Мосфеты на материнской плате что это

Обновлено: 07.07.2024

VRM материнской платы, или модуль регулятора напряжения ( Voltage Regulator Module ), является важной, но недооцененной многими частью аппаратного обеспечения компьютера. Благодаря ряду электронных компонентов VRM обеспечивает стабильное питание вашего ЦПУ или ГПУ постоянным напряжением. Некачественная система VRM может привести к снижению производительности и ограничить способность процессора работать под нагрузкой. Это даже может привести к неожиданным отключениям, особенно в разгоне.

Как работает VRM?

Первая задача VRM состоит в том, чтобы понижать напряжение блока питания с 12 Вольт до необходимого значения. Для процессоров оно обычно составляет от 1,1 до 1,3 Вольт. Чувствительная электроника может с легкостью выйти из строя от излишнего напряжения. Точность имеет огромное значение при питании процессора. Необходимое напряжение должно подаваться постоянно, без просадок и завышений. Именно поэтому система VRM несколько точнее, чем просто кусок провода и резистор, однако в своей основе это все же понижающий преобразователь с высокой точностью.

В системе VRM для выполнения этой задачи используются три основных компонента: МОП-транзисторы ( их еще называет мосфетами, MOSFET ), катушки индуктивности ( дроссели ) и конденсаторы. Для управления этими элементами также применяется интегральная схема ( integrated circuit, IC ), которую еще иногда называют ШИМ ( PWM ) контроллером. Так выглядит упрощенная схема однофазного VRM:

БлокиVRM из нескольких фаз

Современные компьютеры требуют наличия более одной фазы VRM. Несколько фаз распределяют нагрузку по всей области платы, уменьшая выработку тепла и нагрузку на компоненты, а также обеспечивая другие электрические улучшения, связанные с эффективностью и стоимостью деталей.

Каждая фаза современных многофазных VRM систем обеспечивает часть необходимой мощности, поочередно питая процессора. Работая индивидуально, каждая фаза обеспечивает короткий импульс мощности, который можно визуализировать в виде волны прямоугольной формы.

ШИМ контроллер формирует импульсы для каждой из четырех фаз VRM, при этом одновременно работает только одна фаза. ШИМ контроллер формирует импульсы для каждой из четырех фаз VRM, при этом одновременно работает только одна фаза.

Импульс каждой работающей фазы смещается относительно последней, так чтобы работала только одна фаза и общее напряжение никогда не менялось. В результате полученное напряжение будет иметь гораздо меньший уровень пульсаций, что крайне важно для правильной работы процессора. Именно в таком подходе и заключается основное преимущество многофазных цепей питания – более стабильный уровень подаваемого на процессор напряжения.

Количество фаз VRM и маркетинг

Производители обычно указывают в рекламных материалах количество фаз как «8+3» или «6+2». Первая цифра говорит нам о количестве фаз, выделенных для питания процессора, а вторая цифра указывает на фазы VRM, применяемые для питания остальных компонентов материнской платы, например, оперативной памяти.

На сайте производителя материнской платы указано наличие 10* фаз питания, что на самом деле является удвоенным количеством. На сайте производителя материнской платы указано наличие 10* фаз питания, что на самом деле является удвоенным количеством.

Зачастую, когда первое число больше 8, например, «12+1» или «18+1», производитель использует удвоители. Удвоитель позволяет увеличивать преимущества существующих фаз, не добавляя дополнительных на плату. Хотя такой подход не настолько эффективен, как полностью раздельные фазы, он допускает некоторые улучшения при меньших затратах. И поскольку такой подход выглядит более привлекательно на бумаге, это позволяет производителям увеличить число заинтересованных покупателей.

Некоторые производители, также начали указыать фазы питания, соединенные параллельно, как если бы они являлись двумя независимыми фазами. На самом деле это означает, что одна фаза дублируется. Ее электрические сигналы синхронизируются, а не поступают в шахматном порядке, что не добавляет многих преимуществ настоящей, дополнительной фазы. Производители в свою очередь, зачастую готовы изменить определения слов, если это соответствует их целям.

Как VRM улучшает производительность?

