, а также различные микрочипы, которые припаиваются непосредственно к материнской плате.

Сама же материнская плата (мать) представляет из себя кусок многослойного текстолита, на котором тончайшим слоем нанесены дорожки (проводники). Слои в нем располагаются примерно так же, как этажи в многоэтажных домах, а их количество может достигать от 10 до 15.

Мосфеты необходимы для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. Резисторы нужны для создания в электрической цепи сопротивления, обеспечивая тем самым регулирование электрической энергии между элементами материнской платы. Клокеры необходимы для формирования тактовых частот, используемых на материнской плате и в процессоре. Конденсаторы нужны для выравнивания напряжения или блокировки тока в цепи.

Они (конденсаторы) имеют свойство выходить из строя и буквально вздуваться. И, наконец, катушка (дроссель) — используется для смягчения скачков тока при запуске, очень часто дросселя располагают возле сокета процессора. Все остальные компоненты материнской платы условно можно разделить на группы:

Разнообразные порты для подключения как внутренних устройств (сокет процессора, слоты ОЗУ, слоты видеокарты), так и внешних — жестких дисков, оптических приводов, USB накопителей.
Разъемы питания: процессора, вентиляторов. На самой материнке есть самый главный 24-pin порт питания, по которому она получает питание от БП.
Разъемы на задней «стенке» системного блока, это аж целый блок портов для подключения устройств «ввода-вывода»: монитора, принтера, мышек, клавиатуры, динамиков, сетевого кабеля и др.
Радиаторы и трубки охлаждения.
Перемычки (управляющие штырьки), генераторы тактовых частот (клокеры) и батарейка, чипы (BIOS, аудиочип и др.). К чипам еще можно отнести северный и южный «мосты», или по-другому — чипсет.

Изображение кликабельно

Итак, перед вами схема материнской платы. Начнем, пожалуй, с чипсета. А состоит он из двух компонентов: южного моста и северного моста. Этим специфическим термином «мост» — обозначается набор микросхем, которые отвечают за работу всех компонентов материнской платы и их связи с процессором. Чипсет не случайно делится на две составляющие: северную и южную, ведь на них возлагаются принципиально разные задачи.

К примеру, северный мост далеко не просто так называется, а именно из-за своего положения, относительно центра материнской платы. Северный мост всегда находится ближе к процессору (а в современных пк он вообще уже встроен в сам процессор, Начиная с процессоров на базе архитектур Intel Nehalem и AMD Sledgehammer) и обеспечивает связь между ним, оперативной памятью и графическим ускорителем (видеокартой).

Южный же — отвечает за работу всех периферийных устройств, включая принтер, сканер, флеш-накопители, внешние жесткие диски и т.п.). А также делает возможной работу: базовой системы “ввода-вывода” (BIOS), аудиочипа и интернета. Между собой северный и южный мосты также «общаются» по определенному протоколу. А сам чипсет связывается с процессором по следующим интерфейсам: FSB, DMI, HyperTransport, QPI.
Подробнее о чипсете я уже писал в одной из своих предыдущих статей, а именно вот здесь.

Чуть правее чипсета располагается процессорный сокет, обратите внимание на скопление тех самых катушек (дросселей), которые, как уже упоминалось выше, производитель старается расположить поближе к процессору. С чем конкретно это связано утверждать не берусь, но если кто в комментариях напишет свою версию — буду признателен (неправильные ответы тоже принимаются).

А еще обратите внимание на обилие радиаторов охлаждения, один расположен прямо над процессорным сокетом, а два других — на северном и южном мостах. Это действительно необходимость, ведь в процессе работы некоторые зоны материнской платы нагреваются очень ощутимо, а без должного охлаждения пайка, например, на южном мосту может разрушиться и наш южный мост уйдет в свободное плавание, или, того хуже — просто сгорит. Кроме того, на процессор обычно ставится кулер, у которого тоже есть свой отдельный радиатор, эффективно отводящий тепло.

Система охлаждения материнской платы может быть представлена не только в виде обычного радиатора, но и в виде жидкостного охлаждения с подводящими трубками + радиаторы, как на фото выше

Процессор питается от материнской платы через специальный 4-х пиновый разъем (на схеме он обозначен как «P4»), а сама материнка — через 24-х пиновый разъем, на фото он находится в самом низу. Также, энергия требуется и различным вентиляторам и кулерам, которых может быть больше 3. Процессорный кулер подключается через 4-х контактный разъем, который расположен ближе всего к сокету. Остальные вентиляторы запитываются от 3-х контактных разъемов, которые «натыканы» по всей плате.

Если перевести взгляд в левый нижний угол — можно увидеть небольшую круглую батарейку, без которой все настройки BIOSа, в том числе текущее время и дата, будут удалены. Срок службы такой батарейки редко превышает порог в 7 лет, иными словами, если вы на своем компьютере обнаружили подобную проблему (каждый раз при включении сбивается время и дата), первым делом поменяйте батарейку, благо стоит она совсем не дорого и найти ее можно практически в любом компьютерном магазине.

Также, по всей материнской плате размещены всевозможные интегральные микросхемы, к ним можно отнести:

Аудио-чип
Контроллеры портов (1394 и SATA)
Super I/O чип
FirmWare Hub (FWH) чип
Чипсет для беспроводных сетей

Для любых портов должен быть предусмотрен свой контроллер, иначе они не будут работать. Контроллера USB-портов на схеме не видно, просто потому, что он встроен в южный мост, как вы уже могли догадаться. FWH отвечает за работу BIOS. А вот с чипом Super I/O не все так просто. Он выполняет целый ряд функций, в нем находятся: контроллер флоппи-дисков (которые «конкретно» устарели и ныне не используются), датчик температуры и скорости вращения вентилятора (кулера), а еще он отвечает за инфракрасный порт и клавиатуру с мышью, только не usb, а ps/2. Найти чип Super I/O на материнке можно по названию производителя, в частности: Fintek, ITE, National Semiconductor, Nuvoton, SMSC, VIA, и Winbond.

Порт 1394 (он же FireWire) используется для подключения различных мультимедийных устройств, например ip-камер, и является значительно более быстрым, нежели usb. Про разъемы (гнезда) задней панели рассказывать тут не вижу смысла, ибо это тема отдельной статьи (а эта и так уже получилась большая), ну а про другие порты, такие как: ATA(IDE), SATA я уже упоминал в статье под названием «интерфейсы жесткого диска», рекомендую к прочтению.

Перемычки, они же переключатели, они же джамперы (Jumpers) — выполняют сразу несколько задач. С помощью них вы можете запустить аварийное восстановление биоса, переключить и настроить звуковой чип, выполнить сброс настроек биоса и многое другое. Все зависит от конкретного производителя материнки. Если речь идет о игровых моделях, в них могут встречаться джамперы, позволяющие «разгонять» ОЗУ или саму материнскую плату, менять приоритеты загрузки жестких дисков и т.д. Как-нибудь я постараюсь рассказать об этом подробнее (но уже не в этой статье).

Ну и пару слов про так называемую «FPanel», или по-другому разъемы передней панели. На схеме они обозначены как «коннекторы фронтальной панели». На фото вы можете видеть провода с колодками, которые как раз подключаются к этим штырькам на материнской плате. Однако, тут важно соблюсти определенную последовательность подключения, иначе все кнопки и индикаторы не будут работать. А что вообще туда подключается? А вот что: кнопка подачи питания и перезагрузки компьютера, индикатор загруженности жесткого диска, встроенный динамик (пищалка).

Опять же, для каждой платы может быть своя последовательность и полярность подключения, все это, как правило, в обязательном порядке указывается на первых страницах инструкции к вашей материнской плате. Если такой инструкции у вас нет, или вы покупали мат. плату с рук — попробуйте найти ее в интернете. Конкретно для платы ASUS P5AD2-E, рассматриваемой в данной статье, последовательность такая:

Изображение кликабельно

Пошаговая процедура ремонта материнской платы ноутбука

Материнская плата ноутбука не включается. На примере ASUS A6F рассмотрим общий принцип ремонта и поиска неисправностей, которые препятствуют запуску материнской платы и поможет нам в этом POWER On Sequence (такая страничка имеется во многих схемах ноутбуков).

По диаграмме можно отследить всю процедуру запуска материнской платы, начиная с момента включения питания и вплоть до готовности процессора выполнять инструкции BIOS и определить, на каком из этапов у нас происходит ошибка. В той же pdf-ке к материнской плате, можно найти более детальную схему распределения напряжений:

0-1 Входные напряжения питания A/D_DOCK_IN и AC_BAT_SYS

Первым делом следует убедиться в наличии питающего напряжения 19 вольт на входе материнской платы и, желательно, напряжения с АКБ (аккумуляторной батареи). Отсутствие входных напряжений A/D_DOCK_IN и АС_ВАТ_SYS представляется достаточно частой проблемой и проверку следует начинать с блока питания и разъёма на плате.

Если напряжение на участке (разъём — P-mosfet) отсутствует, то необходимо разорвать связь между сигналами A/D_DOCK_IN и AC_BAT_SYS. Если напряжение со стороны A/D_DOCK_IN появилось, то причина неисправности скрывается дальше и надо разбираться с участком (P-mosfet — нагрузка):

Необходимо исключить вариант короткого замыкания (КЗ) по AC_BAT_SYS (19В). Чаще всего, КЗ заканчивается не дальше, чем на силовых транзисторах в цепях, требующих высокой мощности (питание процессора и видеокарты) или на керамических конденсаторах. В ином случае, необходимо проверять все, к чему прикасается AC_BAT_SYS.

Если КЗ отсутствует, то обращаем внимание на контроллер заряда и P-MOS транзисторы, которые являются своеобразным «разводным мостом» между блоком питания и аккумулятором. Контроллер заряда выполняет функцию переключателя входных напряжений. Для понимания процесса работы, обратимся к datasheet, в котором нас интересует минимальные условия работы контроллера заряда:

Как видно по схеме, контроллер MAX8725 управляет транзисторами P3 и P2, тем самым переключая источники питания между БП и аккумулятором — P3 отвечает за блок питания, а P2 за аккумулятор. Необходимо проверить работоспособность этих транзисторов.

Разберем принцип работы контроллера. При отсутствии основного питания, контроллер автоматически закрывает транзистор P3 (управляющий сигнал PDS) тем самым перекрывая доступ блока питания к материнской плате и открывает транзистор P2 (управляющий сигнал PDL). В таком случае плата работает только от аккумулятора.

Если мы подключим блок питания, контроллер должен перекрыть питание от аккумулятора закрывая P2 и открывая P3, обеспечив питание от внешнего блока питания и зарядку аккумулятора.

При диагностике входного напряжения от сети мы не используем аккумулятор и проверяем только сигнал PDS. В нормальном режиме он должен “подтягиваться” к земле, тем самым открывая P-MOS и пропуская 19В на плату. Если контроллер неправильно управляет транзистором P3, то необходимо проверить запитан ли сам контроллер. Затем проверяем основные сигналы DCIN, ACIN, ACOK, PDS. При их отсутствии, меняем контроллер и, на всякий случай, P-MOS транзисторы.

Если проблем с входными напряжениями нет, но плата все равно не работает, переходим к следующему шагу.

1-2 Питание EC контроллера

Embedded Contoller (EC) управляет материнской платой ноутбука, а именно включением/выключением, обработкой ACPI-событий и режимом зарядки аккумулятора. Также эту микросхему ещё называют SMC (System Management Controller) или MIO (Multi Input Output).

Контакты микросхемы EC контроллера программируются под конкретную платформу, а сама программа, как правило, хранится в BIOS или на отдельной FLASH микросхеме.

Вернувшись к схеме запуска материнской платы, первым пунктом видим напряжение +3VA_EC, которое является основным питанием EC контроллера и микросхемы BIOS. Данное напряжение формирует линейный стабилизатор MIC5236YM:

Благодаря присутствию сигнала AC_BAT_SYS, микросхема должна выдать напряжение +3VAO, которое с помощью диагностических джамперов преобразуется в +3VA и +3VA_EC.

+3VA и +3VA_EC питают Embedded контроллер и BIOS, при этом запускается основная логика платы, которая отрабатывается внутри EC контроллера. Основными причинами отсутствия +3VA и +3VA_EC могут служить короткое замыкание внутри компонентов (ЕС, BIOS и т.д.), либо повреждение линейного стабилизатора или его обвязки.

3 Дежурные напряжения (+3VSUS, +5VSUS, +12VSUS)

После того как был запитан EC и он считал свою прошивку, контроллер выдает разрешающий сигнал VSUS_ON для подачи дежурных напряжений (см. пункт 3 последовательности запуска). Этот сигнал поступает на импульсную систему питания во главе которой стоит микросхема TPS51020:

Как видно на схеме, нас интересуют напряжения, отмеченные на схеме зеленым цветом +5VO, +5VSUS, +3VO, +3VSUS. Для того, что бы эти напряжения появились на плате необходимо что бы микросхема была запитана 19В (AC_BAT_SYS) и на входы 9, 10 приходили разрешающие сигналы ENBL1, и ENBL2.

Разрешающие сигналы на платформе A6F формируются из сигналов FORCE_OFF# и VSUS_ON.

В первую очередь нужно обратить внимание на VSUS_ON который выдается EC контроллером, а сигнал FORCE_OFF# рассмотрим чуть позже. Отсутствие сигнала VSUS_ON говорит о том, что либо повреждена прошивка (хранящаяся в BIOS), либо сам EC контроллер.

Если же напряжение ENBL присутствует на плате и TPS51020 запитан, то значит TPS51020 должен формировать +5VO, +5VSUS, +3VO, +3VSUS (проверяется мультиметром на соответствующих контрольных точках).

Если напряжения +5VO, +3VO не формируются, проверяем эти линии на КЗ или заниженное сопротивление. В случае обнаружения КЗ, разрываем цепь и выясняем, каким компонентом оно вызвано.

При отсутствии или после устранения КЗ, снова проверяем напряжения и если их нет, то меняем сам контроллер вместе с транзисторами которыми он управляет.

4 Сигнал VSUS_GD#

На этом этапе контроллер дежурных напряжений сообщает EC контроллеру о том, что дежурные питания в норме. Проблем тут быть не должно.

5 Сигнал RSMRST#

На этом этапе EC контроллер выдает сигнал готовности системы к включению — RSMRST# (resume and reset signal output). Этот сигнал проходит непосредственно между EC и южным мостом. Причиной его отсутствия может быть сам контроллер, южный мост или прошивка EC.

Прежде чем искать аппаратные проблемы, сначала прошейте BIOS. Если результата нет, отпаиваем и поднимаем соответствующую сигналу RSMRST# 105 ножку EC, и проверяем выход сигнала на EC контроллера. Если сигнал все равно не выходит, то меняем контроллер.

Если сигнал выходит, но до южного моста не доходит, то проверяем южный мост и часовой кварц, в худшем случае меняем сам южный мост.

6 Кнопка включения (сигнал PWRSW#_EC)

На этом этапе необходимо проверить прохождение сигнала от кнопки включения до EC контроллера. Для этого меряем напряжение на кнопке и проверяем ее функциональность, если после нажатия напряжение не падает, то проблема в кнопке. Так же можно закоротить этот сигнал с землей и проверить включение.

7 Сигнал включения (сигнал PM_PWRBTN#)

После того как сигнал от кнопки включения попадает на EC, тот в свою очередь передает этот сигнал в виде PM_PWRBTN# на южный мост.

Если южный мост его успешно принял, то следующим этапом является выдача ответа в виде двух сигналов PM_SUSC#, PM_SUSB#, которые, в свою очередь, являются разрешением южного моста EC контроллеру включать основные напряжения платы (если южный мост никак не реагирует на сигнал PM_PWRBTN#, то проблема скрывается в нем).

