Tudo O Que Você Precisa Saber Sobre O Circuito Regulador de Voltagem De Uma Placa

Tudo O Que Você Precisa Saber Sobre O Circuito Regulador de Voltagem De Uma Placa-Mãe Do original “ EVERYTHING YOU NEED TO KNOW ABOUT THE MOTHERBOARD VOLTAGE REGULATOR CIRCUIT “, Traduzido por GROYKS especialmente para este forum! Um presente aos bravos companheiros de batalha...Abraço a todos ! Introdução O estudo do Circuito Regulador de Tensão de uma placa-mãe diz muito sobre sua qualidade. Este circuito recebe alimentação de 12 v e a converte para outras tensões menores, necessárias ao funcionamento de vários componentes presentes na placa-mãe, tais como processador (os mais modernos utilizam mais de uma tensão), memória e chipsets. Neste tutorial faremos uma viagem através do Circuito Regulador de Voltagem (tensão) de uma placa-mãe, mostrando a você como identificar este circuito, como ele trabalha, como eles normalmente se apresentam e como identificar componentes de boa qualidade, A qualidade de um Circuito Regulador de Tensão é um forte indicador da qualidade geral da placa-mãe e de sua vida útil, por diversas razões. Um bom regulador de voltagem não apresenta flutuações ou ruídos (ripple) em sua saída, provendo uma alimentação limpa para o microprocessador e todos os demais componentes, permitindo que eles trabalhem perfeitamente. Uma má regulação de tensão pode levar ao surgimento de flutuações de voltagem ou de ripple, acarretando a infame “Tela azul da Morte” , no Windows!!! Circuitos reguladores de tensão que utilizam capacitores eletrolíticos de baixa qualidade estão sujeitos a falhas provocadas pelo vazamento do eletrólito ou até mesmo pela explosão dos referidos capacitores. Por outro lado, um circuito Regulador de Tensão que utilize componentes de boa qualidade asseguram o funcionamento estável do sistema, o qual funcionará perfeitamente por muito mais tempo . Falando sobre os Circuitos Reguladores de Tensão, é bem fácil identificá-los na Placa-Mãe, pois são os únicos circuitos que possuem choques (Uma espécie de bobina montada sobre um núcleo rígido). Localizando os choques você localiza os Circuitos Reguladores de Tensão. Normalmente estes circuitos ficam localizados próximos ao soquete do micro processador, mas também é possível que você encontre choques espalhados em outros locais, sobre a placa-mãe, próximos aos slots de memória ou da ponte sul, a fim de prover a voltagem correta para esses componentes. Antes de explicar exatamente como o Regulador de Tensão funciona, vamos nos familiarizar com os componentes principais desse tipo de circuito. Dê uma olhada na figura 1, acompanhando o texto. FIGURA 1 – Visão geral de três circuitos reguladores de tensão. Encontrando os componentes Os principais componentes de um Circuito Regulador de Tensão, além dos choques (já mencionados) são transistores e capacitores eletrolíticos (placas- mãe de boa qualidade utilizam capacitores sólidos de alumínio e choques com núcleo de ferrite). Os transistores usados nesses circuitos são produzidos com a tecnologia MOSFET (transistores de efeito de campo – Metal Oxido Semicondutor) os quais são chamados no meio técnico simplesmente de “MOSFETS” ! Algumas placas-mãe, em particular as da MSI baseadas em tecnologia “DrMOS” utilizam Circuitos Integrados no lugar de transistores. Algumas placas-mãe vem equipadas com dissipadores de calor passivos posicionados sobre esses transistores para resfriá-los. Além dos componentes citados existem outros igualmente importantes que fazem parte do Circuito Regulador de Tensão tais como os circuitos integrados utilizados como geradores e controladores de PWM. Você sempre os encontrará nas placas- mãe além de, nas de boa qualidade, um circuitinho integrado chamado “driver MOSFET”, utilizado na saída desses Circuitos Reguladores de Tensão. Falaremos mais deles logo a frente. Nas figuras 2 e 3 podem ser visualizados os componentes do Circuito Regulador de Tensão, em uma placa-mãe. FIGURA 2 – Componentes do Circuito Regulador de Voltagem em uma placa- mãe. FIGURA 3 – Dissipador passivo de calor sobre os transistores MOSFET do estágio de saída de um regulador de tensão de uma placa-mãe. Falando um pouco mais sobre cada componente do Regulador de Tensão, podemos encontrar dois tipos de choques : os que possuem núcleo de ferro ou os que possuem núcleo de ferrite. Os choques montados sobre núcleos de ferrite são de melhor qualidade, se comparados aos montados sobre núcleos de ferro, pois