Целью VRM является обеспечение бесперебойного и надежного питания процессора. Тем не менее, даже базовый блок VRM может обеспечить достаточную производительность для работы ЦПУ среднего уровня на стандартных частотах. При разгоне или превышении ограничений компонентов, качество VRM становится заметно более важным.

Энтузиасты вынуждены искать материнские платы с VRM, выполненным из надежных компонентов. Если детали невысокого качества, то они могут выдавать недостаточное напряжение под нагрузкой, что может привести к неожиданному отключению. Многие производители отмечают в своих рекламных материалах качественные конденсаторы как «Solid Capacitors» или «Твердотельные конденсаторы». В тоже время для обозначения более дорогих дросселей может использоваться понятие «Premium Alloy Chokes». Дополнительным свидетельством хорошего блока VRM может служить наличие радиаторов, поскольку более мощная система требует своевременного отвода тепла.

Как выбрать качественную VRM систему?

Даже со знанием дела иногда очень сложно выбрать материнскую плату с качественной системой питания процессора. Производители зачастую не сообщают многих технических деталей и намеренно вводят покупателя в заблуждение. Наилучшим вариантом может стать чтение подробных обзоров, где уделяется внимание всем компонентам материнской платы.

Мосфет ( MOSFET ) — это полупроводниковый полевой транзистор с оксидом металла (metal oxide semiconductor field effect transistor). В мире ПК эти электрические компоненты находятся на материнской плате настольного компьютера или ноутбука, а также на блоке питания.

В этой небольшой статье мы попытаемся разобраться что такое мосфеты (mosfet), а также выясним где они используются.

Мосфеты на материнской плате

На ПК мосфеты образуют VRM (модуль регулятора напряжения), который контролирует, сколько напряжения получают комплектующие на материнской плате, такие как процессор или видеокарта.

П роцессоры и видеокарты, имеют строгое рабочее напряжение, и VRM не допус кает его превышения. Мосфеты важны для работы VRM и влияют на количество тепла, выделяемого VRM во время работы. Мосфеты могут довольно сильно нагреется, если вы используете мощную видеокарту. Р адиатор материнской платы охлаждает мосфеты и, следовательно, VRM. Помимо обеспечения стабильности и безопасности всей системы в целом, охлаждение мосфетов важно для любого разгона.

Как они работают

Мосфеты напоминают выключатели, которые включаются и выключаются по сигналу интегральной микросхемы (ИС), называемой ШИМ-чипом/контроллером. Мосфеты быстро включаются и выключаются, что позволяет пропускать большой ток короткими очередями. Это, наряду с другими частями VRM, управляет напряжением, посылаемым на другие комплектующие.

Для охлаждения мосфетов во время экстремальных разгонов, энтузиасты часто используют водяное охлаждение.

Мосфеты и блоки питания

Мосфеты делают то же самое и в блоках питания. Они используются в преобразователях и цепях регуляторов для коммутации в импульсных источниках питания (SMPS).

В SMPS энергия извлекается из розетки перед ее разбиением на небольшие пакеты, а мосфеты работают переключателями. Затем эти пакеты передаются через конденсаторы, индукторы и другие электрические компоненты, способные накапливать энергию. В конце концов, пакеты сливаются в один для получения стабильного электропитания.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

VRM (Voltage Regulator Module) является неотъемлемым и одним из важнейших элементов материнской платы, который отвечает за питание центрального процессора. Высокочастотные чипы, такие как ЦПУ компьютера, очень чувствительны к качеству питания. Малейшие неполадки с напряжением или пульсациями могут повлиять на стабильность работы всего компьютера. VRM представляет собой не что иное, как импульсный преобразователь, который понижает 12 вольт, идущие от блока питания, до необходимого процессору уровня. Именно от VRM зависит подаваемое на ядра напряжение.

Принцип работы VRM был описан в более ранней статье, а сейчас мы рассмотрим, из чего состоит подсистема питания процессора.

VRM состоит из пяти основных составляющих: MOSFET-транзисторы, дроссели, конденсаторы, драйверы и контроллер.