8-9 Основные напряжения

Каким образом EC контроллер обрабатывает ACPI-события? В предыдущем пункте было сказано, что южный мост отправляет на EC два сигнала PM_SUSC#, PM_SUSB#. Эти сигналы еще называют SLP_S3# и SLP_S4# (отмечено красным блоком на след схеме):

Рассмотрим более подробно ACPI состояния:

S0 — Working Status
S1 — POS (Power on Suspend)
S3 — STR (Suspend to RAM), Memory Working
S4 — STD (Suspend to Disk), H.D.D. Working
S5 — Soft Off

Так вот, состояние этих сигналов отвечает за ACPI состояние питания на материнской плате:

Мы будем рассматривать случай, когда оба сигнала SLP_S3# и SLP_S4# , соответственно сигналы SUSC_EC#, SUSB_EC# в состоянии HI. То есть, материнская плата находится в режиме S0 (полностью работает, все напряжения присутствуют).

Как видно из последовательности запуска, при появлении сигналов SUSC_EC#, SUSB_EC#, на плате должны появиться следующие напряжения:

SUSC_EC#, отвечает за напряжения: +1.8V, +1.5V, +2.5V, +3V, +5V, +1V;
SUSB_EC#, отвечает за напряжения: +0.9VS, +1.5VS, +2.5VS, +3VS, +5VS, +12VS

Если хоть одного из этих напряжений не будет, плата не запустится, по этому, проверяем каждую систему питания, начиная от +1. 8V, заканчивая +12VS.

Сигналы SUSC_EC#, SUSB_EC#, поступают как на ENABLE отдельных импульсных систем питания (например 1.8V DUAL – питание памяти), так и на целые каскады напряжений преобразовывая уже существующие ранее дежурные напряжения в основные:

10 Питание процессора

Проверяем разрешающий сигнал VRON, который с определенной задержкой поступает на контроллер питания CPU сразу после выдачи сигналов SUSC_EC#, SUSB_EC#. Далее на CPU должно появится напряжение, если такого не произошло, разбираемся с контроллером питания и его обвязкой. Причин неработоспособности системы питания CPU достаточно много. Основная из них – это выход из строя самого контроллера. Необходимо проверить минимальные условия работы, для этого не помешает даташит контроллера и сама схема.

11 Включение тактового генератора

После того, как на плате появилось напряжениеCPU, контроллер должен выдать 2 сигнала, это IMVPOK# (Intel Mobile Voltage Positioning – OK) и CLK_EN#. Сигнал IMVPOK# уведомляет EC о том, что питание процессора в норме, а сигнал CLK_EN# включает тактовую генерацию основных логических узлов. Что бы проверить работоспособность клокера ICS954310 необходимо измерить частоту хотя бы на одном из выводов на котором тактовая частота наименьшая, или такая, которую словит ваш осциллограф. Выберем для этого 12 ножку ICS954310, которая отвечает за выдачу FSLA/USB_48MHz. Если нет генерации, то проверяем минимальные условия для работы ICS954310. Это кварц 14Mhz и питание 3VS и 3VS_CLK.

12 Завершающий сигнал готовности питания (PWROK)

Если этот сигнал присутствует, и логика EC исправна, то это значит, что все напряжения на плате должны быть включены.

13 PLT_RST#, H_PWRGD

PLT_RST# – сигнал reset для северного моста, H_PWRGD сообщает процессору о том, что питание северного моста в норме. Если возникли проблемы с этими сигналами, то проверяем работоспособность северного и южного моста.

Проверка мостов — тема, довольно обширная. Вкратце, можно сказать, что необходимо проверять сопротивления по всем линиям питания этих мостов и при отклонении от нормы мосты нужно менять.

В принципе, обычной диодной прозвонкой сигнальных линий можно определить неисправный мост, но так как микросхемы выполнены в корпусе BGA, добраться до их выводов практически невозможно. Не все выводы приходят на элементы, которые легко достать щупом тестера, поэтому используют специальные вспомогательные диагностические платы (например есть диагностические платы для проверки северного моста и каналов памяти).

14 Завершающий этап

H_CPURST# – сигнал reset, выдаваемый северным мостом CPU. После завершения последовательности начинается выполнение инструкций BIOS.

Подписывайтесь на канал Яндекс.Дзен и узнавайте первыми о новых материалах, опубликованных на сайте.

Если считаете статью полезной,
не ленитесь ставить лайки и делиться с друзьями.

CORE — Принципы диагностики

Диагностика.

Диагностика неисправности ноутбука это сложная тема и у каждого имеется свой подход к решению данной проблемы. В этой статье мы хотим поделиться своим опытом выявления неисправности материнских плат. Конечно же, полностью разобрать все нюансы и проблемы, возникающие при тестировании плат в одной статье не получится. Поэтому изложим материал в сжатой форме, что бы был понятен принцип диагностики.

Причин неработоспособности ноутбука существует множество. Поэтому рассмотрим самые сложные случаи, при которых стандартные операции, такие как блочная замена комплектующих не помогает и все упирается в неработоспособность материнской платы.

Проблема, из-за которой материнская плата не работает, может скрываться на этапе до или после выполнения инструкций BIOS.

В этой статье мы будем рассматривать проблемы, возникающие до выполнения BIOS.

В качестве примера возьмем ноутбук A6F.

Для того что бы выяснить почему плата не подает признаков жизни, нужно для начала разобраться в схеме распределения питания и последовательности запуска(Power On Sequence).

Последовательность запуска – схематическое отображение процесса запуска платы от момента подачи напряжений на плату до готовности процессора к выполнению задач BIOS.

Весь процесс запуска разбит на 14 этапов, на каждом из которых можно увидеть, что происходит с платой и если плата не стартует, то выполняя проверку шаг за шагом 1-14, можно определить на каком этапе возникла проблема и устранить ее.

Так выглядит последовательность запуска ноутбука A6F.

В качестве вспомогательной схемы используется более детальная схема распределения напряжений, к ней можно обращаться если на каком-то из этапов последовательности возникли проблемы с питанием.

Разберем шаг за шагом последовательность запуска и рассмотрим типичные проблемы на каждом из этапов запуска.

Как видим, весь процесс разбит на 14 этапов, но до выполнения 1го этапа существует еще один не менее важный для диагностики. Он отвечает за подачу входных напряжений на плату. Условно обозначим этот этап «0-1».

0-1 Входные напряжения (напряжения источников питания AD_DOCK_IN и AC_BAT_SYS)

Отсутствие входных напряжений является распространённой проблемой. Происходит это из-за некачественных источников питания или из-за перегрузки, вызванной высоким потреблением любого из компонентов использующих внешнее питание.

Напряжения входа(19В) проходят дистанцию с чекпоинтами и далеко не всегда доходят до финиша. Эту дистанцию можно отобразить в упрощенной блок схеме:

Более подробно участок схемы (Разъем – Pmosfet) выглядит следующим образом:

Если нет напряжения на участке (Разъем– Pmosfet), то необходимо разорвать связь между сигналами AD_DOCK_IN и AC_BAT_SYS и если напряжение со стороны AD_DOCK_IN появилось, то причина неисправности скрывается дальше и надо разбираться с участком (Pmosfet – Нагрузка):

Необходимо исключить вариант короткого замыкания (КЗ) по AC_BAT_SYS (19В). Чаще всего КЗ заканчивается не дальше чем на силовых транзисторах в цепях требующих высокой мощности (питане процессора, видео-карты) или на керамических конденсаторах. В ином случае необходимо проверять все к чему прикасается AC_BAT_SYS.

Как видно по схеме, контроллер MAX8725 управляет транзисторами P3 и P2. Тем самым переключает источники питания БП и Аккумулятор.

P3 отвечает за блок питания, P2 – за аккумулятор. Необходимо проверить работоспособность этих транзисторов.

Разберем принцип работы контроллера:

При отсутствии основного питания, контроллер автоматически закрывает транзистор P3 (управляющий сигнал PDS) тем самым перекрывает доступ блока питания к материнской плате и открывает транзистор P2 (управляющий сигнал PDL). В таком случае плата может работать только от аккумулятора. Если мы подключим блок питания, контроллер должен перекрыть питание от аккумулятора закрывая P2 и открывая P3, обеспечив питание от внешнего блока питания и зарядку аккумулятора.

При диагностике входного напряжения от сети мы не используем аккумулятор и проверяем только сигнал PDS. В нормальном режиме он должен подтягиваться к земле, тем самым открывая P-MOS и пропуская 19В на плату. Если контроллер не правильно управляет транзистором P3, то необходимо проверить запитан ли сам контроллер.

Затем проверяем основные сигналы DCIN, ACIN, ACOK, PDS. Если сигналы отсутствуют, то меняем контроллер и на всякий случай P-mos транзисторы.

Если в процессе диагностики проблем с входными напряжениями небыли обнаружены, или были устранены, но плата все равно не работает, то переходим к следующему этапу.

1-2 Питание embedded контроллера. (EC)

Embedded Contoller – это сложное, комплексное, высокоинтегрированное устройство, предназначеное для управления мобильной платформой (материнской платой ноутбука). Этот контроллер полостью взаимодействует с системой по шине LPC обеспечивая целый ряд функций, такие как контроллер ACPI, контроллер клавиатуры (KBC), внешний flash интерфейс для системного BIOS и EC программы, ШИМ, аналого-цифровой преобразователь, управление оборотами куллеров, PS/2 интерфейс для подключение внешних устройств, RTC и system wake up функции для управления питанием, а так же целый ряд функций, которые сложно сразу перечислить. Посмотрите на блок диаграмму этого устройства.

Эту микросхему часто еще называют SMC (System Management Controller) или MIO(Multi Input Output)

Микросхема уникальна тем, что имеет большое количество General Purpose Input/Output (GPIO) контактов, которые запрограммированы специально для конкретной платформы. Программа управления этим контроллером чаще всего хранится вместе с BIOS или на отдельной FLASH микросхеме.

Возвращаясь к диагностике, смотрим на последовательность запуска, пункт 1. На данном этапе нас интересует напряжение +3VA_EC. Оно и является основным питание EC контроллера и микросхемы BIOS.

Судя по схеме распределения питания, это напряжение формирует линейный стабилизатор MIC5236YM:

Благодаря присутствию сигнала AC_BAT_SYS, с которым мы разобрались ранее, микросхема должна выдать напряжение +3VAO которое с помощью диагностических джамперов преобразуется в +3VA и +3VA_EC.

+3VA и +3VA_EC питают Embedded контроллер и BIOS, при этом запускается основная логика платы, которая отрабатывается внутри EC контроллера. Если нет этих напряжений, то разбираемся почему.

Причины отсутствия +3VA и +3VA_EC:

1) Короткое замыкание внутри компонентов (ЕС, BIOS и т.д.), которые запитаны от этих напряжений.

2) Повреждение линейного стабилизатора или его обвязки.

Разобравшись с +3VA и +3VA_EC, переходим к следующему этапу.

3 Дежурные напряжения (+3VSUS, +5VSUS, +12VSUS).

Как видно на схеме, нас интересуют напряжения, отмеченные на схеме зеленым цветом +5VO, +5VSUS, +3VO, +3VSUS.

Для того, что бы эти напряжения появились на плате необходимо что бы микросхема была запитана 19В (AC_BAT_SYS) и на входы 9, 10 приходили разрешающие сигналы ENBL1, и ENBL2.

Разрешающие сигналы на платформе A6F формируются из сигналов FORCE_OFF# и VSUS_ON.

В первую очередь нужно обратить внимание на VSUS_ON который выдается EC контроллером, а сигнал FORCE_OFF# рассмотрим позже.

Отсутствие сигнала VSUS_ON говорит о том, что либо повреждена прошивка (хранящаяся в BIOS), либо сам EC контроллер.

Если же напряжение ENBL присутствует на плате и TPS51020 запитан, то значит TPS51020 должен формировать +5VO, +5VSUS, +3VO, +3VSUS. Проверяем их мильтиметром на соответствующих контрольных точках.

Если напряжения +5VO, +3VO не формируются, проверяем эти линии на КЗ или заниженное сопротивление.

Если обнаружено КЗ, разрываем цепь и выясняем, каким компонентом оно вызвано.

4 Сигнал VSUS_GD#

На этом этапе контроллер дежурных напряжений сообщает EC контроллеру о том, что дежурные питания в норме.

Проблем быть не должно, разве что промежуточный транзистор между EC и TPS51020, вышел из строя.

5 Сигнал RSMRST#

RSMRST# – A resume and reset signal output . На этом этапе EC контроллер выдает сигнал готовности системы к включению. Этот сигнал непосредственно проходит между EC и южным мостом. Если он отсутствует, то причиной тому может быть как сам контроллер, южный мост, так и прошивка EC.

Проще всего сначала прошить BIOS, где хранится прошивка EC.

Если результата нет, отпаиваем и поднимаем соответствующую сигналу RSMRST# 105 ножку EC, и проверяем выход сигнала на EC контроллера. Если сигнал все равно не выходит, то меняем контроллер.

Если сигнал выходит, но до южного моста не доходит, то проверяем южный мост и часовой кварц, в худшем случае надо будет менять сам южный мост.

6 Кнопка включения (сигнал PWRSW#_EC)

7 Сигнал включения (сигнал PM_PWRBTN#)

После того как сигнал от кнопки включения попадает на EC, EC в свою очередь передает этот сигнал в виде PM_PWRBTN# на южный мост.

Если южный мост его успешно принял, то следующим этапом является выдача ответа в виде двух сигналов PM_SUSC#, PM_SUSB#, которые в свою очередь являются разрешением южного моста EC контроллеру включать основные напряжения платы.

Если южный мост никак не реагирует на сигнал PM_PWRBTN#, то проблема скрывается в нем.

8-9 Основные напряжения

Как уже было сказано ранее, EC контроллер обрабатывает ACPI-события.

Но каким образом? В предыдущем пункте было сказано, что южный мост отправляет на EC два сигнала PM_SUSC#, PM_SUSB#. Эти сигналы еще называют SLP_S3# и SLP_S4#, это отмечено красным блоком на след схеме:

Рассмотрим более подробно ACPI состояния:

A.C.P.I.

– S0–Working Status

– S1–POS(Power on Suspend)

– S3–STR(Suspend to RAM), Memory Working

– S4–STD(Suspend to Disk), H.D.D. Working

– S5–Soft Off

Так вот, состояние этих сигналов отвечает за ACPI состояние питания на материнской плате:

SUSC_EC#, отвечает за напряжения: +1.8V, +1.5V, +2.5V, +3V, +5V, +1V;

SUSB_EC#, отвечает за напряжения: +0.9VS, +1.5VS, +2.5VS, +3VS, +5VS, +12VS

СигналыSUSC_EC#, SUSB_EC#, поступают как на ENABLE отдельных импульсных систем питания (например 1.8V DUAL – питание памяти), так и на целые каскады напряжений преобразовывая уже существующие ранее дежурные напряжения в основные:

10 Питание процессора

11 Включение тактового генератора

12 Завершающий сигнал готовности питания (PWROK).

13 PLT_RST#, H_PWRGD

PLT_RST# – сигнал reset для северного моста, H_PWRGD сообщает процессору о том, что питание северного моста в норме.

Если возникли проблемы с этими сигналами, то проверяем работоспособность северного и южного моста.

Проверка мостов это тема, заслуживающая отдельной статьи. Но в вкратце можно сказать, что необходимо проверять сопротивления по всем линиям питания этих мостов, и при отклонении от нормы мосты нужно менять. Так же обычная диодная прозвонка сигнальных линий может определить неисправный мост, но из-за того что эти сложные микросхемы припаяны по технологии BGA, добраться до выводов практически невозможно. Эти выводы не всегда приходят на элементы, которые легко достать щупом тестера. Поэтому, существует более удобный способ добраться до выводов, это вспомогательные диагностические платы, которые вставляются в разъемы, идущие прямо к выводам мостов. Например, диагностическая плата для проверки северного моста и каналов памяти:

Или плата для проверки связи процессора с северным мостом:

14 Завершающий этап последовательности запуска

H_CPURST# – сигнал reset, выдаваемый северным мостом CPU.

