Шим контроллер на материнской плате что это такое
Диагностика шим контроллера на материнской плате
Здравствуйте. Из этой статьи вы узнаете, как правильно провести диагностику и выявить неисправности шим контроллера, не выпаивая его из материнской платы ноутбука.
Шим контроллер расположен в цепи питания процессора. У него имеется два плеча: верхнее (фото 1) и нижнее (фото 2). Каждое их состоит из трех транзисторов (каждый на свою фазу).
Как правильно провести диагностику
Чтобы проверить работоспособность шим контроллера на материнской плате нужно, в первую очередь, измерить сопротивление на контактах всех транзисторов (измеряется на четвертом контакте транзистора). Это, по сути, ключи, которыми непосредственно управляет шим контроллер.
Сначала по очереди измеряем сопротивление во всех трех фазах верхнего плеча. Фиксируем в записях или запоминаем показания (измеряется в килоОм). Если на какой-либо из них сопротивление сильно занижено, то возможно фаза неисправна.
Далее измеряем сопротивление в фазах нижнего плеча (измеряется в мегаОм). Если на одной из фаз значение слишком низкое, то это может означать, что на ней произошло короткое замыкание.
Выводы и дальнейшие действия
Все показания, полученные при измерении сопротивления на фазах шим контроллера необходимо проанализировать. Опираясь на эти данные вы сможете сделать вывод: следует заменить шим контроллер на материнской плате ноутбука или нет.
Если необходимо – производим замену шим контроллера и обязательно еще раз производим все замеры. В рабочем состоянии все фазы в пределах одного плеча будут показывать примерно одинаковые значение. Нормальные показатели для верхнего плеча составляют порядка 280-290 килоОм. Для фаз нижнего плеча: 2,5 – 3 мегаОм.
Аналогичным способом вы сможете диагностировать работоспособность питания видеокарты, питания памяти и других шим контроллеров.
Подробную видео инструкцию можно просмотреть по адресу:
Самые важные параметры преобразователей VRM материнских плат
Содержание
Содержание
Модуль регулятора напряжения материнской платы состоит из множества радиоэлементов: начиная от ШИМ-контроллера, который является центром управления, и заканчивая умножителями и мосфетами. Давайте разберемся, какие у них бывают технические характеристики и что это дает на практике.
В предыдущих статьях цикла мы уже выяснили, из чего состоит VRM. Также рассмотрели пять различных топологий, которые применяют производители плат. Перед прочтением материала рекомендуем сперва ознакомиться с этими публикациями.
ШИМ-контроллеры
Основной параметр контроллера — количество каналов управления.
Центральный процессор состоит из двух функциональных узлов, которые питаются через отдельные линии питания: VDD — это ядра процессора, а в SoC входят интегрированная графика и контроллер памяти. Получается, что ШИМ-контроллер состоит из двух контроллеров, которые работают независимо, но расположены в одном корпусе. Первая часть каналов используется для формирования напряжения питания VDD, а вторая — для SoC.
Сам преобразователь VRM тоже делится на два независимых канала. Они обозначаются в схеме питания как А + В, где А — количество каналов для формирования напряжения VDD; а В — количество для SoC.
Разберем на примерах. В материнской плате GIGABYTE A520M DS3H реализована схема питания 5 + 3. Пять каналов предназначены для VDD, три формируют напряжение для SoC. Применяемый в плате контроллер Renesas RAA 229004 способен работать и по схеме 6 + 2, все зависит от производителя. Топология преобразователя VRM классическая: один канал ШИМ-контроллера управляет одной фазой.
В GIGABYTE B550 AORUS Elite V2 используется контроллер Intersil RAA 229004 со схемой питания 12 + 2. Корректней будет записать ее (6 × 2) + 2. Шесть каналов контроллера через удвоители управляют 12 фазами питания VDD, еще два канала — двумя фазами, формирующими напряжение для SoC.
В материнской плате ASUS TUF Gaming Z590-Plus реализована схема 14 + 2 [корректней (7 × 2) + (1 × 2)]. Восьмиканальный ШИМ-контроллер ASP1900B использует семь каналов, которые через удвоители управляют 14 фазами питания VDD, а последний канал (тоже через даблер) выдает напряжение на SoC.