Транзисторы

«MOSFET» является аббревиатурой, которая расшифровывается как «Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor». Так что MOSFET — это полевой МОП-транзистор с изолированным затвором.

Дроссели

Дроссели — это катушки индуктивности, которые стабилизируют напряжение. Вместе с конденсаторами они образуют LC-фильтр, позволяющий избавиться от скачков напряжения и уменьшить пульсации. В современных материнских платах дроссели выглядят как темные кубики, находящиеся около МОП-транзисторов.

Конденсаторы

В современных платах твердотельные полимерные конденсаторы уже давно вытеснили электролитические. Это связано с тем, что полимерные конденсаторы имеют намного больший срок эксплуатации. Конденсаторы помогают стабилизировать напряжение и уменьшать пульсации.

Контроллер

Контроллер — чип, рассчитывающий, с каким сдвигом по времени будет работать та или иная фаза. Является «мозгом» всей VRM.

Драйвер

Драйвер — это чип, исполняющий команды контроллера по открытию или закрытию полевого транзистора.

Охлаждение — зачем оно нужно

Существует прямая связь между энергопотреблением процессора и нагревом VRM. Чем больше потребляет процессор, тем больше нагрузка на цепи питания, и, следовательно, больше их нагрев. MOSFET-транзисторы во время работы выделяют значительное количество тепла. Поэтому на них устанавливают пассивное охлаждение в виде радиатора, чтобы избежать перегрева и нестабильной работы. Производители материнских плат начального уровня часто экономят на этом, оставляя цепи питания без охлаждения, что, конечно, не очень хорошо, но не слишком критично, поскольку на подобные материнские платы обычно не ставят топовые процессоры с высоким TDP.

На транзисторы цепей питания можно не ставить охлаждение при условии, что температура во время нагрузки не будет превышать допустимых значений. Поэтому без охлаждения VRM очень нежелательно устанавливать «прожорливые» процессоры. На материнских платах, рассчитанных под оверклокинг, обязательно имеется охлаждение.

В самых топовых платах, помимо обычного радиатора, можно встретить испарительную камеру или водоблок для подключения к контуру СЖО.

Количество фаз

У неопытных пользователей именно эта характеристика зачастую становится ключевой при выборе материнской платы. Производители знают об этом и часто прибегают к различным уловкам. Чаще всего можно встретить использование двойного набора компонентов для одной фазы, что создает видимость большего количества фаз. Количество и характеристики фаз обычно не указываются производителями в расчете на то, что неопытный покупатель увидит много дросселей и купит плату, решив, что «больше — лучше».

Чтобы узнать реальное количество фаз и используемые компоненты, нужно посмотреть характеристики установленного на материнскую плату ШИМ-контроллера в технической спецификации. Количество дросселей далеко не всегда говорит о реальном количестве фаз. Кроме того, стоит учитывать, что некоторые драйверы способны работать в качестве удвоителя фазы. Это позволяет увеличить количество фактических фаз без использования более продвинутого ШИМ-контроллера.

Конфигурация фаз питания

В описаниях материнских плат часто можно увидеть такие обозначения, как 8+2, 4+1, и т. п. Эти цифры означают количество фаз, отведенных на питание ЦПУ и остальных элементов. Например, 8+2 означает, что 8 фаз отведено на питание ядер процессора, а оставшиеся 2 рассчитаны на контроллер памяти.

От количества фаз зависит уровень пульсаций, действующих на процессор. Чем больше фаз, тем меньше пульсаций тока. Большее количество фаз означает большее количество MOSFET-транзисторов в цепи, что положительно сказывается на температурных показателях. Кроме того, чем больше транзисторов, тем легче будет поставить высокое напряжение на ядра, что позитивно скажется на оверклокинге. В большом количестве фаз, по большому счету, имеются только плюсы. Главным и единственным недостатком, пожалуй, является лишь высокая цена.

Мосфеты — разновидность полевых транзисторов, очень полезная штука, если правильно его подобрать, подключить и использовать. Я их люблю применять в поделках. Маломощные в основном для экономичности потребления тока, мощные для коммутации амперных нагрузок и для силовых ключей в ШИМ- схемах и генераторах.