oferecem uma baixa perda de potência (25% menor, de acordo com a GIGABYTE !) além de gerar uma baixa interferência eletromagnética (EMI) e não enferrujar com facilidade ! É fácil diferenciá-los pois choques com núcleo de ferro são normalmente “abertos” (dá pra ver os grossos fios de cobre enrolados dentro deles)(figura 4) enquanto que os choques de ferrite são encapsulados, lacrados, e normalmente apresentam a letra “R” estampada em sua parte superior (figura 5). FIGURA 4 – Choques de ferro – Baixo rendimento, e baixa resistência a ferrugem ! FIGURA 5 – Choques de ferrite – Encapsulados. Alto rendimento e baixa interferência eletromagnética. Há, entretanto, uma exceção. Existem alguns choques de ferrite que se apresentam em forma de anel cilíndrico no qual o fio é enrolado passando por sua parte vazada, como mostra a figura 6. FIGURA 6 – Choques de ferrite – apesar de serem “abertos” são de ferrite. Embora muitas placas-mãe usem transistores MOSFET em sua etapa de regulação de tensão, nem todos os transistores trabalham da mesma forma - alguns transistores são melhores do que outros. Os melhores transistores são aqueles que apresentam uma baixa resistência de chaveamento – um parâmetro chamado de RDS(on). Esse tipo de transistor produz menos calor (16% menos calor comparado aos transistores MOSFET, segundo a GIGABYTE) e consomem menos corrente para sua própria operação, significando com isso uma melhor eficiência (isto é, a placa-mãe e o processador não desperdiçam energia). Esses transistores são fisicamente menores que os transistores tradicionais e são fáceis de diferenciá-los destes últimos pois eles possuem quatro ou mais terminais, enquanto que os tradicionais, apenas três.. As figuras 7 e 8 ilustram as diferenças entre ambos. FIGURA 7 – Transistores MOSFET comuns. FIGURA 8 – Transistores MOSFET de baixo RDS(on) – Alta eficiência. O circuito regulador de tensão apresenta dois transistores por fase ou canal (uma fase ou canal pode ser entendido como sendo uma linha de alimentação diferenciada que fornece uma mesma tensão para algum componente de forma partilhada, isto é, imagine duas ou mais fontes idênticas de 5v alimentando um CI sequencialmente ! Num primeiro momento a fonte 1 fornece tensão, num segundo momento a fonte 2 fornece a mesma tensão (mas agora a fonte 1 está desligada) e assim sucessivamente ! NOTA DO TRADUTOR ). Por sua disposição no diagrama eletrônico esses transistores são chamados de transistor do lado de cima (high side) e transistor do lado de baixo (low side). Placas-mãe de baixo custo, ao invés de usar um CI MOSFET driver por canal usa um transistor extra (além dos high side e low side) para desempenhar a função do MOSFET driver (mais caro) e, portanto, apresentam três transistores por fase ou canal. Levando isso em conta, a melhor e mais segura maneira de descobrir quantos canais ou fase possui um dos Circuitos Reguladores de Tensão de uma placa- mãe é contar os choques, não os transistores ! Algumas placas-mãe baseadas na tecnologia DrMOS utilizam apenas um circuito integrado (driver) por fase, no lugar dos transistores MOSFETs e, dessa forma, não apresentam transistores em suas saídas, mas apenas um CI por canal. Os capacitores usados na Circuito Regulador de Tensão podem ser do tipo eletrolítico ou os sólidos, de alumínio (os melhores – não vazam e não ressecam). De qualquer forma é bom frisar que capacitores eletrolíticos comuns fabricados no Japão possuem a tradição de serem imunes a ressecamento, vazamento ou explosão. Na placa-mãe, cada tensão de saída é controlada por um circuito integrado chamado de Controlador PWM. Dessa forma para cada tensão de saída oferecida pelo Circuito Regulador de Tensão encontramos um controlador PWM ! Um para o microprocessador (ou mais), um para os bancos de memória, um para o chipset, etc (veja as figuras 2 e 9) Algumas placas-mãe têm seus PWM funcionando em uma alta freqüência o que faz com que as perdas de potência sejam mínimas. Observe a figura 9. FIGURA 9 – Um controlador PWM Finalizando a descrição dos componentes usados num Circuito Regulador de Tensão, temos um pequeno CI chamado de Driver MOSFET, o qual tem por função acionar os transistores MOSFET de saída do Regulador. Placas-mãe de baixo custo utilizam mais um transistor MOSFET no lugar desse CI, de forma a acioná-los, daí nossa afirmação anterior de que placas de baixo custo apresentam três transistores MOSFET por fase ou canal, ao invés de dois. Observe que