Умножители
Они предназначены для кратного увеличения количества фаз и увеличения результирующей мощности VRM. Подробнее читайте здесь.
Умножители распределяют импульсы поочередно, поэтому частота на каждом из выходов удвоителя (400 кГц) будет вдвое ниже частоты на входе (800 кГц).
А для учетверителя — в четыре раза ниже (200 кГц):
В материнской плате GIGABYTE Z490 Aorus Xtreme используются даблеры Renesas ISL 6617. Они удваивают восемь каналов ШИМ-контроллера Renesas ISL 69269 до 16 фаз.
Также в ее VRM применяется интересное техническое решение. Для питания функциональных узлов процессора используются разные ШИМ-контроллеры. На VDD напряжение формирует восьмиканальный Renesas ISL 69269, а для SoC — одноканальный Richtek RT9018B.
Мосфеты
Ключевым параметром мосфета является Rds (Resistanse drain to source, в переводе «сопротивление сток — исток»). От него зависит, какая мощность будет выделяться на корпусе в виде тепла. Эти потери определяют КПД всего функционального узла, в котором используется мосфет. Чем ниже Rds — тем лучше. Подробнее об устройстве и работе полевого транзистора читайте здесь.
Разберем на примере. Выделяемая мощность — это произведение квадрата протекаемого тока на его сопротивление: P = I 2 × R. Если последнее велико (примем 0,1 Ом), то при токе 20 А мощность составит 40 Вт (20 2 × 0,1 = 40). Это довольно большая величина, которая способна вывести мосфет из строя. Чтобы предотвратить подобное, нужно уменьшить ток. То есть, при большом сопротивлении максимальный ток ограничивается мощностью рассеивания, даже если кристалл мосфета способен пропускать гораздо больше.
Хорошим значением Rds считается диапазон от 0,001 до 0,003 Ом. В таком случае мощность составит от 0,4 Вт до 1,2 Вт.
Мосфеты обладают положительным коэффициентом сопротивления, что является негативным фактором. Это значит, что при увеличении их температуры Rds тоже увеличивается.
Еще один параметр, о котором стоит упомянуть — максимальный ток мосфета (ID). Это величина, которую полевой транзистор способен пропустить через себя, работая в ключевом режиме на предельной температуре кристалла. При известном значении Rds этот ток определяет максимальную рассеиваемую мощность (Pmax = ID 2 × Rds).
Третья важная характеристика — максимальная частота. Чтобы о ней поговорить, сперва нужно разобраться, какие бывают сборки мосфетов.
Сборка в одном корпусе с драйвером
В 2004 году Intel разработала технологию DrMOS. Название составили из начальных частей слов Driver и MOSFET. Инженеры компании упаковали в одном корпусе микросхемы сразу несколько элементов: драйвер и оба силовых ключа (верхнего и нижнего плеча).
Элементы в такой схеме располагаются очень компактно. Длина соединительных линий стала меньше, что привело к уменьшению паразитных индуктивностей и емкостей. В результате частота переключения мосфетов, при которой сохраняются требуемые параметры по тепловыделению и КПД, увеличилась до четырех раз. Помимо этого, удалось добиться наилучшего согласования выходных параметров драйвера с входными характеристиками мосфетов.
Экономия площади текстолита — еще одно достоинство, что особенно актуально для материнских плат формата mATX. Но есть и недостаток. Если дискретный силовой ключ или драйвер выйдут из строя, то можно перепаять их отдельно. В случае DrMOS придется менять всю микросхему, что значительно дороже.
DrMOS используют большинство производителей. Например, компания ASUS применила их для VRM материнской платы ROG STRIX B550-F GAMING.
Сборка в одном корпусе, но драйвер отдельно
В такой гибридной компоновке два силовых ключа соединяют в единый коммутатор, а драйвер располагают отдельно.
Мосфеты подбираются с параметрами, которые обеспечивают сбалансированную работу в паре. С одной стороны, экономится площадь материнской платы, а с другой — немного увеличивается ремонтопригодность (в сравнении с DrMOS).
Дискретная компоновка
Несмотря на то, что эта схема самая «древняя» и кажется устаревшей, до сих пор выпускается множество материнских плат с раздельными мосфетами и драйвером.