В отличие от простых биполярных транзисторов управляются они не током а напряжением. Управляющий электрод — затвор по сути является одним контактом простого неполярного конденсатора малой емкости.

В логических пятивольтовых схемах очень хорошо применять "логические" мосфеты — транзисторы, которые управляются напрямик с ножек микроконтроллера.

При подборе и выборе мощного мосфета нужно учитывать его основные параметры, это максимальное напряжение на его ножках, сопротивление между входом и выходом в открытом состоянии и напряжение на затворе, достаточное полностью открыть мосфет. Для логических мосфетов это напряжение в основном чуть ниже пяти вольт.

При подключении мощных нагрузок на первый план выступает проходное сопротивление сток — исток в открытом состоянии. Чем больше коммутируемый ток — тем важнее этот праметр. В даташитах этот параметр всегда на первой странице отдельной строкой.

Чем меньше этот параметр, тем меньше тепла будет выделяться мосфетом при работе. Даже небольшое изменение этого параметра приводит к большим разностям в выделении тепла.

Для примера я собрал тестовую схему:

Для замеров я использовал два мультиметра. Напряжение на затвор от нуля до максимума я подавал через проволочный многооборотный резистор СП5-3. Подопытным транзистором был 2SK3918.

Вот таблица замеров:

Данные конечно получились не совсем точные, но для общего сведения пойдет.
Пояснения:

GS — напряжение между затвором и минусом схемы, которое поступает с подстроечного резистора

DS — напряжение падения на транзисторе.

I — ток нагрузки — лампочки.

Далее применив Закон Ома вычислилась мощность W и сопротивление R. Вот это сопротивление и указывается в даташитах. Красным отмечена слишком большая мощность нагрева транзистора — мосфет полностью не открыт.

При использовании в качестве мощных ШИМ-ключей для регулировки яркости светодиодов и ламп нельзя задирать частоту импульсов высоко. Достаточно держать её чуть выше 50 Герц. Например така частота у штатных панелей приборов оптитрон и у штатных ДХО из ламп дальнего света " в пол накала" в тойотах. Если использовать более высокие частоты (килогерцы и выше) затвор мосфета начинает хорошо проводить ток и для раскачки его необходимо усложнять схему или использовать специальные драйверы.

Как показала практика мосфет 2SK3918 спокойно без радиатора в воздухе выдерживает 60-ти ватовую лампочку, оставаясь слегка теплым при напряжении на затворе в пять вольт. При подключении ШИМ генератора со скважностью 30-50% вообще холодный.

В последнее время подрабатывал на дому выполнением ремонтов электроники. Ремонтируя как технику знакомых, так и выкупленную на местном форуме (Авито и Юле), с целью реализации. Занимался всем на что хватало опыта и знаний: от бытовой аудио-видео, до компьютерной техники.

Мосфеты цепи питания процессора

Дросселя питания процессора

Для того чтобы электролитические конденсаторы установленные по цепям питания процессора и находящиеся рядом с радиатором процессора (кулером) не вздулись от перегрева, необходимо эффективно отводить выделяемое при работе процессора тепло, иначе говоря требуется эффективная система охлаждения. Но вернемся к сути ремонта.

Мосфет транзистор фото

Если система охлаждения не справляется, то помимо конденсаторов греются еще и установленные на плате мосфеты, транзисторы многофазной системы питания процессора. Количество фаз питания составляет от трех на бюджетных материнских платах, до 4-5 и более в более дорогих, топовых игровых материнках.

Что происходит, когда один из этих квадратиков, полевых транзисторов мосфетов, оказывается пробит? Многие пользователи ПК встречались наверное с подобной поломкой: нажимаешь кнопку включения на корпусе системного блока, кулера дергаются, пытаются начать вращаться и останавливаются, а при повторной попытке включить все повторяется снова.

Провод 4 пин питания процессора

Что это означает? Что в цепях питания процессора где-то короткое замыкание, а скорее всего пробит один из этих самых мосфетов. Как самым простым способом попробовать определить один из вариантов, ваш ли это случай, доступным даже школьнику практически не умеющему обращаться с мультиметром?