После завершения последовательности начинается выполнение инструкций BIOS.

Профиль в Google+

Фазы питания процессора – что это. Разъяснение сути и терминологии

Когда речь заходит о материнских платах, разговор практически никогда не обходится без того, сколько фаз питания процессора применено в той или иной модели. Этот параметр не часто указывается в спецификациях на материнскую плату, но непременно фигурирует в обзорах той или иной модели, да и на многочисленных форумах и обсуждениях системных плат и/или чипсетов о питании CPU речь заходит всегда. Иногда упоминание о количестве фаз присутствует в рекламных материалах или на коробке материнской платы. Фазы питания процессора – что это, что они делают, для чего нужны и сколько их вообще надо? Давайте разбираться.

Что такое фазы питания

Чтобы знать, о чем собственно речь, давайте обратимся к фотографии материнской платы, вернее, к части ее, расположенной возле процессорного сокета. Вот типичная картина того, что можно увидеть на любой плате.

Что-то похожее вы сможете найти и на своей. Разница будет только в количестве компонентов, окружающих сокет.

Если рассматривать устройство каждой фазы питания, то можно выделить несколько блоков по своему назначению.

Все обозначения постепенно станут понятны.

Итак, что это такое? Современные блоки питания (БП) выдают напряжения ±12 В, ±5 В и ± 3.3 В. Однако современным процессорам необходимо гораздо меньше – порядка одного вольта, отклоняясь в ту или иную сторону в зависимости от нагрузки. При этом, если посмотреть на спецификации CPU, мы найдем такой параметр, как «Расчетная мощность» (он же TDP – расчетная тепловая мощность). В данном случае это величина, относящаяся к системе охлаждения, которая должна справляться с такой тепловой мощностью. Данное значение не эквивалентно энергопотреблению процессора, тем более оно меняется в зависимости от нагрузки и нагрева, но весьма близко к нему.

Так, если обратиться к спецификации CPU Intel Core i7-7700, то расчетная мощность составляет 65 Вт. В нашем случае не столь важно, сколько точно потребляет данный процессор. Просто предположим, что его энергопотребление и составляет 65 Вт.

Значит, система питания CPU должна обеспечить подвод такой мощности. Т. к. готового напряжения от блока питания мы не получаем, значит, придется подготовить нужное его значение. Для этого и служит система питания CPU.

Устройство и принцип действия

В качестве исходного напряжения берется +12 В, которое поступает непосредственно от используемого БП. Теперь надо выполнить преобразование, понизив напряжение до нужного значения. Этим занимается VRM (Voltage Regulation Module — модуль регулирования напряжения).

Сам VRM состоит из нескольких частей, это:

PWM-контроллер (ШИМ-контроллер).
Драйвер.
MOSFET-транзисторы.
Дроссель (индуктивность).
Конденсатор.

Сейчас часто драйвер и пара MOSFET-транзисторов объединены в один корпус, а не являются дискретными элементами. Сути дела это не меняет. В одном корпусе или в разных – все это перечень компонентов, составляющих фазу питания CPU.

Основным управляющим элементом выступает PWM-контроллер. (Напомню, что аббревиатура PWM расшифровывается как широтно-импульсная модуляция – ШИМ). Он генерирует прямоугольные импульсы с установленной частотой, амплитудой и скважностью. Они подаются на электронный ключ (драйвер).

Скважность импульса определяет уровень выходного напряжения, которая вычисляется как отношение периода к длительности импульса. Таким образом, этот электронный ключ постоянно подключает/отключает входное напряжение, равное +12 В, к этому напряжению подключена нагрузка.

Сам электронный ключ состоит из пары MOSFET-транзисторов (n-канальные полевые МОП-транзисторы) под управлением драйвера. Эти транзисторы попеременно открываются-закрываются таким образом, что при открытии одного второй закрыт. Один из транзисторов своим стоком подключен к шине питания 12 В, второй – истоком к общему проводу. Сигнал от PWM-контроллера поступает на затворы, открывая и закрывая их в соответствии с частотой подаваемых сигналов.

Полученный модулированный сигнал с амплитудой 12 В поступает в LC-фильтр, т. е. через последовательно включенный дроссель (индуктивность) и параллельно подключенный конденсатор, что является нагрузкой. Возникающая ЭДС индукции не позволяет току возрастать мгновенно. В это же время происходит и заряд конденсатора. После закрытия электронного ключа та же ЭДС обеспечивает прежнее направление тока и не допускает резкого его снижения, помогает и разряжающийся конденсатор.

Чтобы не вдаваться в подробности, скажу так: в конечном итоге из импульсного сигнала выделяется постоянная составляющая, и на выходе со сглаживающего LC-фильтра получаем постоянное напряжение нужного значения. Правда, выходное напряжение будет содержать некоторый уровень пульсаций относительно среднего значения.

Для минимизирования пульсаций используют несколько таких цепей, т. е. фаз питания, которые работают таким образом, что подаваемые от PWM-контроллера импульсы в каждую фазу смещены друг относительно друга. Величина этого смещения зависит от количества используемых фаз. Т. е. смещение вычисляется как отношение периода переключения MOSFET-транзисторов к количеству фаз.

Тем самым выходной сигнал с каждого сглаживающего фильтра также смещен по отношению к другому. Также смещены будут и пульсации выходного напряжения. Результирующее напряжение будет иметь уже гораздо меньший уровень пульсаций. И это одно из преимуществ именно многофазных цепей питания – получение более стабильного уровня подаваемого на процессор напряжения.

Регулирование выходного напряжения

Современные процессоры требуют разного напряжения питания в процессе работы. Зависит это от нагрузки, и не забудем про разгон, при котором также необходимо изменять напряжение, в данном случае повышать его. Каким образом происходит автоматическая регуляция?

PWM-контроллер получает требуемое значение напряжения, считывая специальный 8-битный сигнал VID (Voltage Identifier), который может задавать до 256 уровней напряжения.

Зная требуемое значение, остается его сравнить с тем, которое подается в нагрузку. Для этого существует цепь обратной связи. Сравнение референсного напряжения и того, которое считано с нагрузки, позволяет определить, требуется ли изменить его уровень. Делается это изменением скважности PWM-импульсов. Таким образом поддерживается оптимальное напряжение питания процессора.

Почему нельзя обойтись одной фазой

Одну из причин я уже назвал – сглаживание пульсаций выходного напряжения. Есть и еще как минимум одна причина – мощность. Используемые MOSFET-транзисторы, конденсаторы, дроссели имеют предел по максимальному току. Если взять для примера CPU, потребляющий 65 Вт при питающем напряжении в 1 В, ток будет исчисляться несколькими десятками ампер.

Так, используемые элементы могут быть рассчитаны на ток до 30, 40 или более ампер, но, скорее всего, это все равно будет меньше максимального потребления электроэнергии процессором. При этом должна быть возможность установки другого CPU, у которого потребление может оказаться больше, например, 95 Вт.

Для того, чтобы гарантированно обеспечить запас мощности, и используют несколько фаз. Тем самым заодно снижается нагрузка на каждую из них и, соответственно, их нагрев. Это дает возможность использовать большое количество процессоров.

Сколько фаз действительно необходимо? Скажем так, от 4 до 8 в зависимости от процессора и при отсутствии разгона. Этого более чем достаточно. Впрочем, большее их количество не так уж и плохо, особенно при использовании мощных «камней», да еще с разгоном. В разумных пределах, конечно.

Чем отличаются верхний и нижний транзисторы

Тут надо прояснить один момент. Нередко можно встретить разные конфигурации цепей VRM. Например, у MSI Z490-A Pro используется по одному транзистору OnSemi 4C029N в верхнем плече и 4C024N в нижнем. У первого максимальный ток равен 46 А, у нижнего – 78 А.

У Gigabyte X570 GAMING X конфигурация несколько иная – верхний транзистор один, ONSemi 4C10N (макс. ток до 40 А), а нижних сразу два, ONSemi 4C06N (макс. ток до 69 А каждый). В последнем случае используется схема 1h3L, т. е один верхний (high) транзистор и два нижних (low).

Зачем такой разброд и шатания? Здесь надо обратить внимание на условия работы этих транзисторов. У верхнего на входе 12 В, а на выходе около 1 В. При заданной мощности ток не особо велик, и составляет, предположим, несколько ампер, ну пусть даже десяток-другой в особо сложных случаях.

А что нижний транзистор? Его диапазон напряжений работы от 1 (примерно) вольта до нуля. При той же мощности токи, которые он должен выдерживать, гораздо выше. Потому и ставят более мощный силовой элемент, или даже пару.

Кстати, если посмотреть на схему силовой сборки, в которую заключены все силовые MOSFET вместе с драйвером, то элемент нижнего плеча изображается более крупным. Теперь понятно почему.

Может быть и такая ситуация, когда для цепей питания ядер процессоров используют схему 1h3L (один верхний транзистор и два нижних), а для питания SoC, графического чипа, используется более простая схема 1h2L, т. е. по одному транзистору в каждом плече.

В случае использования сборок, для ядер может использоваться одна модель силовых элементов, а для SoC другая. Например, на платы ASRock B550 Extreme4 установлены двенадцать Vishay SIC654 и пара Vishay SIC632. Хотя по максимальному току сборки одинаковые, все же сам элемент SIC632 несколько проще.

Встроенная графика не слишком обременительна в плане энергопотребления и до значений в десятки ампер тут дело обычно не доходит. Посему можно использовать меньшее количество элементов или более простые.

Кстати, дискретные элементы в цепях питания процессора используются в моделях материнских плат нижнего ценового диапазона. В материки среднего класса и в топовые модели ставят силовые сборки.

Всегда ли фаза действительно фаза

Маркетинг играет большую роль в нашей жизни. Смартфон с камерой на 16 мегапикселей априори считается лучше такого же, но с камерой «всего лишь» на 13 мегапикселей. Ну а если используется 23 мегапикселя – то это уже вообще круть!

Аналогично и с материнскими платами. В описаниях, спецификациях или рекламных материалах на ту или иную модель можно найти гордое упоминание о системе питания, использующей -дцать фаз. А у конкурента схожая по функционалу плата вполне может имеет -дцать и еще 4 фазы. Чтобы не ходить далеко за примером, возьмем плату ASRock X370 Taichi под новехонькие Ryzen. Если обратиться к сайту производителя, то в спецификациях видим упоминание, что используется 16-фазная система питания.

А ведь используемый PWM-контроллер IR35201 – восьмифазный. Получается, производитель платы врет? Нет, ну может, немного лукавит. Дело в том, что дросселей, конденсаторов, электронных ключей и проч. действительно 16. Тонкость в том, что используются устройства, называемые делителями (doublers).

Суть работы этих элементов следует из названия – разделить, распределить сигналы от одного канала PWM-контроллера на две цепочки «драйвер-ключ-фильтр». На выходе очень похоже на две фазы, только управляются они одним сигналом, работают синфазно, никакого смещения между ними для сглаживания пульсаций нет. Тогда зачем они?

Ответ – мощность. Данная плата гарантирует поддержку процессоров с потреблением до 300 Вт! Распределяя нагрузку по такому количеству фаз, удается снизить проходящий через каждую из них ток и, как результат, уменьшить нагрев силовых элементов. Впрочем, если используется действительно мощный CPU, да еще и с разгоном, то для охлаждения просто необходим радиатор. Лучше бы даже с обдувом.

В итоге, на самом деле это не 16-фазная система питания, а 8-фазная по 2 канала в каждой. Кстати, используемые на упомянутой материнской плате дроссели рассчитаны на ток до 60 А.

Думаю, все сказанное хорошо проиллюстрирует следующая картинка.

Возможен вариант без использования делителей. В таком случае ставится несколько PWM-контроллеров, которые работают синхронно. Если использовать уже упомянутый восьмифазный IR35201, установив 2 таких на плату, то вполне можно получить на выходе 16 фаз. Почти честных фаз, т. к. временнОго сдвига по всем фазам не будет.

По одной фазе от каждого PWM-контроллера будет работать синхронно, т. е. получим 8 пар (при условии, что используются 2 PWM-контроллера) фаз без временного смещения управляющего сигнала. Строго говоря, сглаживание будет такое же, как и при использовании 8 фаз, но вот мощность будет существенно выше.

А ведь можно найти платы, в которых и по 24 фазы…

Заключение. Фазы питания процессора – что это

«Режим питания нарушать нельзя», говорил один мультяшный персонаж. И это питание должно быть не только качественным, но и подаваться без сбоев. Причем в переложении на компьютерный мир необходимо учитывать изменяющиеся условия, при которых не только потребление процессора изменяется при разных ситуациях, но и он сам может быть заменен более прожорливым.

Система питания CPU, содержащая n-ое количество фаз, обеспечивает надежную его работу. Кстати, все сказанное верно и для видеокарт. Электропитание GPU осуществляется аналогично. А то, что производители стараются запихнуть на свои материнские платы, особенно дорогие, побольше этих фаз… С этим придется смириться. Вряд ли есть реальная необходимость в 24-х фазах, но покупатель всегда ведь ведется на красивые слова и любит большие цифры, конечно, если только это не ценник.

Источник дежурного напряжения. Схемы. Принцип работы.

Материал из ROM.by.

Напряжение +5VSB, вырабатываемое этим источником, поступает на разъём блока питания для материнской платы (фиолетовый провод, 9-й контакт 20-ти контактного разъема ATX). Используется для питания материнской платы, USB (не всегда), а также для питания всей остальной начинки БП. Существуют различные способы реализации данного узла БП: на дискретных элементах или интегральных микросхемах.

РАССМОТРИМ РАЗЛИЧНЫЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ДЕЖУРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ:

БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОР

Источник дежурного напряжения чаще всего выполняется в виде однотактного импульсного преобразователя по известной схеме блокинг-генератора. Основой данного способа реализации источника является усилитель с положительной обратной связью.

Пример 1

На рис. 1, в качестве примера, представлена схема источника дежурного напряжения БП MaxUs PM-230W. Питается данный источник через токоограничительный резистор R45 от 310 вольт, прямо с диодного моста. Имеет свой, импульсный трансформатор Т3 с четырьмя обмотками:

две первичные: основная и вспомогательная обмотка (для обратной связи).
две вторичные: с первой снимается напряжение от 15 до 20 вольт для питания начинки БП, а со второй – напряжение для выхода +5VSB.

Напряжением первой вторичной обмотки запитывается ШИМ-контроллер TL494 (через резистор небольшого номинала – около 22Ω). Со второй запитана материнская плата, мышь, USB. После подачи на базу транзистора Q5 начального смещения при помощи резистора R48, благодаря цепочке положительной обратной связи на элементах R51 и C28, схема переходит в автоколебательный режим. В данной схеме частота работы преобразователя определяется, в основном, параметрами трансформатора T3, конденсатора C28 и резистора начального смещения R48. Для контроля уровня выходного напряжения есть цепь отрицательной обратной связи. Если отрицательное напряжение со вспомогательной обмотки Т3 после выпрямителя на элементах D29 и С27 превышает напряжение стабилизации стабилитрона ZD1(16V), оно подается на базу транзистора Q5, тем самым запрещая работу преобразователя. Резистор R56 номиналом 0.5Ω в эмиттерной цепи Q5 является датчиком тока. Если ток, протекающий через транзистор Q5, превышает допустимый, то напряжение, поступающее через резистор R54 на базу Q9, открывает его, тем самым закрывая Q5. Цепь R47, С29 служит для защиты Q5 от выбросов напряжения.

Рис. 1 – схема источника дежурного напряжения БП MaxUs PM-230W.