Главный недостаток — невысокая скорость переключения силовых ключей. Из-за длинных связей между элементами, паразитные индуктивности здесь гораздо больше. Поэтому максимальная частота переключения мосфетов значительно ниже, чем у DrMOS. Она составляет примерно 0,5 МГц, тогда как совместная сборка с драйвером позволяет поднять ее вплоть до 2 МГц:
Недостатки и преимущества обратны DrMOS. С одной стороны, хорошая ремонтопригодность. Но с другой, используется бо́льшая площадь текстолита платы.
Компоновка VRM с дискретными ключами и драйверами применяется, например, в материнской плате MSI MAG B560M MORTAR.
Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы
Раньше для питания устройств использовали схему с понижающим (или повышающим, или многообмоточным) трансформатором, диодным мостом, фильтром для сглаживания пульсаций. Для стабилизации использовались линейные схемы на параметрических или интегральных стабилизаторах. Главным недостатком был низкий КПД и большой вес и габариты мощных блоков питания.
Во всех современных бытовых электроприборах используются импульсные блоки питания (ИБП, ИИП – одно и то же). В большинстве таких блоков питания в качестве основного управляющего элемента используют ШИМ-контроллер. В этой статье мы рассмотрим его устройство и назначение.
Содержание статьи
Определение и основные преимущества
ШИМ-контроллер – это устройство, которое содержит в себе ряд схемотехнических решений для управления силовыми ключами. При этом управление происходит на основании информации полученной по цепям обратной связи по току или напряжению – это нужно для стабилизации выходных параметров.
Аббревиатура «ШИМ» расшифровывается, как широтно-импульсная модуляция – это один из методов модуляции сигнала не за счёт величины выходного напряжения, а именно за счёт изменения ширины импульсов. В результате формируется моделируемый сигнал за счёт интегрирования импульсов с помощью C- или LC-цепей, другими словами – за счёт сглаживания.
Вывод: ШИМ-контроллер – устройство, которое управляет ШИМ-сигналом.
Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств
Основные характеристики
Для ШИМ-сигнала можно выделить две основных характеристики:
1. Частота импульсов – от этого зависит рабочая частота преобразователя. Типовыми являются частоты выше 20 кГц, фактически 40-100 кГц.
2. Коэффициент заполнения и скважность. Это две смежных величины характеризующие одно и то же. Коэффициент заполнения может обозначаться буквой S, а скважность D.
где T – это период сигнала,
Коэффициент заполнения – часть времени от периода, когда на выходе контроллера формируется управляющий сигнал, всегда меньше 1. Скважность всегда больше 1. При частоте 100 кГц период сигнала равен 10 мкс, а ключ открыт в течении 2.5 мкс, то коэффициент заполнения – 0.25, в процентах – 25%, а скважность равна 4.
Также важно учитывать внутреннюю конструкцию и предназначение по количеству управляемых ключей.
Отличия от линейных схем потери
Как уже было сказано, преимуществом перед линейными схемами у импульсных источников питания является высокий КПД (больше 80, а в настоящее время и 90%). Это обусловлено следующим:
Допустим сглаженное напряжение после диодного моста равно 15В, ток нагрузки 1А. Вам нужно получить стабилизированное питание напряжением 12В. Фактически линейный стабилизатор представляет собой сопротивление, которое изменяет свою величину в зависимости от величины входного напряжения для получения номинального выходного – с небольшими отклонениями (доли вольт) при изменениях входного (единицы и десятки вольт).
На резисторах, как известно, при протекании через них электрического тока выделяется тепловая энергия. На линейных стабилизаторах происходит такой же процесс. Выделенная мощность будет равна:
Так как в рассмотренном примере ток нагрузки 1А, входное напряжение 15В, а выходное – 12В, то рассчитаем потери и КПД линейного стабилизатора (КРЕНка или типа L7812):
Pпотерь=(15В-12В)*1А = 3В*1А = 3Вт
Если же входное напряжение вырастит до 20В, например, то КПД снизится:
Основной особенностью ШИМ является то, что силовой элемент, пусть это будет MOSFET, либо открыт полностью, либо полностью закрыт и ток через него не протекает. Поэтому потери КПД обусловлены только потерями проводимости
И потерями переключения. Это тема для отдельной статьи, поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Также потери блока питания возникают в выпрямительных диодах (входных и выходных, если блок питания сетевой), а также на проводниках, пассивных элементах фильтра и прочем.