para cada canal ou fase (para cada nível de tensão de saída) há a necessidade de um driver MOSFET mais dois transistores MOSFET ou, na pior das hipóteses, apenas três transistores MOSFET. Na figura 10 vê-se o CI driver de MOSFET ao lado dos seus dois MOSFETs de saída. FIGURA 10 – O CI driver de MOSFET As fases ou canais O circuito Regulador de Voltagem (ou de tensão) pode apresentar vários circuitos de fornecimento de energia trabalhando em paralelo para fornecer a mesma tensão de saída como, por exemplo a tensão de Core do processador. Esses circuitos fornecem a mesma tensão entretanto não trabalham AO MESMO TEMPO ! E aqui encontra-se aplicado o conceito de FASE. Eles trabalham de forma DEFASADA, não chaveiam a mesma tensão ao mesmo tempo, mas sequencialmente. Considerando o Regulador de Voltagem para o processador temos que se este circuito possui duas fases, cada uma delas fornecerá energia por 50% do tempo disponível. Se este mesmo circuito for construído com 3 fases o tempo de chaveamento de saída de tensão passa a ser, portanto de 33% do total de tempo disponível . No diagrama “A” abaixo (INSERIDO PELO TRADUTOR) pode-se observar o funcionamento defasado de fornecimento de tensão obtido na saída de um Regulador de Tensão típico de placa-mãe. v(volts) Vcore t(ms) Vcore t(ms) Vcore t(ms) Existem muitas vantagens em termos mais fases para cada nível de tensão. Uma delas é que cada transistor trabalha menos, aquece menos e, consequentemente “vive” mais. Outra vantagem é que com mais fases a tensão de saída é mais estável e o ripple menor. Considerando os projetos de placas-mãe, adicionar mais fases significa adicionar mais componentes, os quais aumentam o custo do projeto. Portanto placas-mãe de baixo custo (e, portanto, de baixa qualidade) possuem menos fases em seus circuitos reguladores de tensão enquanto que placas-mãe de boa qualidade apresentam circuitos reguladores de tensão com mais fases, além de utilizarem o CI driver de MOSFET e dois transistores MOSFET por fase, ao invés de apenas três transistores MOSFET. Algo que causa certa confusão com relação ao numero de fases e é importante esclarecer é que quando um fabricante de placa-mãe anuncia que um FASE 1 FASE 2 FASE 3 DIAGRAMA “A” determinado modelo possui seis fases de potência ele está referindo-se apenas a voltagem Vcore do processador. Portanto, uma placa-mãe de três fases teria, teoricamente duas fases a mais : uma para o banco de memórias e mais uma para o chipset ! (GRIFO DO TRADUTOR) Cada estágio de saída de cada fase utiliza um choque, capacitores, CI drive de MOSFET mais dois transistores MOSFET, ou apenas três transistores MOSFET ou ainda apenas um CI no lugar de todos esses componentes. Como você pode ver, o número exato de componentes pode variar de acordo com a proposta de qualidade do projeto, entretanto há um componente que sempre estará presente no estágio de saída de um regulador de tensão de placa-mãe: o choque. Então a princípio poderíamos identificar o número de fases presentes numa placa-mãe contando apenas quantos choques existem sobre ela ! Mas cuidado !!! Não é bem assim... Por exemplo, a placa-mãe mostrada na figura 11 (abaixo) apresenta 3 fases, correto ? A princípio, sim ! FIGURA 11 Se forem realmente 3 fases (e são !) as saídas dos choques devem encontrar-se conectadas entre si, pois fornecem a mesma tensão de alimentação, entretanto, não ao mesmo tempo ! Mas atenção ! Em algumas Placas-Mãe a fase que alimenta a memória ou o chipset está “embutida” (tão próxima do circuito regulador do processador grifo do tradutor) em outras fases, fazendo com que você se confunda ao contar as fases existentes simplesmente contando os choques presentes próximos ao soquete do processador ! Isso é mostrado na figura 12, onde apesar de existirem quatro choques apenas três deles alimentam o processador. O quarto choque alimenta a memória e o chipset. Então apesar de existir quatro choques e, consequentemente quatro possíveis saídas de tensão esta é uma placa-mãe de três fases, pois o termo “fase” refere-se tão somente ao número de fases que efetivamente alimentam o processador (grifo do tradutor) operando da forma apresentada no diagrama A, anteriormente ! Na figura 13 você pode observar que existem três choques que têm suas saídas conectadas num mesmo ponto, que alimenta o processador. O quarto choque, no canto inferior esquerdo da figura provê alimentação para a outras partes da placa-mãe. FIGURA 12 – Apesar de apresentar 