Выходное напряжение источника +5VSB формируется интегральным стабилизатором U2(PJ7805, LM7805). С одной из вторичных обмоток Т3 напряжение в 10V после выпрямителя на D31 и фильтра на С31 поступает на вход интегрального стабилизатора U2. Напряжение с другой вторичной обмотки Т3 после выпрямления D32 и фильтрации C13 питает ШИМ-контроллер (TL494).

Пример 2

Существует еще один вариант реализации данного источника, но уже на одном транзисторе. В качестве примера на рис. 2 представлена схема источника дежурного напряжения БП Codegen (шасси: CG-07А, CG-11).

Рис. 2 – схема источника дежурного напряжения БП Codegen (шасси: CG-07А, CG-11).

В данной схеме отсутствует второй транзистор и резистор датчика тока. Другие номиналы элементов: резистора начального смещения (R81), цепи обратной связи (R82, C15). Цепь отрицательной обратной связи работает так же, как в предыдущей схеме. Если отрицательное напряжение со вспомогательной обмотки Т3 после выпрямителя на элементах D6, С12 превышает напряжение стабилизации стабилитрона ZD27(6V), оно подается на базу транзистора Q16, тем самым запрещая работу преобразователя. Выходные цепи реализованны так же, как и в предыдущей схеме.

Пример 3

На рисунке 3 представлена схема источника дежурного напряжения БП IW-ISP300A3-1. Отметим, что данная схема имеет весьма сильное сходство со схемой дежурного режима БП IW-P300A2-0, за исключением некоторых мелочей. Таким образом, все сказанное ниже будет в большенстве своем справедливо для обоих схем. Итак, мы имеем силовой ключ Q10 и каскад обратной связи собранный на Q9, U4, а так же использующий ресурсы ШИМ SG6105D (встоенный управляемый прецизионный шунт TL431).

Рис. 3 – схема источника дежурного напряжения БП IW-ISP300A3-1.

Принцип работы:

Резисторы R47 и R48 подают начальное смещение на Q10, запуская схему в автоколебательный режим работы. При этом, во избежании пробоя Q10, фиксируется максимальное напряжение на его затворе, при помощи стабилитрона D23(18В). Данная схема имеет отрицательную обратную связь по току. Максимальный ток через силовой транзистор Q10 ограничивают токовые резисторы R62 и R62A. Напряжение с этих резисторов через R60 подается на базу Q9 и по достижению максимального тока Q9 открывается, тем самым закрывая Q10 и останавливая дальнейший рост тока. Отрицательная обратная связь по напряжению реализована следующим образом: Во время работы напряжение, формируемое дополнительной обмоткой Т3, выпрямляется D22 и фильтруется С34. При увеличении выходного напряжения свыше 5В на 13 ножке U3 достигается напряжение срабатывания встроенной TL431(2,5В), формируемое делителем на элементах R58 и R59. Происходит шунтирование катода диода оптопары U4 на землю и через него начинает протикать ток по цепи +5VSB, диод U4, R56, TL431. Транзистор оптопары открывается, шунтируя напряжение обратной связи (сформированное на С34) на базу транзистора Q9. Транзистор открывается, закрывая Q10 и запрещая генерацию.

Следует отметить, что с целью максимально понизить себестоимость БП (это относится ко всем схемам БП, но в большей степени ко второй), фирмы-производители часто устанавливают в источнике дежурного напряжения малогабаритные компоненты, работающие на пределе, а зачастую – и с превышением своих электрических характеристик. В связи с этим, после непродолжительного времени работы эти элементы выходят из строя.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Источник дежурного напряжения также может быть реализован на различных микросхемах. Рассмотрим несколько примеров релизации:

Пример 1 – TOPSwitch

На рисунке 4 представлена схема дежурного источника питания, в основе которой лежит ИМС компании Power Integrations, Inc. – так называемый TOPSwitch. Это первое поколение данных ИМС.

Микросхема имеет на борту следующие узлы:

Высоковольтный N-канальный КМОП-транзистор с открытым стоком;
Драйвер управления этим транзистором;
ШИМ-контроллер с внутренним генератором на 100кГц;
Высоковольтная цепь начального смещения;
Усилитель ошибки/регулируемый шунт;
различные цепи защиты.

Рис. 4 – Схема источника дежурного напряжения БП Delta Electronics DPS-260-2A.

По сути, это преобразователь, имеющий собственные цепи запуска и линейную зависимость скважности выходных импульсов от входного тока обратной связи.

Напряжение на ножке CONTROL является питающим либо заданием с цепей обратной связи. Разделение сигнала обратной связи от цепей контроля питанием происходит с использованием внутренних цепей ИМС и внешнего конденсатора С51, стоящего непосредственно возле ИМС.

В начальный момент времени внутренний высоковольтный источник тока коммутируется между ножками CONTROL и DRAIN. Питая ИМС, он также через R51 заряжает внешний конденсатор C51. При достижении напряжения 5.7V на конденсаторе, источник тока отключается, активируя ШИМ и схему управления силовым ключем. ШИМ-контроллер запускается в работу с минимальной скважностью выходных импульсов. Происходит разряд С51. В процессе разряда происходит увеличение скважности выходных импульсов и, соответственно, выходного напряжения. С дополнительной обмотки Т2 приходит напряжение ООС (отрицательной обратной связи). Минуя выпрямитель и фильтр на элементах D50 и С50, оно подается на стабилитрон ZD3. ООС реализованна таким образом, что в момент, когда выходное напряжение превышает допустимое, напряжение ООС достигает напряжения пробоя ZD3 и происходит заряд С51 по цепи D50-ZD3-D10-C51. Впоследствии происходит снижение скважности и выходного напряжения на вторичных обмотках.

Пример 2 – ICE2A0565Z

На рисунке 5 изображена схема дежурного источника на базе ИМС ICE2A0565Z. ICE2A0565Z – это второе поколение ИМС серии CoolSET компании Infineon Technologies AG. Данная микросхема имеет следующие характеристики:

650(В) силовой транзистор с открытым стоком
Частота преобразователя 100(кГц)
Скважность до 72%
Защита от перегрева с автоматическим перезапуском
Защита от перегрузки и обрыва обратной связи
Защита от превышения напряжения
Регулируемый режим мягкого запуска
Регулирование пиковых значений тока внешним резистором

Диапазон питания данной ИМС от 8,5 до 21(В). Питается микросхема параметрическим стабилизатором на элементах: R52, R60, C7, C32, ZD2 (14V). Когда напряжение питания (Vcc) достигает порога в 13,5(В), происходит запуск внутренней цепи смещения и узла управления питанием (далее УУП). После этого УУП генерирует напряжение 6,5(В) для питания внутренних цепей, а так же все необходимые опорные напряжения. Разрешение на запуск ШИМ дают несколько узлов ИМС:

Узел защиты
Узел мягкого запуска
Узел ограничения тока
Узел режима тока

Рис. 5 – Схема источника дежурного напряжения БП Power Man IP-P350AJ2-0.

Первые три, так или иначе являются схемами защиты, а последний является основным регулировочным узлом ИМС. К нему и подводятся сигналы обратной связи (ОС) по напряжению и току. Резистор R73 установленный на ножке Isense задает максимальный ток для силового ключа. Снимаемое с него напряжение является заданием для регулирования выходного напряжения, а также для узла токовой защиты.

ПРИНЦИП РЕГУЛИРОВАНИЯ.

Во время работы напряжение с резистора R73 является функцией тока, текущего через силовой транзистор. Данное напряжение поступает на схему гашения переднего фронта в течении 220 нс. Это делается для исключения влияния выбросов тока на точность регулирования. Далее из этого напряжения формируется пилообразное напряжение, амплитуда которого прямо пропорциональна величине входного напряжения с R73, и подается на неинвертирующий вход компаратора ШИМ. С входа FB(2 нога) на инвертирующий вход компаратора ШИМ подается сигнал обратной связи по напряжению. Далее, сравнивая оба этих напряжения, этим компаратором осуществляется принцип вертикального регулирования ШИМ. Обратная связь формируется U5(TL431) и PC3(817). Резистивным делителем R57, R70 формируется напряжение для управляющего контакта U5. При увеличении этого напряжения выше 2,5(В) происходит замыкание катода диода оптопары PC3 на землю. Через него начинает протекать ток по цепи: D17, R53, PC3. Транзистор оптопары открывается и через него начинает течь ток по цепи: Rfb(внутренний резистор подтяжки к Uпит(6,5В)), R74, PC3. Напряжение на второй ноге ИМС уменьшается, уменьшая тем самым скважность выходных импульсов и, соответственно, выходное напряжение. При понижении выходного напряжения величина напряжения ОС на второй ноге ИМС растет, тем самым, увеличивая скважность и стремясь поддержать выходное напряжение на заданном уровне. При увеличении нагрузки в выходной цепи происходит и соответствующее ей изменение тока в первичной цепи. Повышается величина напряжения, снимаемого с резистора R73. Это в свою очередь приводит к увеличению амплитуды пилы на компараторе ШИМ и увеличению скважности выходных импульсов.

ПОДРОБНЕЕ О ЗАЩИТАХ ИМС.

Токовая защита.

При превышении напряжения ОС по току величины равной Vcsth(1В) происходит незамедлительное отключение силового ключа.

Напряжение питания.

ИМС начинает работу при достижении порога в 13,5(В) и выключается при понижении менее чем до 8,5(В). При резком скачке напряжения питания (включение) до порога в 16,5(В) срабатывает защита от перенапряжения с последующим отключением работы ИМС.

Обратная связь.

При превышении сигнала ОС по напряжению уровня в 4,8(В) происходит закрытие схемы управления силового ключа и прекращение генерации. Обрыв ОС приводит к тем же последствиям в течение 5мкс.

Блоки питания электронных устройств – устройство и принцип работы основных схем

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения.

Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств.

Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В.

Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме.

Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию.

Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм.

Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц.

Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток.

Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Пример миниатюрных импульсных БП

Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

частотно-импульсным;
фазо-импульсным;
широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя.

Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

различные виды зарядных устройств;
Зарядки и внешние БП
внешние блоки питания;
электронный балласт для осветительных приборов;
БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
Транзистор VT1 – KT872A.
Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1

Реальная практика ремонта электроники

Один из самых важных блоков персонального компьютера — это, конечно, импульсный блок питания.

Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции.

Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 – 60 герц. Импортные блоки на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).
Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.
Узел управления. Является «мозгом» блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).
Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).
Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

Как говорится: «No comment «.

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 («230/115»). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110…127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220…230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост. При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180…220 вольт.

Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит.

При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов «моста» (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще).

Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!

Главная » Мастерская » Текущая страница

Импульсные блоки питания

Электрика »
Электроснабжение »
Источники питания »
Блоки питания »
Импульсные

ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРИМЕНЕНИЕ

Блок питания — это устройство, преобразующее сетевое напряжения до уровня, необходимого для работы электрических схем различных приборов. Вторичные источники электропитания часто используются для бытовой техники и промышленных установок, содержащих электронику.

Изначально источники вторичного напряжения строились по схеме, которую принято называть трансформаторной. Принцип её работы состоит в трансформации сетевого напряжения до необходимого уровня с последующим его выпрямлением и стабилизацией.

Типовая схема традиционного источника электропитания состоит из следующих элементов:

силовой понижающий трансформатор, содержащий одну или несколько вторичных обмоток, в зависимости от потребностей питаемой схемы; выпрямительный блок, как правило, выполняется по схеме диодного моста;
конденсатор фильтра, включенный между положительным и отрицательным выводами моста и необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, иногда для улучшения параметров фильтра, в схему добавляется дроссель;
стабилизатор выходного напряжения, построенный на основе специализированной микросхемы или содержащий ключевой транзистор и небольшую схему управления.

Эти схемы надёжны в работе, не создают высокочастотных помех, обеспечивают гальваническую развязку между первичными и вторичными цепями. Тем не менее есть ряд причин по которым они уступают блокам питания импульсного типа.

Трансформаторы, преобразующие напряжение с частотой 50 герц, отличаются относительно большими габаритами и весом. Это свойство трансформаторных источников электропитания вступило в противоречие с общими принципами миниатюризации бытовых и промышленных электроприборов.

Проблему удалось решить путём создания импульсных или инверторных блоков. Такие параметры трансформатора, как сечение магнитопровода, количество витков обмотки и сечение провода, существенно уменьшаются с увеличением частоты преобразуемого напряжения.

Это также относится к ёмкости, следовательно, и к габаритам фильтрующих конденсаторов. Этот базовый принцип электротехники был послужил основой при создании вторичных источников питания нового типа.

Как работает импульсный блок питания

Принцип работы импульсного блока питания заключается в ряде последовательных преобразований питающего напряжения:

выпрямление входного напряжения;
инвертирование, то есть, генерация сигнала с частотой от десятков до сотен килогерц;
трансформация высокочастотных импульсов до требуемого уровня;
выпрямление и фильтрация полученного напряжения.

Цепочка преобразований в описании принципа работы импульсного блока питания выглядит достаточно громоздкой и даже лишённой смысла. Однако нужно учесть что в данной схеме преобразуется напряжение, частота которого в отдельных моделях составляет 200 кГц (а не 50 Гц, как в трансформаторных источниках питания).

Трансформаторы, которые работают на высоких частотах, называют импульсными. Обычно они используют магнитопровод тороидальной формы (в виде бублика) небольшого размера. Это позволило уменьшить вес и габариты блока той же мощности более чем на порядок.

Тор обычно изготавливается штамповкой из пермаллоя — сплава, состоящего из железа и никеля, магнитопровод же низкочастотного трансформатора набирается из тонких пластин электротехнической стали.

Принцип инверторного преобразования дает возможность создать сверхминиатюрные аппараты электродуговой сварки, работа которых возможна от обычной бытовой розетки, способные сваривать металл до 10 мм толщиной, легко переносимые в небольшой сумке с плечевым ремнём.

Базовые принципы, на которых основано устройство импульсного блока питания не новы, всё находится в рамках давно устоявшихся представлений об электричестве. Что же мешало создать их раньше? Причина в технологии.

Главными электронными компонентами инверторного преобразователя импульсного блока являются элементы схемы, способные работать с высокими частотой и напряжением и большими токовыми нагрузками.

Раньше, компонентов, отвечающих этим требованиям, просто не существовало. Настоящий прорыв в развитии и распространении инверторных технологий произошёл после того, как мировым производителям электроники удалось наладить массовое производство мощных IGBT – транзисторов, а также полевых транзисторов по технологии MOSFET.

Они отличаются очень малым значением тока управления, что обеспечивает высокий КПД блока.

Кроме мощных транзисторных ключей, инвертор содержит времязадающие цепочки, генерирующие высокочастотные сигналы управления транзисторами.

Применение в этом качестве цифровых микросхем ШИМ – контроллеров позволяет ещё более миниатюризировать электронную часть. Контроллер широтно импульсного модулирования формирует прямоугольные периодические импульсы. В целом схемотехнически импульсные блоки питания относительно просты.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счёт обратной связи этого параметра с задающими цепями ШИМ – контроллера. Принцип работы обратной связи — при отклонении уровня контролируемого параметра на выходе от номинального значения происходит изменение скважности импульсов, формируемых контроллером.

Скважностью импульсов называется безразмерная величина, равная отношению периода чередования этих импульсов к их длительности. Таким образом, скважность изменяется от 0 до 1.

Увеличение уровня выходного напряжения вызывает снижение скважности и наоборот, то есть, имеет место отрицательная обратная связь. Скважность, задаваемая контроллером, определяет режим работы ключевых транзисторов. Чем выше значение скважности, тем большую часть периода транзистор открыт, и тем больше среднее значение напряжение за период.

Описанный принцип стабилизации обеспечивает работу блока питания в очень широком диапазоне изменения питающего напряжения. Резюмируя сказанное, преимущества импульсных блоков питания таковы:

малые габариты и вес по сравнению с трансформаторными источниками питания;
схемотехническая простота, обусловленная применением интегральных электронных компонентов;
возможность работы в широком диапазоне изменения значений входного напряжения.