Общая структура
Рассмотрим общую структуру абстрактного ШИМ-контроллер. Я употребил слово «абстрактного» потому что, в общем, все они похожи, но их функционал все же может отличаться в определенных пределах, соответственно будет отличаться структура и выводы.
Внутри ШИМ-контроллера, как и в любой другой ИМС находится полупроводниковый кристалл, на котором расположена сложная схема. В состав контроллера входят следующие функциональные узлы:
1. Генератор импульсов.
2. Источник опорного напряжения. (ИОН)
3. Цепи для обработки сигнала обратной связи (ОС): усилитель ошибки, компаратор.
4. Генератор импульсов управляет встроенными транзисторами, которые предназначены для управления силовым ключом или ключами.
От типа ключа также зависит выбор ШИМ-контроллера. Для управления биполярным транзистором основным требованием является, чтобы выходной ток управления ШИМ-контроллера не был ниже, чем ток транзистора деленный на H21э, чтобы его включать и отключать достаточно просто подавать импульсы на базу. В этом случае подойдет большинство контроллеров.
Если говорить обобщенно, то ШИМ-контроллер можно представить в виде компаратора, на один вход которого подан сигнал с цепи обратной связи (ОС), а на второй вход пилообразный изменяющийся сигнал. Когда пилообразный сигнал достигает и превышает по величине сигнал ОС, то на выходе компаратора возникает импульс.
При изменениях сигналов на входах ширина импульсов меняется. Допустим, что вы подключили мощный потребитель к блоку питания, и на его выходе напряжение просело, тогда напряжение ОС также упадет. Тогда в большей части периода будет наблюдаться превышение пилообразного сигнала над сигналом ОС, и ширина импульсов увеличится. Всё вышесказанное в определенной мере отражено на графиках.
Рабочая частота генератора устанавливается с помощью частотозадающей RC-цепи.
Функциональная схема ШИМ-контроллера на примере TL494, мы рассмотрим его позже подробнее. Назначение выводов и отдельных узлов описано в следующем подзаголовке.
Назначение выводов
Поэтому рассмотрим типовые названия выводов и их назначение:
GND – общий вывод соединяется с минусом схемы или с землей.
Uc (Vc) – питание микросхемы.
Ucc (Vss, Vcc) – Вывод для контроля питания. Если питание проседает, то возникает вероятность того, что силовые ключи не будут полностью открываться, а из-за этого начнут греться и сгорят. Вывод нужен чтобы отключить контроллер в подобной ситуации.
Vref – опорное напряжения, обычно соединяется с землей через небольшой конденсатор (единицы микрофарад).
ILIM – сигнал с датчика тока. Нужен для ограничения выходного тока. Соединяется с цепями обратной связи.
ILIMREF – на ней устанавливается напряжение срабатывания ножки ILIM
SS – формируется сигнал для мягкого старта контроллера. Предназначен для плавного выхода на номинальный режим. Между ней и общим проводом для обеспечения плавного пуска устанавливают конденсатор.
RtCt – выводы для подключения времязадающей RC-цепи, которая определяет частоту ШИМ-сигнала.
CLOCK – тактовые импульсы для синхронизации нескольких ШИМ-контроллеров между собой тогда RC-цепь подключается только к ведущему контроллеру, а RT ведомых с Vref, CT ведомых соединяюся с общим.
EAOUT или Error Amplifier Output рус. Выход усилителя ошибки. Не смотря на то, что есть входы усилителя ошибки и с их помощью, в принципе можно регулировать выходные параметры, но контроллер довольно медленно на это реагирует. В результате медленной реакции может возникнуть возбуждение схемы, и она выйдет из строя. Поэтому с этого вывода через частотозависимые цепи подают сигналы на INV. Это еще называется частотной коррекцией усилителя ошибки.