4 choques, esta é uma placa de três fases! FIGURA 13 – O quarto choque não alimenta o processador e, dessa forma, esta é uma placa-mãe 3 fases ! Lembre-se: O termo “número de fases” diz respeito APENAS a quantidade de fases que alimentam o PROCESSADOR e não quantos circuitos reguladores de tensão estão presentes na placa-mãe ! (NOTA DO TRADUTOR) Você pode tirar suas dúvidas sobre quantas fases realmente alimentam o processador simplesmente observando na placa quais choques estão com suas saídas conectadas entre si ou medindo como multímetro se as saídas dos choques apresentam resistência zero entre si, o que acusaria que tais choques alimentam o mesmo circuito(figura 13). Isso é mostrado nas figuras 14 e 15. FIGURA 14 – Usando um multímetro na escala de resistência, ou o buzzer de continuidade, pode-se verificar quantos choques pertencem a uma mesmo regulador formando várias fases. Aqui o meter identificou dois choques pertencendo a um mesmo regulador. FIGURA 15 – Aqui o meter “nos diz” que esses dois choques pertencem a reguladores diferentes. Processadores Que Requerem Mais de Uma Tensão Atualmente a grande maioria dos processadores requerem mais de uma tensão de alimentação pois além da tensão de alimentação “principal” do processador (Vcore) há que se prover alimentação para o chip controlador integrado de memórian(embutido no processador) e, em alguns casos, do chip controlador integrado de vídeo. Dessa forma os fabricantes passaram a adotar uma nomenclatura para caracterizar a quantidade de fases dedicadas a alimentação não só do núcleo do processador (Vcore) mas também dos módulos integrados ao chip desses novos processadores. Em placas-mães nas quais o Circuito Regulador de Tensão fornece mais de uma tensão para alimentar o processador o fabricante faz a referência a esse fato com um código simples que utiliza o formato X + Y + Z ou X + Y , conforme o caso, onde X é o número de fases da tensão de alimentação Vcore; Y é o número de fases da tensão de alimentação do controlador integrado de memória e Z é o número de fases do controlador integrado de vídeo. Por exemplo, a placa-mãe mostrada nas figuras 14 e 15 possui uma configuração do tipo 3 + 1, pois o Vcore é fornecido em 3 fases enquanto que a alimentação do controlador integrado de memória é feita em apenas uma única fase. E não nos esqueçamos que ainda existe nesta mesma placa mais dois reguladores de tensão responsáveis pela alimentação da memória e do chipset ! (nota do tradutor) Embora este tutorial tenha focado nas voltagens requeridas pelo processador, em todas as placas-mãe você encontrará no mínimo uma fase para alimentar o processador (Vcore), uma fase para alimentar as memórias e uma fase para alimentação do chipset. Dando uma olhada na placa é relativamente fácil identificar esses pontos de fornecimento da alimentação observando sua localização na placa. Choques próximos ao soquete do processador são responsáveis pelas fases do Vcore e módulos integrados a ele. Choques próximos ao bancos de memória indicam fases de alimentação de memória, o mesmo raciocínio devendo ser seguido em ralação ao chipset. Isso está bem claro na figura 16. FIGURA 16 – Fora os reguladores indicados na figura, observe, ao fundo, as fases do regulador do processador (são 3 !). Como o Regulador Funciona – Visão Geral O Circuito Regulador de Voltagem pega a tensão +12V presente na placa-mãe, vinda pelo conector da fonte ATX12V ou EPS12V e a transforma para as diversas tensões requeridas pelos diversos componentes presentes na placa (processador, chipset, memória). Esta conversão é feita usando um circuito chamado de conversor DC-DC também conhecido pelo nome de fonte chaveada (SMPS), o mesmo sistema usado pelas fontes principais do PC. O coração desse conversor é o controlador PWM (Pulse Width Modulator [Modulador de Largura de Pulso]). Este circuito gera uma forma de onda quadrada que alimenta cada fase aplicando o pulso de tensão com a largura adequada para aquele determinado nível de tensão requerida. A duração de cada pulso de tensão aplicada à carga recebe o nome de “Duty Cycle” (ciclo de trabalho). Por exemplo, um sinal com ciclo de trabalho de 50% fará com que a tensão fornecida à carga seja mantida em zero volts na metade do tempo disponível e próxima aos +12v na outra metade do tempo disponível. Nesse exemplo, estaríamos fornecendo uma alimentação de 6v à carga. Então controlando o ciclo de trabalho (duty cycle) podemos controlar a tensão de