Распиновка разъема 4 пин

Если при установленном процессоре отключить на материнской плате разъем дополнительного питания процессора 4 pin и посмотрев по цветам где у нас находится желтый провод +12 вольт, и черный, земля, или GND, и установив на мультиметре режим звуковой прозвонки прозвонить на данном разъеме материнской платы между желтым и черным проводами у нас зазвучит звуковой сигнал, это означает что пробит один или несколько мосфетов.

Монтаж транзистора на материнке

Процессор, проводя измерения с помощью мультиметра на мосфетах нужно вынимать, так как он имеет низкое сопротивление, которое может ввести в заблуждение при измерениях. Так вот, выпаяв из схемы дроссель мы исключаем то самое влияющее всегда на правильность результатов измерений сопротивление всех, параллельно включенных радиодеталей. Сопротивление, как известно, всегда считается при параллельном соединении, по правилу “меньше меньшего”.

Схема питания процессора

Иначе говоря, общее сопротивление всех подключенных параллельно радиодеталей будет меньше, чем сопротивление детали имеющей самое меньшее сопротивление, стоящей в нашей цепи при параллельном соединении.

Итак, виновник КЗ (короткого замыкания) цепи питания найден, теперь нужно его устранить. Как это сделать, ведь паяльный фен есть в домашней мастерской не у всех начинающих радиолюбителей? Для начала нам потребуется демонтировать, выпаять с платы установленные обычно вплотную электролитические конденсаторы которые будут мешаться нам при демонтаже и к тому очень не любят перегрева.

Паяльник ЭПСН 40 ватт фото

После чего у них обычно резко сокращается срок службы. Сам демонтаж конденсаторов, если учитывать некоторые нюансы, легко выполняется при помощи любого паяльника мощностью 40-65 ватт. Желательно имеющего обработанное, заточенное в конус жало. Сам я имею паяльную станцию Lukey и паяльный фен, но пользуюсь для демонтажа конденсаторов обычным паяльником 40 ватт ЭПСН с жалом заточенным в острый конус.

Паяльный фен фото

Диммер на шнур 220В

ПОС 61 припой с канифолью

Если с конденсаторами эта процедура не имеет никаких сложностей, за исключением одной фишки применяемой для того, чтобы снизить общую температура плавления бессвинцового припоя, имеющего, как известно, более высокую температуру плавления чем припой применяющийся для пайки электроники ПОС-61.

Так вот, мы берем трубчатый припой с флюсом ПОС-61, желательно диаметром не более 1-2 миллиметров, подносим его к контакту конденсатора с обратной стороны платы и прогревая, расплавив его, осаждаем припой на каждом из двух контактов конденсатора. С какой целью, мы производим эти действия?

Цель первая: путем диффузии сплавов смешения бессвинцового припоя и ПОС-61, мы понижаем общую темперауру плавления образовавшегося сплава.
Цель вторая: чтобы максимально эффективно передать тепло от жала паяльника к контакту, мы условно говоря, греем контакт небольшой капелькой припоя, передавая тепло при этом намного эффективнее.
И наконец, цель третья: когда нам требуется очистить после демонтажа конденсатора отверстие в материнской плате для последующего монтажа, не важно при замене конденсатора или монтаже обратно, как в этом случае этого же конденсатора, мы облегчаем этот процесс проткнув отверстие в расплавленном припое предварительно снизив общую температуру сплава внутри нашего контакта.

Здесь нужно сделать еще одно отступление: для этой цели многие радиолюбители применяют различные подручные средства, кто-то деревянную зубочистку, кто-то заостренную спичку, кто-то иные предметы.

Алюминиевый конический пруток

С его помощью нам достаточно прогревая контакт вставить пруток поглубже в отверстие контакта. Причем данное действие следует проводить без фанатизма, всегда помня о том, что материнская плата это многослойная плата, а контакты внутри имеют металлизацию, иначе говоря металлическую фольгу, сорвав которую если вы недостаточно прогрели контакт или резко вставили предмет которым прочищали отверстие в контакте, вы можете привести материнскую плату или любое другое устройство имеющее подобную сложную конструкцию печатной платы в устройство, уже не подлежащее ремонту.