Примеры реальных устройств
Для закрепления информации давайте рассмотрим несколько примеров типовых ШИМ-контроллеров и их схем включения. Мы будем делать это на примере двух микросхем:
TL494 (её аналоги: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);
Они активно используются в блоках питания для компьютеров. Кстати, эти блоки питания обладают немалой мощностью (100 Вт и больше по 12В шине). Часто используются в качестве донора для переделки под лабораторный блок питания или универсальное мощное зарядное устройство, например для автомобильных аккумуляторов.
TL494 – обзор
Начнем с 494-й микросхемы. Её технические характеристики:
В этом конкретном примере можно видеть большинство описанных выше выводов:
1. Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки
2. Инвертирующий вход первого компаратора ошибки
3. Вход обратной связи
4. Вход регулировки мертвого времени
5. Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора
6. Вывод для подключения времязадающего резистора
7. Общий вывод микросхемы, минус питания
8. Вывод коллектора первого выходного транзистора
9. Вывод эмиттера первого выходного транзистора
10. Вывод эмиттера второго выходного транзистора
11. Вывод коллектора второго выходного транзистора
12. Вход подачи питающего напряжения
13. Вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы микросхемы
14. Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт
15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки
16. Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки
На рисунке ниже изображен пример компьютерного блока питания на этой микросхеме.
Другой популярной ШИМ является микросхема 3843 – на ней также строятся компьютерные и не только блоки питания. Её цоколевка расположена ниже, как вы можете наблюдать, у неё всего 8 выводов, но функции она выполняет те же, что и предыдущая ИМС.
Бывает UC3843 и в 14-ногом корпусе, но встречаются гораздо реже. Обратите внимание на маркировку – дополнительные выводы либо дублируются, либо незадействованы (NC).
Расшифруем назначением выводов:
1. Вход компаратора (усилителя ошибки).
2. Вход напряжения обратной связи. Это напряжение сравнивается с опорным внутри ИМС.
3. Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в между силовым транзистором и общим проводом. Нужен для защиты от перегрузок.
4. Времязадающая RC-цепь. С её помощью задаётся рабочая частота ИМС.
6. Выход. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, здесь двухтактный выходной каскад для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), что можно наблюдать на рисунке ниже.
7. Напряжение питания микросхемы.
8. Выход источника опорного напряжения (5В, 50 мА).
Её внутренняя структура.
Можно убедится, что во многом похожа и на другие ШИМ-контроллеры.
Простая схема сетевого источника питания на UC3842
Явно полезное:
ШИМ со встроенным силовым ключем
ШИМ-контроллеры со встроенным силовым ключем используются как в трансформаторных импульсных блоках питания, так и в бестрансформаторных DC-DC преобразователях понижающего (Buck), повышающего (Boost) и понижающее-повышающего (Buck-Boost) типов.
Пожалуй, одним из наиболее удачных примеров будет распространенная микросхема LM2596, на базе которого на рынке можно найти массу таких преобразователей, как изображен ниже.
Такая микросхема содержит в себе все вышеописанные технические решения, а также вместо выходного каскада на маломощных ключах в ней встроен силовой ключ, способный выдержать ток до 3А. Ниже изображена внутренняя структура такого преобразователя.
Можно убедиться, что в сущности особых отличий от рассмотренных в ней нет.
А вот пример трансформаторного блока питания для светодиодной ленты на подобном контроллере, как видите силового ключа нет, а только микросхема 5L0380R с четырьмя выводами. Отсюда следует, что в определенных задачах сложная схемотехника и гибкость TL494 просто не нужна. Это справедливо для маломощных блоков питания, где нет особых требований к шумам и помехам, а выходные пульсации можно погасить LC-фильтром. Это блок питания для светодиодных лент, ноутбуков, DVD-плееров и прочее.
Заключение
В начале статьи было сказано о том, что ШИМ-контроллер это устройство которое моделирует среднее значение напряжения за счет изменения ширина импульсов на основании сигнала с цепи обратной связи. Отмечу, что названия и классификация у каждого автора часто отличается, иногда ШИМ-контроллером называют простой ШИМ-регулятор напряжения, а описанное в этой статьей семейство электронных микросхем называют «Интегральная подсистема для импульсных стабилизированных преобразователей». От названия суть не меняется, но возникают споры и недопонимания.