Применение импульсных блоков

Источники вторичного напряжения инверторного типа используются повсеместно, как в быту, так и в промышленной технике. Перечень устройств и бытовых приборов, в которых реализована схема электропитания, работающая по принципу инверторного преобразователя:

все виды компьютерной техники;
телевизионная и звуковоспроизводящая аппаратура;
пылесосы, стиральные машины, кухонная техника;
источники бесперебойного электроснабжения различного назначения;
системы видеонаблюдения, комплексы охранной сигнализации.

Исполнение инверторных источников зависит от условий эксплуатации и назначения. Блоки питания, встроенные в электроприбор, выполняются бескорпусными. Они могут располагаться внутри основного изделия на отдельной плате, или быть интегрированы в общую плату электроприбора.

Существуют источники электропитания для автономного применения, к ним могут подключаться различные потребители. Примером могут служить зарядные устройства, источники электропитания систем видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации. Такие блоки питания размещаются в отдельном корпусе и комплектуются штекерами и проводами для подключения.

* * *

Блоки питания для ПК: принципы работы и основные узлы

Современные блоки питания для ПК являются довольно сложными устройствами. При покупке компьютера мало кто обращает внимание на марку предустановленного в системе БП.

Впоследствии некачественное или недостаточное питание может вызвать ошибки в программной среде, стать причиной потери данных на носителях и даже привести к выходу из строя электроники ПК.

Понимание хотя бы базовых основ и принципов функционирования блоков питания, а также умение определить качественное изделие позволит избежать различных проблем и поможет обеспечить долговременную и бесперебойную работу любого компьютера.

Структура типичного блока питания

Компьютерный блок питания состоит из нескольких основных узлов. Детальная схема устройства представлена на рисунке. При включении сетевое переменное напряжение подается на входной фильтр [1], в котором сглаживаются и подавляются пульсации и помехи. В дешевых блоках этот фильтр часто упрощен либо вообще отсутствует.

Далее напряжение попадает на инвертор сетевого напряжения [2]. В сети проходит переменный ток, который меняет потенциал 50 раз в секунду, т. е. с частотой 50 Гц.

Инвертор же повышает эту частоту до десятков, а иногда и сотен килогерц, за счет чего габариты и масса основного преобразующего трансформатора сильно уменьшаются при сохранении полезной мощности.

Для лучшего понимания данного решения представьте себе большое ведро, в котором за раз можно перенести 25 л воды, и маленькое ведерко емкостью 1 л, в котором можно перенести такой же объем за то же время, но воду придется носить в 25 раз быстрее.

Импульсный трансформатор [3] преобразовывает высоковольтное напряжение от инвертора в низковольтное. Благодаря высокой частоте преобразования мощность, которую можно передать через такой небольшой компонент, достигает 600–700 Вт. В дорогих БП встречаются два или даже три трансформатора.

Рядом с основным трансформатором обычно имеются один или два меньших, которые служат для создания дежурного напряжения, присутствующего внутри блока питания и на материнской плате всегда, когда к БП подключена сетевая вилка. Этот узел вместе со специальным контроллером отмечен на рисунке цифрой [4].

Пониженное напряжение поступает на быстрые выпрямительные диодные сборки, установленные на мощном радиаторе [5]. Диоды, конденсаторы и дроссели сглаживают и выпрямляют высокочастотные пульсации, позволяя получить на выходе почти постоянное напряжение, которое идет далее на разъемы питания материнской платы и периферийных устройств.

Типичная информационная наклейка БП. Основная задача – информирование пользователя о максимально допустимых токах по линиям питания, максимальных долговременной и кратковременной мощностях, итоговой комбинированной мощности, которую способен отдать БП

Конструкция модульных разъемов блоков питания может быть самой разной. Их применение допускает отключение силовых кабелей, не востребованных в отдельно взятом системном блоке

В недорогих блоках применяется так называемая групповая стабилизация напряжений. Основной силовой дроссель [6] сглаживает только разницу между напряжениями +12 и +5 В. Подобным образом достигается экономия на количестве элементов в БП, но делается это за счет снижения качества стабилизации отдельных напряжений.

Если возникает большая нагрузка на каком-то из каналов, напряжение на нем снижается. Схема коррекции в блоке питания, в свою очередь, повышает напряжение, стараясь компенсировать недостачу, но одновременно возрастает напряжение и на втором канале, который оказался малонагруженным. Налицо своеобразный эффект качелей.

Отметим, что дорогие БП имеют выпрямительные цепи и силовые дроссели, полностью независимые для каждой из основных линий.

Кроме силовых узлов в блоке есть дополнительные – сигнальные.

Это и контроллер регулировки оборотов вентиляторов, часто монтируемый на небольших дочерних платах [7], и схема контроля за напряжением и потребляемым током, выполненная на интегральной микросхеме [9].

Она же управляет работой системы защиты от коротких замыканий, перегрузки по мощности, перенапряжения или, наоборот, слишком низкого напряжения.

Кожух блока питания с установленным 120-миллиметровым вентилятором. Часто для формирования необходимого воздушного потока используются специальные вставки-направляющие

Зачастую мощные БП оснащены активным корректором коэффициента мощности. Старые модели таких блоков имели проблемы совместимости с недорогими источниками бесперебойного питания.

В момент перехода подобного устройства на батареи напряжение на выходе снижалось, и корректор коэффициента мощности в БП интеллектуально переключался в режим питания от сети 110 В. Контроллер бесперебойного источника считал это перегрузкой по току и послушно выключался.

Так вели себя многие модели недорогих ИБП мощностью до 1000 Вт. Современные блоки питания практически полностью лишены данной «особенности».

Многие БП предоставляют возможность отключать неиспользуемые разъемы, для этого на внутренней торцевой стенке монтируется плата с силовыми разъемами [8].

При правильном подходе к проектированию такой узел не влияет на электрические характеристики блока питания.

Но бывает и наоборот, некачественные разъемы могут ухудшать контакт либо неверное подключение приводит к выходу комплектующих из строя.

Для подключения комплектующих к БП используется несколько стандартных типов штекеров: самый крупный из них – двухрядный – служит для питания материнской платы.

Ранее устанавливались двадцатиконтактные разъемы, но современные системы имеют большую нагрузочную способность, и в результате штекер нового образца получил 24 проводника, причем часто добавочные 4 контакта отсоединяются от основного набора.

Кроме силовых каналов нагрузки, на материнскую плату передаются сигналы управления (PS_ON#, PWR_OK), а также дополнительные линии (+5Vsb, -12V). Включение проводится только при наличии на проводе PS_ON# нулевого напряжения. Поэтому, чтобы запустить блок без материнской платы, нужно замкнуть контакт 16 (зеленый провод) на любой из черных проводов («земля»).

Исправный БП должен заработать, и все напряжения сразу же установятся в соответствии с характеристиками стандарта ATX. Сигнал PWR_OK служит для сообщения материнской плате о нормальном функционировании схем стабилизации БП. Напряжение +5Vsb используется для питания USB-устройств и чипсета в дежурном режиме (Standby) работы ПК, а -12 – для последовательных портов RS-232 на плате.

На данном рисунке показана распиновка контактов блоков питания, традиционно используемых в современных ПК

Стабилизатор процессора на материнской плате подключается отдельно и использует четырех- либо восьмиконтактный кабель, подающий напряжение +12 В. Питание мощных видеокарт с интерфейсом PCI-Express осуществляется по одному 6-контактному либо по двум разъемам для старших моделей.

Существует также 8-контактная модификация данного штекера. Жесткие диски и накопители с интерфейсом SATA используют собственный тип контактов с напряжениями +5, +12 и +3,3 В.

Для старых устройств подобного рода и дополнительной периферии имеется 4-контактный разъем питания с напряжениями +5 и +12 В (так называемый molex).

Основное потребление мощности всех современных систем, начиная с Socket 775, 754, 939 и более новых, приходится на линию +12 В. Процессоры могут нагружать данный канал токами до 10–15 А, а видеокарты до 20–25 А (особенно при разгоне). В итоге мощные игровые конфигурации с четырехъядерными CPU и несколькими графическими адаптерами запросто «съедают» 500–700 Вт.

Материнские платы со всеми распаянными на РСВ контроллерами потребляют сравнительно мало (до 50 Вт), оперативная память довольствуется мощностью до 15–25 Вт для одной планки. А вот винчестеры, хоть они и неэнергоемкие (до 15 Вт), но требуют качественного питания.

Чувствительные схемы управления головками и шпинделем легко выходят из строя при превышении напряжения +12 В либо при сильных пульсациях.

Качественное тестирование современных блоков питания можно провести лишь на специализированных стендах. На фото показана электронная начинка одного из них. Для теплового рассеивания больших мощностей применяется массивный радиатор, обдуваемый скоростными вентиляторами

На наклейках блоков питания часто указывают наличие нескольких линий +12 В, обозначаемых как +12V1, +12V2, +12V3 и т. д. На самом деле в электрической и схемотехнической структуре блока они в абсолютном большинстве БП представляют собой один канал, разделенный на несколько виртуальных, с различным ограничением по току.

Данный подход применен в угоду стандарту безопасности EN-60950, который запрещает подводить мощность свыше 240 ВА на контакты, доступные пользователю, поскольку при возникновении замыкания возможны возгорания и прочие неприятности. Простая математика: 240 ВА/12 В = 20 А.

Поэтому современные блоки обычно имеют несколько виртуальных каналов с ограничением по току каждого в районе 18–20 А, однако общая нагрузочная способность линии +12 В не обязательно равна сумме мощностей +12V1, +12V2, +12V3 и определяется возможностями используемого в конструкции преобразователя.

Все заявления производителей в рекламных буклетах, расписывающие огромные преимущества от множества каналов +12 В, – не более чем умелая маркетинговая уловка для непосвященных.

Многие новые блоки питания выполнены по эффективным схемам, поэтому выдают большую мощность при использовании маленьких радиаторов охлаждения. Примером может служить распространенная платформа FSP Epsilon (FSPxxx-80GLY/GLN), на базе которой построены БП нескольких производителей (OCZ GameXStream, FSP Optima/Everest/Epsilon).

Современные мощные видеокарты потребляют большое количество энергии, поэтому давно подключаются отдельными кабелями к БП независимо от материнской платы. Новейшие модели оснащаются шести- и восьмиконтактными штекерами. Часто последний имеет отстегивающуюся часть, для удобства подсоединения к меньшим разъемам питания видеокарт.

Надеемся, что после рассмотрения основных узлов блоков питания читателям уже понятно: за последние годы конструкция БП стала значительно сложнее, она подверглась модернизации и сейчас для полноценного всестороннего тестирования требует квалифицированного подхода и наличия специального оборудования.

Невзирая на общее повышение качества доступных рядовому пользователю блоков, существуют и откровенно неудачные модели. Поэтому при выборе конкретного экземпляра БП для вашего компьютера нужно ориентироваться на подробные обзоры данных устройств и внимательно изучать каждую модель перед покупкой.

Ведь от блока питания зависит сохранность информации, стабильность и долговечность работы компонентов ПК в целом.

Суммарная мощность – долговременная мощность потребления нагрузкой, допустимая для блока питания без его перегрева и повреждений. Измеряется в ваттах (Вт, W).

Конденсатор, электролит – устройство для накопления энергии электрического поля. В БП используется для сглаживания пульсаций и подавления помех в схеме питания.

Дроссель – свернутый в спираль проводник, обладающий значительной индуктивностью при малой собственной емкости и небольшом активном сопротивлении. Данный элемент способен запасать магнитную энергию при протекании электрического тока и отдавать ее в цепь в моменты больших токовых перепадов.

Полупроводниковый диод – электронный прибор, обладающий разной проводимостью в зависимости от направления протекания тока. Применяется для формирования напряжения одной полярности из переменного. Быстрые типы диодов (диоды Шоттки) часто используются для защиты от перенапряжения.

Трансформатор – элемент из двух или более дросселей, намотанных на единое основание, служащий для преобразования системы переменного тока одного напряжения в систему тока другого напряжения без существенных потерь мощности.

ATX – международный стандарт, описывающий различные требования к электрическим, массогабаритным и другим характеристикам корпусов и блоков питания.

Пульсации – импульсы и короткие всплески напряжения на линии питания. Возникают из-за работы преобразователей напряжения.

Коэффициент мощности, КМ (PF) – соотношение активной потребляемой мощности от электросети и реактивной. Последняя присутствует всегда, когда ток нагрузки по фазе не совпадает с напряжением сети либо если нагрузка является нелинейной.

Активная схема коррекции КМ (APFC) – импульсный преобразователь, у которого мгновенный потребляемый ток прямо пропорционален мгновенному напряжению в сети, то есть имеет только линейный характер потребления. Этот узел изолирует нелинейный преобразователь самого БП от электросети.

Пассивная схема коррекции КМ (PPFC) – пассивный дроссель большой мощности, который благодаря индуктивности сглаживает импульсы тока, потребляемые блоком. На практике эффективность подобного решения довольно низкая.

Модуль регулятора напряжения

(VRM) – WikiChip

Модуль регулятора напряжения ( VRM ) – это электронная схема, которая регулирует и понижает напряжение от входа (например, шины питания системы) до выхода (например, интегральные схемы). В контексте типичного компьютера VRM преобразует шину питания 12/5 / 3,3 В постоянного тока, которая поступает от блока питания, в гораздо более низкое рабочее напряжение интегральной схемы (например, 0,8 В, 1 В, 1,2 В). VRM обычно реализуются в виде импульсного регулятора, такого как понижающий преобразователь, из-за их эффективности.

Обзор [править]

Однофазный [править]

Как правило, схема VRM обычно реализуется как понижающий преобразователь, но это не единственный способ ее разработки. Показана базовая схема цепи VRM. Слева – типичные 12 В от блока питания. Непосредственно перед точкой A расположены два полевых МОП-транзистора, нижняя и верхняя стороны, которые служат фактическими переключателями. Слева от точки B находится дроссель (или фильтрующий индуктор).

Цель схемы состоит в том, чтобы взять напряжение источника питания, которое составляет 12 В перед точкой A , и преобразовать его в гораздо более низкое рабочее напряжение процессора или графического процессора в точке B , которое составляет примерно 1,2 В.

Operation [править]

Когда переключатель верхнего плеча замкнут, напряжение в точке A, становится 12 В, но напряжение на другой стороне катушки индуктивности не изменяется мгновенно, вместо этого катушка индуктивности продолжает сопротивляться изменению тока.Когда на индуктор подается напряжение 12 В, индуктор создает магнитное поле, которое создает падение напряжения на выходном зажиме. По мере того, как индуктор создает большее магнитное поле (т. Е. Заряжается), падение напряжения становится все меньше и меньше, пока он не будет полностью заряжен и напряжение не достигнет 12 В. На графике ниже показано напряжение, которое будет подаваться на CPU / GPU в точке B , если переключатель высокого давления должен был оставаться замкнутым в течение достаточного времени:

Как можно видеть, индуктор в цепи предназначен для предотвращения мгновенного достижения напряжением 12 В.Скорость изменения напряжения будет зависеть от индуктивности катушки индуктивности. Например, небольшая катушка индуктивности с низкой индуктивностью будет иметь более быстрое изменение напряжения, так как они могут создавать меньшее магнитное поле.