Итак, все трудности преодолены, конденсаторы успешно демонтированы, переходим наконец к замене наших мосфетов, то есть цели нашей статьи. Собственно любая процедура замены детали подразумевает собой три этапа: сначала демонтаж, затем подготовка платы к последующему монтажу, и наконец сам монтаж новой детали или ранее демонтированной с донорской платы этим или другим способом.

Ни в коем случае нельзя использовать паяльники с мощностью 40-65 ватт, особенно дедушкины в виде топора для монтажа мосфетов на плату (по крайней мере при отсутствии диммера с помощью которого мы сможем понизить температуру жала паяльника). В начале статьи было упоминание о варианте демонтажа мосфетов для начинающих не имеющих в мастерской паяльного фена, сейчас разберем этот вариант подробнее.

Сплав Вуда фото

Причем со стороны Стока, среднего контакта имеющего большую площадь соприкосновения с платой, мы наносим значительно больше данного сплава. Цель данной операции? Также как и в случае с нанесением сплава ПОС-61, мы снижаем, причем на этот раз значительно существеннее, общую температуру плавления припоя, облегчая тем самым условия демонтажа.

Демонтаж микросхем без фена

Данная операция требует аккуратности от исполнителя для того чтобы при демонтаже не оторвать пятаки контактов с платы, поэтому если чувствуем что прогрели недостаточно, а греть требуется попеременно быстро меняя жало паяльника у этих трех контактов, немного покачивая пинцетом деталь, разумеется без фанатизма. Произведя данную операцию 3-5 раз уже будешь машинально чувствовать когда контакты детали достаточно прогреты, а когда еще нет.

Демонтаж с помощью оплетки

У данного способа демонтажа есть один минус, но при наличии опыта это не становится проблемой: перегрев при демонтаже мосфетов с плат доноров. В случае если же вы приобрели новый мосфет в радиомагазине и уверены в том, что демонтируете пробитый мосфет, перегрев становится не очень критичен. После демонтажа следует обязательно убедиться в том, пропало ли замыкание на контактах мосфета на плате, редко но к сожалению иногда случается и так, что наш якобы пробитый мосфет был ни при чем, а влияли драйвер или ШИМ контроллер на результаты измерений, которые и пришли в негодность. В данном случае без помощи паяльного фена будет не обойтись.

Корпус SO-8 микросхема

Лично демонтировал много раз данным способом микросхемы в корпусе SO-8, применяя на контактах с полигонами иногда паяльник мощностью 65 ватт и немного убавив его мощность диммером. Результат при аккуратности исполнителя практически 100% успешный. Для микросхем в SMD исполнении, имеющим большее количество ног, данный способ к сожалению бесполезен, потому что прогреть большее количество ножек без специальных насадок проблематично и очень высока вероятность оторвать пятаки контактов на плате.

Затем нужно дать раствору – флюсу настояться двое-трое суток до растворении канифоли в спирте, периодически многократно взбалтывая, не давая выпасть в осадок. Данный флюс наношу с помощью кисточки от лака для ногтей, соответственно налив получившийся флюс в очищенную от следов лака 646 растворителем бутылочку. Грязи на плате остается при использовании этого флюса в разы меньше, чем от всяких китайских флюсов, типа BAKU или RMA-223.

Делаем спиртоканифольный флюс

Ту же, которая все-таки останется, мы убираем с платы с помощью 646 растворителя и обычной кисточки для уроков труда. Данный способ по сравнению с удалением следов флюса даже с помощью 97% спирта имеет ряд преимуществ: быстро сохнет, лучше растворяет и оставляет меньше грязи. Рекомендую всем как отличное бюджетное решение.

646 растворитель фото

Единственное замечу: будьте аккуратнее с пластмассовыми деталями, не наносите на графитовые контакты, типа как встречаются на платах пультов и потенциметров, и никогда не торопитесь, дайте хорошенько просохнуть плате, особенно если есть риск затекания растворителя под стоящие рядом SMD и тем более BGA микросхемы.

Графитовые контакты платы пульта

Читайте также: