همه چیز درباره مدار تنظیم کننده ولتاژ مادربرد ( Voltage Regulator Circuit )

[atena-ati]

فاز ها ( کانال ها )
تنظیم کننده ولتاژ دارای چندین مدار تغذیه است که به صورت موازی و به منظور فراهم آوری ولتاژ خروجی مشابه فعالیت می کنند. ( برای مثال ولتاژ خروجی مورد نیاز پردازنده ) این مدار های تغذیه به صورت همزمان کار نمی کنند بلکه ، به صورت غیر هم فاز عمل می کنند و به همین جهت است که از کلمه " Phase " یا " فاز " برای تشریح هر یک از این مدار ها استفاده می کنیم . بحثی که در اینجا مطرح می شود چگونگی کارکرد این مدار هاست که در ادامه به طور کامل توضیح داده خواهد شد. در ابتدا مقدمه ای بر این موضوع یعنی فاز(Phase) را ارائه خواهیم کرد که از جمله مباحثی است که علاقه مندان حرفه ای سخت افزار و شرکت های سازنده زیاد در مورد آن صحبت می کنند .
به سراغ مدار تنظیم کننده ولتاژ پردازنده می رویم . اگر این مدار دارای دو فاز یا کانال باشد ، هر فاز 50% زمان کاری را برای تولید ولتاژ پردازنده به خود اختصاص می دهد. اگر همان مدار با سه فاز ساخته شود ، هر فاز 33.3% زمان کاری و اگر مدار با چهار فاز کار کند ، هر فاز 25% زمان کاری در حال فعالیت است و به همین ترتیب با افزایش تعداد فاز ها زمانی که هر فاز کار می کند کمتر می شود .
در اختیار داشتن مدار تنظیم کننده ولتاژ با تعداد فازهای زیاد چندین مزیت خواهد داشت. واضح ترین آن ها این است که ترانزیستور ها بار کاری کمتری خواهند داشت که سبب کاهش دمای ایجاد شده و افزایش طول عمر قطعات مدار می شود . فایده دیگر داشتن فاز های بیشتر این است که معمولا ولتاژ خروجی پایدار تر بوده و میزان پارازیت ( Noise ) آن کاهش می یابد .
افزایش فاز ها در مدار تنظیم کننده سبب استفاده از قطعات بیشتر است که در نهایت به گران تر شدن مادربرد می انجامد . از این رو معمولا مادربرد های ارزان قیمت دارای تعداد فاز کمتری نسبت به مادربرد های گران قیمت هستند.
همچنین لازم به ذکر است که وقتی تولید کننده ای در مورد مادربردی با 6 فاز صحبت می کند , این تعداد فاز تنها مربوط به مدار تنظیم کننده ولتاژ پردازنده است. بعبارت دیگر در معرفی یک مادربرد از سوی سازنده , معرفی تعداد فاز های مدار تنظیم کننده ولتاژ پردازنده بعنوان یکی از نقاط قوت مادربرد مورد توجه واقع می شود.
هر فاز یا کانال ولتاژ دارای یک چوک ( Choke ) ، دو یا سه ترانزیستور ، یک یا چند خازن الکترولیتی و یک IC راه انداز MOSFET (Driver MOSFET ) می باشد . البته همان طور که در بسیاری از مادربرد های Low-End می بینیم قطعه آخر می تواند با یک ترانزیستور عوض شود .
همان گونه که مشاهده می کنید تعداد دقیق قطعات ثابت نیست و تنها قطعه ای که همیشه با تعداد یکسان وجود دارد چوک می باشد . بنابراین بهترین راه برای شمارش تعداد فاز های یک مدار تنظیم کننده ولتاژ , شمارش تعداد چوک های آن است (توجه کنید که چندین استثناء وجود دارد که بعدا توضیح خواهیم داد ) . برای مثال به شکل زیر توجه کنید . این مادربرد دارای 3 فاز می باشد :

مادبوردی با سه فاز

اما نکته قابل توجه این است که در بعضی از مادربرد ها فاز هایی که ولتاژ حافظه یا چیپست را کنترل می کنند در نزدیکی سایر فاز ها قرار گرفته اند. بنابراین اگر شما تنها تعداد چوک های نزدیک سوکت پردازنده را بشمارید دچار اشتباه خواهید شد . به شکل 12 توجه کنید : آنچه که در تصویر دیده می شود این است که این مادربرد دارای 4 فاز است ، در حالیکه مادربردی با 3 فاز محسوب می شود ! چراکه تنها 3 فاز از 4 فاز جهت تولید ولتاژ پردازنده استفاده می شود ; فاز چهارم ولتاژ حافظه را تولید می کند . حال ما به شما نشان می دهیم که چگونه تعداد دقیق فاز های مربوط به ولتاژ پردازنده را تنها در یک ثانیه تشخیص دهید !

مادربردی با سه فاز ( و نه چهار فاز )

مسئله دیگری که لازم است بدان توجه کنید ، اشتباه بودن شمارش چوک هایی است که تنها در بالای مادربرد وجود دارد. ( نادیده گرفتن چوک های موجود در کناره ) همان گونه که در تصویر 11 مشاهده کردید چوک هایی مربوط به مدار تنظیم کننده ولتاژ پردازنده می توانند در کنار سوکت پردازنده ( در کناره مادربرد ) قرار گیرند.
از آنجایی که تمام چوک هایی که ولتاژ خروجی یکسانی را تولید می کنند خروجی های متصل به هم دارند , لذا تنها چوک هایی که خروجی های متصل بهم دارند باید شمارش شوند . این کار با دنبال کردن خروجی هر چوک در طرف لحیم شده مادربرد ( پشت مادربرد ) امکان پذیر است . همان گونه که مشاهده می کنید سه چوک در طرف لحیم شده مادربرد به یکدیگر متصل هستند و خروجی چوک چهارم به سمت سوکت های حافظه می رود .

نحوه صحیح شمارش تعداد چوک ها

و بعنوان مثال آخر به شما تصویری از یک مادربرد High-End با مدار تنظیم کننده ولتاژ 10 فاز را نشان دهیم . ( این مادربرد دارای یک کولر Passive بوده که برای گرفتن عکس ، از روی مادربرد جدا شده است )

مادربردی با 10 فاز

حال می دانید که چگونه تعداد درست فاز های تنظیم کننده ولتاژ را تشخیص دهید


مدار تنظیم کننده ولتاژ چگونه کار می کند
مدار تنظیم کننده ولتاژ , ولتاژ فراهم شده توسط کانکتور ATX 12V و یا EPS 12V را گرفته و سپس آن را به ولتاژ مورد نیاز برای قطعات مرتبط با مدار تبدیل می کند ( پردازنده , حافظه ها و چیپست و ... ) این تبدیل ولتاژی توسط یک مبدل DC-DC انجام می شود که تحت عنوان SMPS نام برده شده است. ساختاری مشابه این را در منابع تغذیه ملاحظه کرده اید. ( Switching Mode Power Supply )
نقطه مرکزی و بعبارتی قلب این پروسه در واقع کنترلر PWM است. این مدار یک سیگنال موج مربعی تولید می کند که هر فاز را راه اندازی خواهد کرد. البته باید توجه داشت که سیکل وظیفه این موج مربعی با توجه به ولتاژ تولید شده توسط مدار تنظیم کننده ولتاژ , متغیر خواهد بود. ( سیکل وظیفه یا Duty Cycle مدت زمانی است که یک موج در وضعیت High قرار گرفته است. برای مثال یک سیگنال با 50% سیکل وظیفه به موجی اطلاق می شود که نیمی از زمان را در وضعیت Low – معمولا مقدار صفر ولت – و نیمی دیگر از زمان را در وضعیت High – در این مبحث 12 ولت – پشت سر خواهد گذاشت. )
میزان ولتاژ خروجی که لازم است توسط مدار تنظیم کننده ولتاژ تولید شود از طریق پایه های Voltage ID ( VID ) و توسط پردازنده معین می شود. پایه های VID حاوی کدی باینری از سوی پردازنده است که میزان دقیق ولتاژ مورد نیاز پردازنده را اعلام خواهد کرد. برخی از مادربرد ها این اجازه را می دهند که بصورت دستی ولتاژ پردازنده را از طریق BIOS تغییر دهید. عملی که در BIOS انجام می گیرد در واقع تغییر کدی است که توسط کنترلر PWM خوانده شده است. بدین ترتیب کنترلر PWM بر اساس آنچه که در BIOS تنظیم شده است ولتاژ پردازنده را تغییر خواهد داد. دقت کنید که روال تشریح شده دقیقا برای دیگر قطعات ( حافظه ها و چیپست ) صدق می کند.
مبدل DC-DC به نوعی یک سیستم حلقوی بسته محسوب می شود. در اینجا سیستم حلقه بسته بدین معنی است که کنترلر PWM دائما خروجی تنظیم کننده ولتاژ را مانیتور می کند. اگر ولتاژ خروجی افزایش یا کاهش داشته باشد آنگاه مدار , آن را تعدیل کرده ( این عمل با تغییر در فرکانس سیگنال PWM صورت می گیرد ) و آن را تصحیح می نماید. عملیات مانیتورینگ توسط یک سنسور جریان انجام خواهد شد. در واقع هرگاه مصرف جریان افزایش یابد خروجی ولتاژ به سمت کاهش میل پیدا می کند و بالعکس .
در تصویر شماره 15 بلاک دیاگرامی از کنترلر PWM ملاحظه می کنید که معمولا در مدارات تنظیم کننده ولتاژ پردازنده دیده می شود. در این بلاک دیاگرام می توانید براحتی پایه های VID , پایه های Loopback ( CS – سمت چپ ) و خروجی های راه انداز هر فاز ( پایه های G - سمت راست ) را ملاحظه کنید.
همانطور که ملاحظه می شود این IC می تواند تا 4 فاز را تحت کنترل خود قرار دهد.