saída. Este é o princípio de funcionamento do PWM. Considerando as necessidades do processador, o nível de tensão que o Circuito Regulador deve entregar para alimentá-lo é lido constantemente através de um barramento de 8 bits ( VID0 a VID7) conectado ao processador que informa (informação binária) ao controlador de PWM qual tensão fornecer. Dessa forma o ajuste do duty cycle é feito e corrigido a todo instante, conforme as necessidades atuais. Embora estejamos falando sobre o fornecimento de alimentação para o processador, todo este raciocínio também se aplica aos circuitos de memória e chipset. O conversor DC-DC é um sistema que opera num loop fechado (realimentação negativa). É por meio dele que o controlador de PWM atualiza constantemente o duty cycle (a largura do pulso de saída) da tensão de saída do regulador de tensão. Se a tensão de saída aumenta ou diminui, o sinal do PWM reajusta um novo duty cycle de forma a manter a tensão de saída constante. Isso é feito através de um sensor de corrente o qual fornece a informação do correto duty cycle a ser aplicado ao sinal de saída. Na figura 17 temos um diagrama em blocos de um controlador PWM (NCP5392) normalmente encontrado no circuito regulador de voltagem do processador. Nesse diagrama em blocos pode-se ver facilmente os pinos de leitura binária de tensão (VID0 a VID7), vindos do processador, os pinos de realimentação da informação ( CS, pinos do sensor de corrente [CURRENT], lado esquerdo) e as saídas do drive de cada fase. Como você pode ver, este circuito integrado pode controlar até 4 fases. FIGURA 17 Lembre-se que cada fase usa dois transistores MOSFET e um choque, em seu estágio de saída. O controlador PWM não fornece em sua saída corrente suficiente para excitar esses transistores. Dessa forma um pequeno CI driver de MOSFET é usado para essa tarefa. Como dito anteriormente, em placas de baixo custo (e baixa qualidade !) alguns fabricantes substituem este CI por mais um transistor MOSFET que pretende executar a mesma função: excitar os transistores MOSFET do estágio de saída. Na figura 18 pode-se ver o esquema básico de um estágio de saída (uma fase) usando o driver de MOSFET NCP5359. Apenas o estágio de saída é mostrado, não aparecendo aqui os circuitos de retorno de informação binária vinda do processador nem o controlador de PWM. O CI driver de MOSFET e os transistores MOSFET são alimentados com uma tensão de +12V fornecida pela fonte ATX. Neste diagrama estão claramente visíveis os transistores “high side” e “low side” (falamos deles logo no início deste tutorial), o choque e os capacitores. O sinal de realimentação negativa (que será aplicado ao sensor de corrente do controlador PWM) é retirado do choque a partir de seus dois terminais (não está mostrado) e conectado aos pinos CS+ (CSP) e CS- (CSN) do controlador PWM. O pino PWM do CI é conectado à saída do controlador PWM e o pino EN é o pino que ativa (ENABLE) o circuito integrado. FIGURA 18 Retomando o diagrama “A”, mostrado anteriormente, o sinal PWM é uma onda quadrada cuja largura depende da tensão de saída requerida. Se considerarmos que a tensão de saída está estável o sinal PWM terá sempre a mesma largura, ou seja, o tempo no qual a onda quadrada permanecerá no nível alto será sempre o mesmo. No diagrama “A” fica explícito o modo de funcionamento de uma fonte utilizando um conversor DC-DC. Supondo que uma mesma tensão de alimentação seja proporcionada utilizando o conceito de fases temos que nesse exemplo (com três fases) cada fase ficará ativa (nível alto) apenas por 33% do tempo total disponível, enquanto que se tivéssemos mais uma fase (4 fases) o tempo do duty cycle seria de 25%, e assim por diante. Quanto mais fases você tem, menos tempo cada fase permanece no nível alto. Dessa forma os transistores trabalham com menor esforço, dissipam menos calor e duram mais, como já dito anteriormente. Observações do tradutor : Olha, galera, é um texto muito importante do ponto de vista técnico e, infelizmente, também bastante confuso em sua didática. Geralmente textos em inglês são extremamente redundantes e pouco explícitos..E isso irrita bastante. Espero ter contribuído para o aprimoramento de muitos colegas e peço desculpas se houve alguma imprecisão em algumas passagens. Dei o meu melhor ! Críticas (construtivas ou destrutivas), sugestões de textos para tradução, elogios, agradecimentos ou ameaças de morte favor encaminhar para [email protected] Abraços a todos ! Groyks