Когда переключатель верхнего плеча снова открывается, напряжение в точке A падает обратно до 0 В. В индукторе все еще есть магнитное поле, которое было создано, когда мы его заряжали. Поскольку переключатель верхнего плеча был открыт, магнитное поле индуктора начинает разрушаться, генерируя ток в точке B , который подается на CPU.Когда это произойдет, произойдет внезапный скачок напряжения в точке B . В схему добавлен обратный диод, чтобы исключить этот обратный ход. Поскольку диоды довольно неэффективны, когда схема размыкает переключатель на стороне высокого напряжения, она также замыкает переключатель на стороне низкого напряжения. Это сделано для того, чтобы ток проходил через переключатель, а не через диод, который больше похож на провод, увеличивая эффективность схемы. На приведенном ниже графике показано напряжение, которое будет подаваться на CPU / GPU в точке B , когда переключатель верхнего плеча разомкнут, а переключатель нижнего уровня теперь замкнут:

Регулировка напряжения [править]

Конечная цель схемы – обеспечить постоянное напряжение по нашему выбору.На современном микропроцессоре это может быть около 1,2 вольт. Чтобы достичь 1,2 В, схема должна отключить заряд индуктора, когда напряжение в точке B достигнет 1,2 В. Как только это произойдет, напряжение начнет падать, и в этот момент схема вернется к зарядке индуктора. Весь цикл повторяется бесконечно с помощью метода, известного как широтно-импульсная модуляция, при котором среднее напряжение поддерживается на уровне желаемого рабочего напряжения. При скважности примерно 50% выходное напряжение в точке B будет 6 В.Чтобы получить желаемое 1,2 В, рабочий цикл должен составлять 10%. В реальных схемах замыкание и размыкание полевых МОП-транзисторов нижнего и верхнего плеча выполняется ШИМ-контроллером вместе с драйвером или удвоителем.

Многофазный [редактировать]

В современной компьютерной системе типичная VRM материнской платы может иметь 3 или более фаз. Многофазный VRM работает очень похоже на однофазный VRM, описанный выше, но использует несколько таких цепей параллельно – каждая фаза обрабатывает часть общего тока, который требуется ЦП или ГП.Хитрость заключается в том, что каждая из фаз немного смещена, так что в любой момент времени только одна фаза замкнет переключатель верхнего плеча и накапливает заряд на его индукторе. Остальные фазы разряжаются.

Перекрывая фазы при смещении, мы по-прежнему генерируем то же рабочее напряжение 1,2, но когда напряжение на одной фазе начинает падать, начинает действовать следующая фаза. Это также приводит к более стабильному среднему напряжению, которое отправляется на ЦП из-за более жесткого допуска напряжения в результате меньшей амплитуды.

Если мы наложим выходное напряжение сверху, будет намного легче увидеть, как несколько фаз обеспечивают более жесткие допуски и общую лучшую подачу мощности:

Стоит отметить, что, поскольку общий ток, подаваемый на ЦП, остается более или менее неизменным (при сравнении однофазного VRM с многофазным), общий ток теперь распределяется между несколько фаз.Например, в двухфазном VRM на каждую из фаз в среднем приходится примерно 50% тока. В результате каждая из фаз теперь обрабатывает только часть общей нагрузки, уменьшая нагрузку на любой из отдельных компонентов.

Кроме того, из-за переключения полевого МОП-транзистора верхнего и нижнего плеча в узле переключения возникает некоторая нежелательная пульсация (точка A ). Чем больше фаз, тем меньше наблюдается эффект пульсации, потому что уменьшается амплитуда волны пульсации и, следовательно, ток.Кроме того, чем больше фаз, тем меньше уменьшается эффект уменьшения. То есть при переходе от 2-х фазного к 4-х фазному сокращению пульсаций тока значительно больше, чем при переходе от 6-фазного к 8-фазному.

Дублеры [править]

VRM управляются контроллером PWM, который обычно имеет 4, 6 или 8 фаз. Есть несколько довольно редких ШИМ, число которых достигает 10, но подавляющее большинство ШИМ имеют 4- и 6-фазные ШИМ, и они встречаются гораздо чаще, чем 8-фазные. Материнские платы предлагают 12-, 16-, 24-фазные VRM за счет использования удвоителей .Удвоитель фазы удваивает количество фаз, генерируя два перемежаемых сигнала, которые формируются с использованием оригинала.

Частота переключения удвоителя уменьшается вдвое из-за чередования двух сигналов.

Использование удвоителей обычно увеличивает затраты, потому что материнская плата теперь имеет вдвое больше необходимых интегральных схем, но это снижает многие вещи, такие как ток нагрузки на любой данной фазе, аналогично тому, как ” истинно “многофазный”, но без преимуществ более жесткого допуска напряжения.Это также гораздо более распространенное решение, которое можно найти на многих материнских платах, которые рекламируют 8 или 16 фаз (состоящих из 4 и 8 «реальных» фаз соответственно).

Менее желательные реализации [править]

Есть несколько менее желательных реализаций VRM, которые можно найти в дикой природе. Одна из наиболее распространенных схем – использование одного сигнала ШИМ для управления двумя отдельными цепями:

Эта конфигурация довольно распространена и дешева, потому что синхронизация выполняется только однофазной ШИМ.Удвоение схемы приводит к большей мощности, а также к более холодным компонентам и более высокой эффективности, но это не приведет к лучшим пороговым значениям напряжения, как это делают истинные фазы. В зависимости от производителя материнской платы, они могут или не могут назвать это двумя фазами, хотя на самом деле это только одна фаза.

Обратная связь и регулирование [править]

Напряжение ЦП редко бывает постоянным, поскольку для повышения эффективности в нем используются различные методы DVFS, которые динамически изменяют нагрузку во многих различных условиях.Это создает неидеальную ситуацию, когда VRM должен попытаться компенсировать и исправить такие вещи, как падение напряжения. Коррекция осуществляется с помощью обратной связи. Общий алгоритм показан ниже.

Обратите внимание, что приведенный выше VRM можно более или менее рассматривать как черный ящик, поскольку фактическая реализация менее важна для этого обсуждения. На рисунке выше VRM включает в себя общие компоненты, такие как полевые МОП-транзисторы, дроссели, конденсаторы и т. Д.Блок питания вполне может быть частью самого ШИМ-контроллера, а на некоторых более продвинутых платах блок может быть довольно продвинутым с множеством аппаратных и программных функций. В устройстве используется контур отрицательной обратной связи для корректировки уровней напряжения. Общий механизм всегда один и тот же. Опорное напряжение (например, исходя из конфигурации BIOS в виде SVID / DVID) подается в него блок, который затем сравнивается против контролируемого напряжения. Разница между опорным напряжением или желаемым напряжением и реальным напряжением, подаваемым на ЦП, используется для изменения сигнала ШИМ в надежде, что он сможет более точно скорректировать реальный сигнал, отправляемый в ЦП.Выборка и корректировка производятся непрерывно. Конечная цель здесь, чтобы получить напряжение доставляется к нагрузке как можно ближе к опорному напряжению, как это возможно.

Аналог [редактировать]

Независимо от типа схемы, используемой для управления PWM, опорное напряжение на современной компьютерной системы всегда цифровой. Следовательно, в случае аналоговой схемы, ЦАП используется для преобразования сигнала в аналоговый сигнал, который затем сравнивается с реальной обратной связью по напряжению с использованием усилителя ошибки, чтобы дать нам сигнал ошибки.Сигнал ошибки используется, чтобы указать, насколько мы далеки от желаемого напряжения. В то время как это происходит, опорное напряжение также подается в генератор рампы, который используется для создания пилообразной волны. Затем пилообразная волна отправляется вместе с сигналом ошибки на сам генератор ШИМ для генерации сигнала для работы VRM.

В современных схемах ток и температура (часто объединенные) также дискретизируются и затем используются вместе с пилообразной волной и сигналом ошибки для обеспечения правильного выходного сигнала ШИМ.

Во время выборки напряжения, если напряжение слишком низкое по сравнению с эталоном, ШИМ попытается его компенсировать и немного сместится с предыдущего сигнала. Это будет продолжаться до тех пор, пока напряжение не станет слишком высоким. В этот момент напряжение начнет снижаться, слегка сдвигая его с каждым исходящим сигналом, пока напряжение не станет слишком низким. Результатом является напряжение, которое непрерывно компенсируется переходом от слишком низкого к слишком высокому и наоборот.

У этого метода есть некоторые преимущества, такие как тот факт, что все это делается аппаратно, поэтому время реакции и исправления значительно быстрее. Это также дешевле, проще в реализации и, как правило, в целом представляет собой более простую схему.

Примером аналогового ШИМ-контроллера является Intersil ISL6366 , который является двойным 6 + 1.

Цифровой [редактировать]

В цифровой основе схемы, опорное напряжение, которое уже цифровой подается непосредственно в микроконтроллер.Как и в аналоговой схеме, различные значения обратной связи мониторинга являются аналоговыми и, таким образом, также преобразуются в цифровые с помощью АЦП. В отличие от аналоговой схемы, все делается с помощью микроконтроллера, который включает алгоритм PID. Этот микроконтроллер принимает во всех линиях обратной связи, опорного напряжения, и, возможно, наиболее важным для некоторых пользователей, различные настройки BIOS. Микроконтроллер обычно также имеет небольшой объем памяти, который можно использовать для хранения дополнительных пользовательских настроек, обеспечивающих более широкую настройку.

Как правило, цифровая схема учитывает гораздо больше переменных, поступающих от различных датчиков, настроек BIOS и сохраненных значений. Затем микроконтроллер, реализующий алгоритм ПИД-регулирования, примет все эти значения и точно определит, насколько высоко или низко нужно подняться, без перерегулирования или занижения, как в аналоговой схеме.

По мере продолжения выборки и коррекции новый сигнал вычисляется на основе предыдущих модификаций, что приводит к достижению более жестких пороговых значений.Основным преимуществом использования цифровой схемы является большая свобода настройки и контроля. В дополнение к различным средствам защиты (например, OVP, OCP, OTP, UVP и SCP) расширенные контроллеры могут фактически контролировать количество включенных и выключенных фаз, чтобы повысить эффективность системы, а также другие конфигурации VRM, зависящие от фазы ( например, синхронизация отдельных удвоителей).

У таких цифровых схем есть ряд недостатков. Помимо того, что они намного дороже, они также требуют реализации довольно сложного кода и алгоритмов, чтобы быть эффективными.Также стоит отметить, что цифровые решения далеки от совершенства, потому что частота дискретизации значительно ниже, чем требуется, поэтому используется некоторая форма дизеринга.

X + Y + .. Обозначения фазового VRM [править]

Помимо ядер ЦП, есть много других шин напряжения, которым нужны собственные фазы. Вот некоторые из этих различных шин напряжения:

и др.

Чтобы указать, сколько фаз используется для каждой из этих шин, на некоторых материнских платах это указывается с использованием обозначений «X + Y» или «X + Y + Z».«+ Y» и «+ Z» используются для обозначения того, что эти фазы используются для разных шин (например, для интегрированной графики). Например, «6 + 2» будет означать, что 6 фаз могут использоваться вместе для одной из направляющих (обычно это ядра процессора), тогда как другие 2 фазы могут использоваться для чего-то еще. Стоит отметить, что на самом деле не все фазы должны использоваться, например, «6 + 2» можно использовать для 6 фаз, идущих к ядрам ЦП, одной фазы, идущей на другую шину, и одной фазы, остающейся неподключенной.Другие отдельные контроллеры PWM могут быть добавлены для других шин. Обратите внимание, что, вообще говоря, для большинства ШИМ шины нельзя комбинировать. То есть «6 + 2» не может использоваться в качестве 8-фазного VRM, управляющего шиной питания ЦП.

Истинные и виртуальные фазы [править]

Термины True Phases и Virtual Phases были разработаны для различения фаз, которые поступают непосредственно от контроллера PWM, и различных других схем, например, используемых в удвоителях.

Например, некоторые материнские платы могут использовать двойной 6 + 1-фазный ШИМ-контроллер (например, Intersil ISL6367) для своей материнской платы, но рекламируют его как 8-фазный или более. Это достигается удвоением 4 из 6 фаз, чтобы получить 8 фаз, оставив оставшиеся две фазы неиспользованными. Схема показана справа. В этом случае можно сказать, что есть «8 виртуальных фаз, но только 4 настоящие фазы». Хотя есть лучшая подача мощности из-за лучшего распределения тока, эффект чередования все еще относительно слаб по сравнению с 6 или 8 истинными фазами.Использование виртуальных фаз может иногда вводить в заблуждение, полагая, что у материнской платы VRM лучше, чем на самом деле.

Бортовые компоненты [править]

Вообще говоря, компоненты на типичной материнской плате будут подключаться следующим образом:

Рассмотрим модель ASUS P6X58D Premium , показанную ниже:

Легче всего заметить конденсаторы и громоздкие дроссели, окружающие процессор.Обратите внимание, что на этой плате полевые МОП-транзисторы, которые могут довольно сильно нагреваться в разогнанных системах, расположены под ребрами тепловой трубки для их пассивного охлаждения. Удаление тепловой трубки открывает доступ к остальным частям VRM:

На изображении платы выше обозначены 16 фаз, состоящих из 16 конденсаторов, 16 дросселей, 32 полевых МОП-транзисторов, 16 диодов и, наконец, 16 резисторов. Необходима тщательная проверка, чтобы определить, сколько истинных фаз имеется (поскольку нет 16-фазных ШИМ, ясно, что на этой плате в некоторой степени используется удвоение).На этой конкретной плате Asus встроил свой блок обработки энергии или EPU вместе со своим драйвером / микросхемой PWM, называемой «PEM», которая фактически расположена на задней стороне платы и показана справа. Рекламируется, что эта плата имеет “дизайн VRM 16 + 2 фазы”. К сожалению, это не тот случай. На самом деле эта плата только 8-фазная истинная, 16-фазная виртуальная. Микросхема EPU (ASP0800) соединена с микросхемой PEM (ASP0801), каждая из которых обеспечивает синхронизацию 4 фаз для 8 истинных фаз. Затем 8 фаз удваиваются для получения 16 виртуальных фаз.На этой плате EPU действительно имеет дополнительные функции, такие как возможность динамически изменять рабочие циклы ШИМ в зависимости от нагрузки, а также предоставлять эту функциональность с помощью программного обеспечения для ручной настройки и изменения этих частот.

На этой конкретной плате компоненты (в этом порядке на плате):

FP5K 821 Алюминиевый полимерный конденсатор
Trio R51A Дроссели
МОП-транзистор 5525L
9025L MOSFET

VRM материнской платы: что такое фазы питания и сколько мне нужно?

Часто на страницах с описанием материнских плат и на онлайн-форумах пользователи упоминают VRM материнской платы и количество фаз питания.VRM – это в некоторой степени техническая тема, поэтому в нее нелегко проникнуть. Итак, сегодня мы представим концепцию VRM и этих так называемых фаз питания как можно более простыми и понятными, чтобы вы могли легко понять, что вам сообщает страница с описанием материнской платы (и когда это имеет значение).

VRM: важная роль, но о которой часто забывают

На каждой материнской плате есть цепь рядом с ЦП, которая называется модулем регулятора напряжения или VRM. Задача VRM – обеспечить питание ЦП от источника питания и, так сказать, стабилизировать его.Если бы не VRM, ваш процессор даже не работал бы!

ОЗУ также имеет гораздо меньший и более простой VRM рядом со слотами ОЗУ. Однако обычно фокусируется только на VRM ЦП. Тяжелый разгон оперативной памяти выполняется немногими людьми, а оперативная память потребляет гораздо меньше энергии, чем процессор, поэтому ее часто игнорируют.

Технические данные: фазы питания

VRM состоит из отдельных «фаз» питания. Базовая фаза питания состоит из двух транзисторов, «дросселя» и конденсатора.Транзисторы могут быть закрыты радиатором, а могут и не быть закрыты, так как они могут сильно нагреваться и более чувствительны к температуре. Дроссели на современных материнских платах обычно выглядят как маленькие черные или серые кубики, которые иногда имеют небольшую секцию разного цвета посередине. Конденсаторы – это другой компонент, обычно небольшой цилиндрической формы, расположенный рядом с дросселями.

Фото Dsimic

В VRM есть две отдельные группы фаз питания. Один используется для ядер ЦП, а другой используется другими частями ЦП, например, встроенным графическим процессором.На вашей типичной материнской плате фазы питания, используемые для ядер ЦП (те, о которых мы больше всего заботимся) находятся слева от ЦП, а другие – над ним, но это не всегда так, особенно для меньших материнских плат.

По мере увеличения количества фаз питания количество времени, в течение которого данная фаза питания «работает», уменьшается. Например, если у вас две фазы питания, каждая фаза работает 50% времени. Добавьте третью, и каждая фаза будет работать только 33% времени и так далее.

4-фазный пример

Если предположить, что используются одни и те же компоненты, то чем больше фаз вы добавляете, тем холоднее работает каждая фаза, тем больше мощности может выдать VRM и тем более стабильными становятся напряжения ЦП.Чем больше энергии использует ваш ЦП, тем горячее работает VRM. Работа с кулером увеличивает срок службы VRM и снижает риск перегрева, что может быть проблемой для оверклокеров. Более высокая выходная мощность снижает риск перегрузки VRM, что может привести к выключению системы или замедлению работы ЦП. Лучшая стабильность питания ЦП может, в ограниченной степени, снизить необходимое напряжение для стабильности разгона, повысить температуру ЦП и теоретический срок службы.

Качество фазы

Важно понимать, что большее количество фаз питания не обязательно означает лучший VRM.Фактический выбор компонентов для всего VRM имеет большое значение для рабочих температур и того, сколько мощности VRM может выдержать. Преимущество большего количества фаз заключается в стабильности выходного напряжения VRM, в то время как температура и выходная мощность VRM находятся на высоком уровне.

Четыре фазы вполне могут быть лучшим выбором, чем восемь фаз, если компоненты достаточно лучше. С практической точки зрения, большее количество этапов – , обычно – лучший выбор, но это не всегда так, поэтому лучше рассматривать в каждом конкретном случае.

Обманчивый маркетинг и дизайн

Довольно распространенная конструкция, используемая производителями материнских плат, заключается в удвоении количества компонентов, используемых в каждой фазе питания, без фактического удвоения количества фаз питания. Те, кто не знает, могут предположить, что вы можете подсчитать количество дросселей, чтобы подсчитать количество фаз питания. Кроме того, что, возможно, более важно, производители материнских плат часто (но не всегда) используют эту конструкцию, но при этом заявляют о более высоком количестве фаз.Хотя количество фаз питания не увеличивается, фактическое качество фаз по-прежнему повышается, что значительно улучшает выходную мощность VRM, а также рабочие температуры.

Эта практика вводит в заблуждение и не идеальна по сравнению с более реальными фазами, но все же помогает. ASUS Z390 Maximus XI Hero и MSI B450M Mortar (Titanium) являются примерами такого дизайна, но не обманчивого маркетинга. Тем не менее, Asrock Fatal1ty AB350 Gaming-ITX / ac, безусловно, является примером ложного заявления о подсчете фаз с использованием этой конструкции.

Хуже того, производители материнских плат иногда выходят за рамки маркетинга двухкомпонентных фаз в сторону увеличения количества фаз – даже не удваивая все компоненты, но при этом заявляя о большем количестве фаз. Они могут добавить еще один дроссель и, возможно, один транзистор (хотя и более важный, который обрабатывает большую часть мощности), чтобы создать видимость большего количества фаз, но не добавлять отдельные фазы. Это делает ложь о подсчете фаз еще более вопиющей и (в ограниченной, но не большой степени) снижает реальную пользу.Gigabyte B450 Aorus M и Aorus Elite, B450MHC от Biostar и ASUS TUF Z370-Pro Gaming являются примерами этой конструкции, хотя они не имеют никаких заявлений о подсчете фаз, связанных с ними.

Принимая во внимание обе эти тактики, лучше не рассчитывать количество фаз питания на основе количества дросселей, которые вы видите на материнской плате, и полностью игнорировать заявления производителей материнских плат о количестве фаз. Единственный способ действительно узнать количество фаз – это проанализировать фактические компоненты (или, что более доступно, найти в Интернете знающего создателя видео или писателя, который провел такой анализ на плате или досках, которые вы рассматриваете).

Заключение

В конечном счете, в системах с процессорами последнего поколения забота о VRM будет в основном актуальна для тех, кто хочет добиться высоких разгонов, а не для обычных пользователей. Пока производитель не указывает определенный TDP ЦП как неподдерживаемый, вы можете использовать любой современный ЦП на материнской плате с совместимым сокетом и без проблем запускать его без разгона.

Как правило, основанное на доступных в настоящее время материнских платах, маловероятно, что вы столкнетесь с какими-либо существенными неудачами ни с какой-либо приличной четырехфазной материнской платой и четырехъядерным или шестиядерным процессором, а также с шестифазной материнской платой и восьмиядерным процессором. -ядерный процессор (по крайней мере, если его охлаждение не такое ужасное, как у ASRock Z390 Pro4).И если вы не пытаетесь побить рекорды разгона или не используете ЦП с более чем 16 ядрами, от высокопроизводительных VRM, которые могут иметь более восьми высококачественных фаз питания, мало практической пользы. Температура всегда может быть проблемой, но фактическая температура всегда будет варьироваться в зависимости от пользователей и их оборудования, в то время как какое-либо влияние на срок службы материнской платы неясно.

Все это говорит о том, что большинству людей не стоит переживать из-за VRM. Для нас, обычных пользователей, лучше всего сосредоточиться в основном на функциях и , может быть, эстетике, которые предоставляет материнская плата.Но зная это, вы сможете сделать свой выбор более эффективным для ваших нужд.

напряжений / таймингов, которые работают с определенным оборудованием

Настольные компьютеры полагаются на блоки питания в качестве основных источников энергии. Неопытному глазу блок питания может показаться довольно устрашающим. Несоответствующая проводка может нанести вред вашему ПК и привести к сгоранию блока питания и материнской платы. Тем не менее, XOTIC PC имеет почти 20-летний опыт работы с компьютерным оборудованием.В этом руководстве мы исследуем рабочую структуру, значение цветных проводов и соотношение между напряжением и током и выходной мощностью.

Введение в блок питания ПК

Блок питания компьютера состоит из нескольких внутренних компонентов, таких как катушки, конденсаторы и электронные платы для регулирования тока. Вашему блоку питания требуются вентиляторы для охлаждения внутренних компонентов, но вентиляторы являются одной из основных причин отказа источника питания.Вы также найдете цветные провода, прикрепленные к печатной плате, и эти провода используются для передачи различных напряжений на главную плату и любые подключенные устройства. Типичный блок питания ПК потребляет приблизительно 110 вольт переменного электрического тока из настенной розетки, который преобразуется в гораздо меньший однонаправленный электрический ток.

Переменный ток (AC) определяет поток заряда, который периодически меняет направление. Напряжение переменного тока вырабатывается генератором переменного тока, который представляет собой особый вид электрического генератора, который используется для производства переменного тока.Постоянный ток (DC) можно описать как постоянное напряжение или ток, который вырабатывается выпрямителем, батареями или генератором переменного тока, оснащенным коммутатором. Современные источники питания оснащены несколькими цепями безопасности, которые непрерывно проверяют протекание тока для обнаружения экстремальных условий выходной мощности.

Напряжение питания компьютера

Существует три основных типа постоянного напряжения. Для питания материнской платы и любых видеокарт нового поколения требуется 12 Вольт.5 Вольт необходимо для корпуса и вентилятора процессора или портов USB. 3.3 Вольта используется для питания процессора. 12 Вольт также можно подавать на специальные «умные» вентиляторы шасси. Блок питания может преобразовывать электрический ток 100 В в +12 В, -12 В, + 5 В, -5 В и +3,3 В. Печатная плата используется для передачи преобразованной электроэнергии через специальные наборы кабелей, чтобы вы могли питать компоненты и устройства на вашем компьютере. С помощью перечисленных выше компонентов переменное напряжение можно преобразовать в чистый постоянный ток.Конденсаторы для ПК предназначены для регулирования плавных, чистых токов в цепях вашего компьютера. Отрицательные напряжения относительно устарели на современном рынке, но вы захотите узнать, как их использовать, если вы устанавливаете новый блок питания в систему со старой материнской платой, имеющей слоты для шины ISA. Следуйте приведенному ниже общему руководству, чтобы определить шины напряжения.

+3,3 В: Чипсеты, DIMMS, карты PCI / AGP / PCIe и прочие микросхемы
+5 В: логика дисковода, низковольтные двигатели, модули SIMM, карты PCI / AGP / ISA и напряжение
+12 В: двигатели, регуляторы выходного напряжения и карты AGP / PCIe

Цветовая кодировка блока питания

Производители обычно предоставляют спецификации для своих блоков питания по запросу, но типичные блоки питания LPX на 250 Вт и ATX на 235 Вт можно определить по следующим параметрам:

Черный: используется для заземления тока.Каждый другой цветной провод должен быть соединен с черным проводом.

Желтый: используется для обозначения +12 Вольт

LPX на 250 Вт: максимум 10 ампер (120 Вт)
235-ваттный ATX: максимум 8 ампер (96 Вт)

Красный: используется для обозначения +5 В

LPX на 250 Вт: максимум 25 А (125 Вт)
ATX на 235 Вт: максимум 22 А (110 Вт)

Синий: используется для обозначения -12 В

LPX мощностью 250 Вт: максимум 0.5 ампер (2,5 Вт)
ATX на 235 Вт: максимум 1 А (12 Вт)

Белый: обозначает -5 В

LPX на 250 Вт: максимум 0,5 А (2,5 Вт)
235-ваттный ATX: максимум 0,5 А (2,5 Вт)

Оранжевый:

235-ваттный ATX: используется для обозначения + 3,3 В или максимум 14 ампер (46,2 Вт)

Зеленый: используется для проверки постоянного напряжения

Пурпурный: используется для обозначения + 5 В в режиме ожидания

Если у вас есть какие-либо вопросы о напряжениях и таймингах, которые работают с определенным оборудованием, свяжитесь с нами сегодня для получения дополнительной информации или помощи.Дайте нам знать, как мы можем помочь!

Что такое полевой МОП-транзистор? Основное определение – Tom’s Hardware

Материнская плата с полевыми МОП-транзисторами, обведенными желтым. ((Изображение предоставлено Shutterstock))

MOSFET – это металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор. В мире ПК вы найдете эти электрические компоненты на материнской плате настольного компьютера или ноутбука , а также на блоке питания настольного компьютера (PSU).

МОП-транзисторы материнской платы

МОП-транзисторы на ПК составляют VRM (модуль регулятора напряжения), который контролирует, какое напряжение получают другие компоненты на материнской плате, такие как ЦП или видеокарта .

Компоненты ПК, такие как процессоры и видеокарты, имеют строгое рабочее напряжение, поэтому VRM материнской платы помогает предотвратить его превышение. МОП-транзисторы важны для функциональности VRM и влияют на количество тепла, выделяемого VRM во время выполнения своей работы. MOSFET-транзисторы могут стать довольно неприятными, если вы используете мощную видеокарту, а радиатор на материнской плате помогает охлаждать MOSFET-транзисторы и, следовательно, VRM. Помимо обеспечения безопасности всей системы, охлаждение полевых МОП-транзисторов также важно для любого типа разгона.

Как они работают?

МОП-транзисторы

похожи на переключатели, которые включаются и выключаются на основе сигнала от интегральной схемы (ИС), называемой микросхемой / контроллером ШИМ. МОП-транзисторы быстро включаются и выключаются, позволяя протекать сильному току короткими импульсами. Он, наряду с другими частями VRM, контролирует напряжение, передаваемое на другие компоненты ПК на материнской плате.

Чтобы обеспечить охлаждение полевых МОП-транзисторов материнской платы во время экстремального разгона, энтузиасты ПК часто используют водоблоки. Производитель EK также производит Monoblocks, которые представляют собой общий водоблок ЦП и MOSFET.

МОП-транзисторы и источники питания

МОП-транзисторы выполняют аналогичную функцию в источниках питания ПК. Они используются в преобразователях и схемах регуляторов для целей переключения в импульсных источниках питания (ИИП).

В SMPS энергия забирается из розетки переменного тока, прежде чем она разбивается на небольшие пакеты, а полевые МОП-транзисторы действуют как переключатели. Эти пакеты затем передаются через конденсаторы , , катушки индуктивности и другие электрические компоненты, способные накапливать энергию. В конечном итоге пакеты сливаются в один для получения единственного и стабильного вывода.

Эта статья является частью Tom’s Hardware Glossary .

Дополнительная литература:

Краткая история шин напряжения питания ПК

Краткая история шин питания ПК

Давайте проясним любую путаницу, связанную с термином «рельс». Под напряжением “шина” понимается к единому напряжению, обеспечиваемому блоком питания (сокращенно от источника питания – фактически это обозначает блок питания).Блок питания ATX имеет одну шину 3,3 В. Он также имеет одна шина на 5 вольт. Шина 3,3 В имеет собственную схему в блоке питания, которая генерирует напряжение. Он также имеет множество проводов и разъемов для распределите 3,3 вольта на любое оборудование, которое в этом нуждается. Шина 5 В имеет собственный отдельный набор схем, проводов и разъемов для подачи 5 вольт. Современные блоки питания ATX12V могут иметь до четырех отдельных 12-вольтных шин. Каждые 12 Вольтовая рейка имеет собственный набор проводов и разъемов, как у 3.3 и 5 вольт рельсы.Шины на 12 вольт генерируют такое же напряжение. как друг друга. Если вы хотите взглянуть на официальный ATX спецификации их можно найти на formfactors.org.

Оригинальные ПК IBM получали большую часть энергии от двух шин напряжения: 5 вольт. и 12 вольт. Их блоки питания также обеспечивали -5 и -12 вольт, но те доставлял только небольшое количество энергии. У них была шина на 5 вольт, потому что это было напряжение, необходимое для питания большинства стандартных кремниевых чипов время.Шина 12 В использовалась в основном для работы вентиляторов и гибких дисков. приводные двигатели. Оригинальный блок питания для ПК мог выдавать максимум 63,5 Вт в большинстве случаев. который был на шине 5 вольт. Со временем ПК стали больше, быстрее микросхемы которые увеличили нагрузку на 5 вольт. Люди тоже добавили новомодных устройства, такие как жесткие диски и, в конечном итоге, приводы компакт-дисков, поэтому на шине 12 В чтобы доставить больше мощности. Но шина 5 вольт все равно продолжала доставлять большая часть энергии, потому что большая часть энергии потребляется микросхемами.

Технология микросхем совершенствуется за счет использования большего количества транзисторов меньшего размера на фишки. Поскольку транзисторы сжимаются, им необходимо работать при более низких напряжениях. Когда был создан новый стандарт ATX, к питанию была добавлена шина 3,3 В. новые фишки. Итак, ПК того времени имел смесь 3,3 вольт и 5 вольт. микросхемы напрямую подключены к соответствующим шинам напряжения. Таблица ниже показывает размеры направляющих от старого блока питания ATX на 300 Вт. Большая часть мощности поставил на рейки 3,3 и 5 вольт.Также он имеет довольно мощный 12 вольт направляющая для компьютеров с несколькими дисководами.

Блок питания ATX 300 Вт
Напряжение	Максимальный ток	Максимальная мощность
+3,3 В	20,0 ампер	66 Вт
+5 В	30,0 ампер	150 Вт (максимум 180 Вт в сочетании +5 и +3,3)
+12 В	10.0 ампер	120 Вт
5 В в режиме ожидания	1,0 ампер	5 Вт
-5 В	0,5 ампер	2,5 Вт
-12 В	0,8 ампер	0,96 Вт

По мере совершенствования технологии транзисторы в микросхемах продолжали сжиматься и они должны были работать с напряжением ниже 3,3. Это было непрактично для продолжения работы всех микросхем напрямую от напряжения, обеспечиваемого Блок питания, потому что со временем им придется добавлять все больше и больше рельсов с более низким напряжением прошедший.Кроме того, вам приходилось иметь дело с процессорами, которым требовались разные напряжения в зависимости от того, какой процессор был подключен к материнской плате. Они временно избежать проблемы, предоставив регуляторы напряжения материнской платы который упал на 5 или 3,3 вольт до более низкого напряжения, отбросив лишние напряжение как тепло. По мере роста требований к питанию это решение быстро стало непрактично.

Вот тогда принципиально изменилось распределение мощности ПК. Старые ПК запитали свои чипы, подключив их напрямую к шинам напряжения, предоставленным БП.Но новые ПК начали использовать преобразователи постоянного тока в постоянный. материнская плата, которая принимает напряжение, обеспечиваемое блоком питания, и эффективно преобразовал его в более низкое напряжение, необходимое для микросхем. Многие из ранних Преобразователи постоянного / постоянного тока преобразуют 5 вольт в более низкое напряжение. Предположительно это потому, что блоки питания того времени подавали большую часть своей мощности на 5 вольт. Но преобразование 12 вольт вместо 5 вольт сильно усложняет проводку. проще, потому что более высокое напряжение обеспечивает такое же количество энергии за счет использования меньший ток.Меньший ток позволяет использовать меньше проводов и разъемов для доставить такую же мощность. Распределение мощности намного проще при более высоких напряжениях. Максимальное напряжение, обеспечиваемое блоком питания ПК, составляет 12 вольт, поэтому оно стало самым высоким. общее входное напряжение, используемое крупнейшими преобразователями постоянного / постоянного тока. Современный процессор имеет собственный преобразователь на материнской плате, который преобразует 12 вольт во что угодно напряжение, необходимое ЦП. Современные видеокарты тоже имеют свои конвертеры. на карте, которая преобразует 12 вольт в желаемое напряжение.ЦП и видеокарта, как правило, является самым большим потребителем энергии при полной загрузке, поэтому современный блок питания должен обеспечивать большую часть своей мощности на 12 вольт. Так в старые времена у вас была куча микросхем, напрямую подключенных к 3,3 или 5 вольт, и это где блок питания обеспечивает большую часть своей мощности. Но в новом компьютере БП обеспечивает большую часть своего питания на 12 вольт, а затем различные преобразователи постоянного / постоянного тока по всему компьютеру преобразуйте его в любое напряжение, необходимое для этого особый набор фишек. В таблице ниже представлен более современный блок питания на 480 Вт.В максимальная мощность на 3,3 и 5 вольт немного увеличилась, но большая часть расширенной мощности обеспечивается на шине 12 В.

Блок питания ATX12V 1.3 480 Вт
Напряжение	Максимальный ток	Максимальная мощность
+3,3 В	34,0 ампер	112,2 Вт
+5 В	35,0 ампер	175 Вт (максимум 200 Вт в сочетании +5 и +3.3)
+12 В	28,0 ампер	336 Вт
5 В в режиме ожидания	2,0 ампер	10 Вт
-12 В	1 ампер	12 Вт

Изменение распределения мощности между рельсами – вот почему вы должны осторожно вставляйте старый блок питания в новый компьютер. Старые блоки питания обеспечивают больше всего их мощности на 3.3 и 5 вольт и более новые доставят большую часть на 12 вольт. У вас точно могут возникнуть проблемы с использованием старого 300-ваттного БП в новом компьютер, которому требуется блок питания мощностью 300 Вт, даже если разъемы питания совместимый. Новому компьютеру очень легко перегрузить шину 12 В старый БП. У вас также могут возникнуть проблемы с перегрузкой, если вставить новый блок питания в старый компьютер. Большинство блоков питания ATX12V 1.3 и более ранних обеспечивают напряжение 3,3 или 5 вольт. мощность для работы со старой материнской платой, но с некоторыми более новыми ATX12V 2.0 и новее расходные материалы снизили доступную мощность на 3.3 и 5. Если вы используете новый поставьте более старую материнскую плату, тогда лучше проверить, достаточно ли на ней мощность на 3.3 и 5. Вы также можете столкнуться с другими проблемами. относящийся к шине -5 вольт. Поддержка -5 вольт была опциональной для блоков питания с тех пор, как ATX12V 1.3, потому что он уже редко используется. Редко включается в новые БП. Но для некоторых старых материнских плат или карт расширения ISA требуется -5. Так что даже если материнские платы и блоки питания разных эпох имеют совместимые разъемы, вы можете есть проблемы с их совместным использованием.Новые и старые блоки питания ATX могут выглядеть одинаково, но то, что происходит внутри, совсем другое.

Авторские права и копия с 2005 по 2007 год, Марк Аллен

Что такое VRM и как он влияет на производительность ЦП

Из-за того, насколько легко построить компьютер, мы часто не ценим электротехнику, которая необходима, чтобы это произошло. Например, как материнская плата управляет питанием вашего процессора? Через модуль регулятора напряжения (VRM).Но что такое VRM и как он влияет на производительность вашего процессора? Здесь мы отвечаем на эти вопросы.

Что такое VRM?

VRM вашей материнской платы – это важная, но недооцененная серия электронных компонентов, которые обеспечивают бесперебойное питание вашего процессора или графического процессора при постоянном напряжении.

Плохой VRM может привести к снижению производительности и ограничить способность процессора работать под нагрузкой. Это может даже привести к неожиданным отключениям, особенно при разгоне.

Как работает VRM?

Первая задача VRM – преобразовать 12-вольтовую мощность блока питания вашего компьютера в пригодное для использования напряжение.Для процессоров это обычно от 1,1 В до 1,3 В. Хрупкая электроника внутри может быть легко замкнута слишком большим напряжением. Точность также важна при питании процессора, и необходимое напряжение должно подаваться как можно точнее. Вот почему VRM сложнее простого отрезка провода. Но по своей сути они представляют собой понижающий преобразователь, точно понижающий напряжение до необходимого уровня.

Для выполнения своей работы VRM использует три компонента: полевые МОП-транзисторы, катушки индуктивности (также называемые дросселями) и конденсаторы.Существует также интегральная схема (ИС) для управления всем этим, иногда называемая ШИМ-контроллером. Упрощенную схему однофазного VRM можно найти ниже.

Более подробное обсуждение функции каждого компонента можно найти на странице VRM WikiChip.

Многофазные VRM

Современным компьютерам требуется больше, чем однофазный VRM. В современных энергосистемах используется многофазный VRM. Наличие нескольких фаз распределяет силовую нагрузку на более широкую физическую область, снижая тепловыделение и нагрузку на компоненты, а также обеспечивая другие улучшения в электрике, связанные с эффективностью и стоимостью каждой детали.

Каждая фаза современного многофазного VRM обеспечивает небольшую часть необходимой мощности, по очереди обеспечивая питание ЦП. Взятые по отдельности, каждая фаза обеспечивает кратковременный момент мощности, визуализированный в виде волны прямоугольной формы.

Увеличение мощности каждой фазы смещено по сравнению с последней, так что, хотя одновременно работает только одна фаза, общее количество мощности никогда не меняется. Это, в свою очередь, обеспечивает бесперебойный и надежный источник питания – «чистую» мощность, необходимую для оптимальной работы ЦП.Ниже вы можете увидеть, как работает упрощенная система.

Нумерация фаз VRM и правда в рекламе

VRM обычно продаются как «8 + 3» или «6 + 2». Число перед плюсом указывает количество фаз, предназначенных для очистки ЦП. Число после плюса указывает фазы VRM, оставшиеся для питания других компонентов материнской платы, таких как ОЗУ.

Когда первое число больше 8, например «12 + 1», «18 + 1» или даже больше, производитель часто использует устройство, называемое удвоителем.Удвоитель позволяет им приумножить преимущество существующих фаз без встраивания дополнительных фаз в плату. Хотя это не так эффективно, как полностью разделенные фазы, оно позволяет внести некоторые улучшения в электрическую систему с меньшими затратами. И поскольку это позволяет производителям увеличить количество обращений к покупателю с небольшими затратами для себя, они часто этим пользуются.

Как VRM улучшает производительность?

Целью VRM является обеспечение чистой и надежной энергии.Тем не менее, даже базовый VRM может обеспечить достаточную производительность для поддержания ЦП среднего уровня на стандартной скорости. При разгоне или расширении ограничений по компонентам качество VRM становится более важным.

Оверклокерам стоит искать VRM, сделанный из надежных компонентов. Если его компоненты дешевы, они могут не обеспечивать достаточное напряжение под нагрузкой, вызывая неожиданные отключения. Наиболее изменчивые компоненты – конденсаторы и дроссели.

Ищите герметичные конденсаторы.Они часто продаются под такими названиями, как «Японские конденсаторы», «Темные конденсаторы» или «Твердые конденсаторы». Высокий разгон также потребует лучших дросселей. Вы можете найти их под названиями суперферритовые дроссели (SFC) или «дроссели из высококачественного сплава». Также обратите внимание на радиаторы над некоторыми или всеми полевыми МОП-транзисторами – если возможно, с ребрами.

Кроме того, те, кто использует более мощные процессоры, такие как Threadripper, должны убедиться, что они получают VRM хорошего качества на своих материнских платах. Многие производители готовы к использованию Threadripper в этом отношении, но с процессорами, которые потребляют много энергии, очень важно убедиться, что вы можете получать чистую мощность как можно чаще.

Заключение

Даже со знанием дела может быть сложно купить подходящий VRM. Стоимость – это небольшое руководство, а маркетинговые материалы, как уже упоминалось, могут быть намеренно вводящими в заблуждение. Подробная информация о компонентах и артикулах редко раскрывается потребителям. Лучше всего провести собственное исследование, прежде чем вы его получите.

Если вам понравилась эта статья о VRM и о том, как она может повлиять на производительность ЦП, обязательно ознакомьтесь с некоторыми другими нашими материалами по оборудованию, такими как наше руководство по приоритизации обновлений для вашего ПК или наши записи о vsync и разрешении экрана, прежде чем покупать свой следующий монитор.

Связанный:

Джон Перкинс

Джон – молодой технический специалист, стремящийся обучать пользователей наилучшим способам использования их технологий. Он имеет технические сертификаты по различным темам, от компьютерного оборудования до кибербезопасности и системного администрирования Linux.

Эта статья полезна? да Нет

Что такое материнская плата?

Обновлено: 01.02.2021, Computer Hope

Также называется mb , материнская плата , mboard , mobo , mobd , объединительная плата , базовая плата , основная плата , планарная плата , системная плата или материнская плата на компьютерах Apple.Материнская плата – это печатная плата и основа компьютера, который является самой большой платой в корпусе компьютера. Он распределяет мощность и обеспечивает связь между ЦП, ОЗУ и всеми другими аппаратными компонентами компьютера.

Обзор материнской платы

Материнская плата обеспечивает связь между аппаратными компонентами компьютера, такими как процессор (CPU), память (RAM), жесткий диск и видеокарта. Существует несколько типов материнских плат, предназначенных для компьютеров разных типов и размеров.

Материнские платы каждого типа предназначены для работы с конкретными типами процессоров и памяти, поэтому они не работают с каждым процессором и типом памяти. Однако жесткие диски в большинстве своем универсальны и работают с большинством материнских плат, независимо от их типа и марки.

Ниже приведено изображение материнской платы ASUS P5AD2-E с этикетками рядом с каждым из ее основных компонентов. Нажав на изображение, вы перейдете к более крупной и подробной версии.

Где находится материнская плата?

Материнская плата компьютера расположена внутри корпуса компьютера и является местом подключения большинства компонентов и периферийных устройств компьютера.У компьютеров в корпусе Tower материнская плата находится слева или справа от башни и является самой большой монтажной платой.

Компоненты материнской платы

Ниже приведены ссылки на страницы с более подробной информацией о каждом из компонентов материнской платы, упомянутых в предыдущем разделе. Ссылки перечислены в порядке по часовой стрелке, начиная с верхнего левого угла изображения. Компоненты, не отмеченные на изображении выше, находятся в разделах далее на этой странице.

Старые компоненты материнской платы

В следующем списке содержатся ссылки на компоненты, которые не показаны на рисунке выше или входили в состав старых компьютерных материнских плат.

Форм-факторы и типы материнских плат

По мере развития компьютеров появляются и материнские платы. Ниже приведен список различных форм-факторов материнских плат и дополнительная информация о каждом из них, включая ATX, который является наиболее распространенным.

Сколько подключений, портов или слотов на материнской плате?

Не существует установленного стандарта для количества подключений, портов или слотов расширения на материнской плате. Лучший способ определить, сколько подключений, портов или слотов доступно для вашей материнской платы, – это просмотреть спецификации, содержащиеся в документации.Если вы потеряли или выбросили документацию по материнской плате, часто можно загрузить бесплатную версию в формате PDF с веб-сайта производителя.

Почему слоты и разъемы разного цвета?

Слоты, порты и соединения на материнской плате могут иметь цветовую кодировку, чтобы помочь определить тип слота, порта или разъема. Например, на нашем изображении материнской платы разъемы IDE имеют разные цвета, чтобы помочь идентифицировать первичный и вторичный разъемы. Если слоты памяти имеют разные цвета, это означает, что слоты памяти двухканальные, и пары модулей памяти должны быть установлены на одном канале (цвет).Например, на нашей картинке желтые слоты памяти – это канал A, а канал B – черные слоты. Если бы вы устанавливали только две карты памяти, вы бы хотели установить их обе в канал A (желтые слоты) для оптимальной производительности.

Кончик

См. Нашу страницу с цветовой кодировкой для получения информации и примеров цвета портов на задней панели материнской платы.

Как материнская плата подключается к корпусу компьютера?

Системная плата компьютера соединяется с корпусом настольного компьютера с помощью подставок.После того, как материнская плата прикреплена к корпусу, все остальные устройства подключаются к самой материнской плате или карте расширения.

Какая была первая материнская плата?

Первой материнской платой считается плата, использованная в персональном компьютере IBM, выпущенном в 1981 году. В то время IBM называла ее «планарной», а не материнской платой. Персональный компьютер IBM и материнская плата внутри него установят стандарт для IBM-совместимого компьютерного оборудования в будущем.

Так как есть материнская плата, есть ли материнская плата?

Нет, не существует материнской платы , когда речь идет о компьютере.Однако существует такое понятие, как дочерняя плата.

Откуда материнская плата получила свое название?

Дочерние платы, упомянутые в предыдущем разделе, представляют собой печатные платы, которые все подключаются к одной большой центральной печатной плате; материнская плата. Платы меньшего размера можно рассматривать как «детей» основной платы, отсюда и название материнская плата.

Отличаются ли материнские платы Dell, HP и других производителей оригинального оборудования?

Да, материнские платы OEM от таких производителей, как Dell и HP, немного отличаются от других материнских плат, которые можно найти у розничных продавцов.OEM-производители проектируют свои материнские платы для каждой модели компьютера. Некоторые OEM-производители могут даже внести радикальные изменения, выходящие за рамки типичного форм-фактора материнской платы. Однако, хотя материнская плата OEM может иметь свои отличия, визуально они часто выглядят очень похожими. Кроме того, если не было слишком много изменений, возможно, можно будет заменить материнскую плату OEM на розничную материнскую плату. Для OEM-компьютеров с большим количеством различий, которые необходимо заменить, вам потребуется замена у OEM-производителя или у сторонней компании, которая продает детали от бывших в употреблении компьютеров.

Есть материнская плата в ноутбуке, смартфоне и планшете?

Да, хотя плату часто называют «логической платой», а не материнской платой. Логическая плата очень похожа на материнскую плату и работает так же. Однако из-за требований к размеру большинства материнских плат такие компоненты, как процессор и оперативная память (в планшетах и смартфонах), припаяны к плате. Кроме того, поскольку многие из этих устройств не имеют возможности обновления, нет слотов или розеток, как на традиционной материнской плате компьютера.

Объединительная плата, Форм-фактор, Оборудование, Материнские платы, Северный мост, Южный мост, Standout