کنترلر PWM

هر فاز از دو ترانزیستور و یک چوک تشکیل شده است. کنترلر PWM نمی تواند جریان کافی برای سوئیچ این ترانزیستور ها را فراهم کند بهمین دلیل یک راه انداز MOSFET برای هر فاز مورد نیاز است. معمولا وظیفه این راه انداز توسط یک IC انجام خواهد شد که به آن IC راه انداز MOSFET می گویند. اما همانطور که در مطالب قبلی توضیح دادیم برخی تولید کنندگان مادربرد به منظور کاهش هزینه از یک ترانزیستور اضافی بعنوان راه انداز MOSFET استفاده می کنند. این نوع طراحی در مادربرد های ارزان قیمت معمول و شایع است.
در تصویر شماره 16 می توانید شکلی از یک فاز مدار تنظیم کننده ولتاژ را ملاحظه کنید. ( اتصال Loopback در این شماتیک دیده نمی شود ) این فاز توسط راه انداز MOSFET مدل NCP5359 راه اندازی می شود. راه انداز MOSFET و سایر ترانزیستور ها توسط ولتاژ 12 ولت فراهم شده توسط ATX 12V و یا EPS 12V تغذیه می شوند. ( محلی از تصویر که عبارات “10 V to 13.2 V” و “4 V to 15 V” نوشته شده است ) در این دیاگرام می توانید 2 ترانزیستور MOSFET , چوک و خازن های بکار رفته را مشاهده کنید. سیگنال Loopback نیز توسط اتصال دو سیم بصورت موازی از چوک به پایه های CS+ و CS- کنترلر PWM ایجاد می شود. پایه PWM نیز به خروجی PWM روی کنترلر PWM متصل می شود. همچنین پایه EN نیز بعنوان فعال کننده مدار عمل خواهد کرد.

شماتیک ساده یک فاز

همانطور که در تصویر 15 ملاحظه کردید برای هر فاز یک خروجی مستقل توسط PWM وجود دارد. بر اساس آنچه که قبلا شرح داده ایم سیگنال PWM یک موج مربعی شکل است که سیکل وظیفه آن با توجه به ولتاژ مورد نیاز تغییر خواهد کرد. با فرض اینکه ولتاژ خروجی پایدار باشد تمام سیگنال های PWM سیکل وظیفه مشابهی خواهند داشت. در واقع می توان گفت اندازه هر مربع در موج یکسان است. عمل انتقال بین فاز ها سبب ایجاد تاخیری بین سیگنال ها می شود که تحت عنوان " شیف فازی " نامیده می شود.

بهتر است از یک مثال استفاده کنیم : در حالتی که مداری با دو فاز داشته باشیم دو سیگنال PWM آینه یکدیگر خواهند شد. بنابراین در زمانیکه فاز 1 روشن است فاز شماره 2 خاموش خواهد بود و بالعکس. این روال مشخص می کند که هر فاز در 50% زمان به فعالیت می پردازد. در مداری با چهار فاز روال کار بدین شکل است : در ابتدا فاز شماره 1 فعال خواهد شد. سپس فاز 2 و در ادامه فاز شماره 3 و در نهایت فاز شماره 4. در زمان فعالیت هر یک از فاز ها سایر فاز ها خاموش بوده و فعالیتی را انجام نمی دهند. بدین ترتیب هر فاز تنها 25% از واحد زمانی را به فعالیت می پردازد. هر چه تعداد فاز های بکار رفته در مدار تنظیم کننده ولتاژ بیشتر باشد مدت زمانی که هر فاز در وضعیت فعال به سر می برد کاهش خواهد یافت. همانطور که در مطالب قبلی اشاره کردیم افزایش تعداد فاز ها در کنار افزایش هزینه مزیت های مناسبی را در بر خواهد داشت که از جمله مهمترین انها می توان به کاهش حرارت ایجاد شده در مدار تنظیم کننده ولتاژ و افزایش طول عمر قطعات بکار رفته در مدار اشاره داشت.





تهیه شده در تیم شهر سخت افزار
اسامی مترجمان و نویسندگان به ترتیب حروف الفبا : شایان اوصیاء – شهریار بارانی – عماد پیرنیا – پیام حداد – مهدی موسوی