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

Placa-Me 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...Abrao a todos !

Introduo

O estudo do Circuito Regulador de Tenso de uma placa-me diz muito sobre sua qualidade. Este circuito recebe alimentao de 12 v e a converte para outras tenses menores, necessrias ao funcionamento de vrios componentes presentes na placa-me, tais como processador (os mais modernos utilizam mais de uma tenso), memria e chipsets. Neste tutorial faremos uma viagem atravs do Circuito Regulador de Voltagem (tenso) de uma placa-me, mostrando a voc 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 Tenso um forte indicador da qualidade geral da placa-me e de sua vida til, por diversas razes. Um bom regulador de voltagem no apresenta flutuaes ou rudos (ripple) em sua sada, provendo uma alimentao limpa para o microprocessador e todos os demais componentes, permitindo que eles trabalhem perfeitamente. Uma m regulao de tenso pode levar ao surgimento de flutuaes de voltagem ou de ripple, acarretando a infame Tela azul da Morte , no Windows!!!

Circuitos reguladores de tenso que utilizam capacitores eletrolticos de baixa qualidade esto sujeitos a falhas provocadas pelo vazamento do eletrlito ou at mesmo pela exploso dos referidos capacitores. Por outro lado, um circuito Regulador de Tenso que utilize componentes de boa qualidade asseguram o funcionamento estvel do sistema, o qual funcionar perfeitamente por muito mais tempo .

Falando sobre os Circuitos Reguladores de Tenso, bem fcil identific-los na Placa-Me, pois so os nicos circuitos que possuem choques (Uma espcie de bobina montada sobre um ncleo rgido). Localizando os choques voc localiza os Circuitos Reguladores de Tenso. Normalmente estes circuitos ficam localizados prximos ao soquete do micro processador, mas tambm

possvel que voc encontre choques espalhados em outros locais, sobre a placa-me, prximos aos slots de memria ou da ponte sul, a fim de prover a voltagem correta para esses componentes. Antes de explicar exatamente como o Regulador de Tenso funciona, vamos nos familiarizar com os componentes principais desse tipo de circuito. D uma olhada na figura 1, acompanhando o texto.

FIGURA 1 Viso geral de trs circuitos reguladores de tenso.

Encontrando os componentes

Os principais componentes de um Circuito Regulador de Tenso, alm dos choques (j mencionados) so transistores e capacitores eletrolticos (placas-me de boa qualidade utilizam capacitores slidos de alumnio e choques com

ncleo de ferrite). Os transistores usados nesses circuitos so produzidos com a tecnologia MOSFET (transistores de efeito de campo Metal Oxido Semicondutor) os quais so chamados no meio tcnico simplesmente de MOSFETS ! Algumas placas-me, em particular as da MSI baseadas em tecnologia DrMOS utilizam Circuitos Integrados no lugar de transistores. Algumas placas-me vem equipadas com dissipadores de calor passivos posicionados sobre esses transistores para resfri-los. Alm dos componentes citados existem outros igualmente importantes que fazem parte do Circuito Regulador de Tenso tais como os circuitos integrados utilizados como geradores e controladores de PWM. Voc sempre os encontrar nas placas-me alm de, nas de boa qualidade, um circuitinho integrado chamado driver MOSFET, utilizado na sada desses Circuitos Reguladores de Tenso. Falaremos mais deles logo a frente. Nas figuras 2 e 3 podem ser visualizados os componentes do Circuito Regulador de Tenso, em uma placa-me.

FIGURA 2 Componentes do Circuito Regulador de Voltagem em uma placa-me.

FIGURA 3 Dissipador passivo de calor sobre os transistores MOSFET do estgio de sada de um regulador de tenso de uma placa-me.

Falando um pouco mais sobre cada componente do Regulador de Tenso, podemos encontrar dois tipos de choques : os que possuem ncleo de ferro ou os que possuem ncleo de ferrite. Os choques montados sobre ncleos de ferrite so de melhor qualidade, se comparados aos montados sobre ncleos de ferro, pois oferecem uma baixa perda de potncia (25% menor, de acordo com a GIGABYTE !) alm de gerar uma baixa interferncia eletromagntica (EMI) e no enferrujar com facilidade ! fcil diferenci-los pois choques com ncleo de ferro so normalmente abertos (d pra ver os grossos fios de cobre enrolados dentro deles)(figura 4) enquanto que os choques de ferrite so encapsulados, lacrados, e normalmente apresentam a letra R estampada em sua parte superior (figura 5).

FIGURA 4 Choques de ferro Baixo rendimento, e baixa resistncia a ferrugem !

FIGURA 5 Choques de ferrite Encapsulados. Alto rendimento e baixa interferncia eletromagntica.

H, entretanto, uma exceo. Existem alguns choques de ferrite que se apresentam em forma de anel cilndrico no qual o fio enrolado passando por sua parte vazada, como mostra a figura 6.

FIGURA 6 Choques de ferrite apesar de serem abertos so de ferrite.

Embora muitas placas-me usem transistores MOSFET em sua etapa de regulao de tenso, nem todos os transistores trabalham da mesma forma - alguns transistores so melhores do que outros. Os melhores transistores so aqueles que apresentam uma baixa resistncia de chaveamento um parmetro 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 prpria operao, significando com isso uma melhor eficincia (isto , a placa-me e o processador no desperdiam energia). Esses transistores so fisicamente menores que os transistores tradicionais e so fceis de diferenci-los destes ltimos pois eles possuem quatro ou mais terminais, enquanto que os tradicionais, apenas trs.. As figuras 7 e 8 ilustram as diferenas entre ambos.

FIGURA 7 Transistores MOSFET comuns.

FIGURA 8 Transistores MOSFET de baixo RDS(on) Alta eficincia.

O circuito regulador de tenso apresenta dois transistores por fase ou canal (uma fase ou canal pode ser entendido como sendo uma linha de alimentao diferenciada que fornece uma mesma tenso para algum componente de forma partilhada, isto , imagine duas ou mais fontes idnticas de 5v alimentando um CI sequencialmente ! Num primeiro momento a fonte 1 fornece tenso, num segundo momento a fonte 2 fornece a mesma tenso (mas agora a fonte 1 est desligada) e assim sucessivamente ! NOTA DO TRADUTOR ). Por sua disposio no diagrama eletrnico esses transistores so chamados de transistor do lado de cima (high side) e transistor do lado de baixo (low side). Placas-me de baixo custo, ao invs de usar um CI MOSFET driver por canal usa um transistor extra (alm dos high side e low side) para desempenhar a funo do MOSFET driver (mais caro) e, portanto, apresentam trs 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 Tenso de uma placa-me contar os choques, no os transistores ! Algumas placas-me baseadas na tecnologia DrMOS utilizam apenas um circuito integrado (driver) por fase, no lugar dos transistores MOSFETs e, dessa forma, no apresentam transistores em suas sadas, mas apenas um CI por canal.

Os capacitores usados na Circuito Regulador de Tenso podem ser do tipo eletroltico ou os slidos, de alumnio (os melhores no vazam e no ressecam). De qualquer forma bom frisar que capacitores eletrolticos comuns fabricados no Japo possuem a tradio de serem imunes a ressecamento, vazamento ou exploso.

Na placa-me, cada tenso de sada controlada por um circuito integrado chamado de Controlador PWM. Dessa forma para cada tenso de sada oferecida pelo Circuito Regulador de Tenso encontramos um controlador PWM ! Um para o microprocessador (ou mais), um para os bancos de memria, um para o chipset, etc (veja as figuras 2 e 9)

Algumas placas-me tm seus PWM funcionando em uma alta freqncia o que faz com que as perdas de potncia sejam mnimas. Observe a figura 9.

FIGURA 9 Um controlador PWM

Finalizando a descrio dos componentes usados num Circuito Regulador de Tenso, temos um pequeno CI chamado de Driver MOSFET, o qual tem por

funo acionar os transistores MOSFET de sada do Regulador. Placas-me de baixo custo utilizam mais um transistor MOSFET no lugar desse CI, de forma a acion-los, da nossa afirmao anterior de que placas de baixo custo apresentam trs transistores MOSFET por fase ou canal, ao invs de dois. Observe que para cada canal ou fase (para cada nvel de tenso de sada) h a necessidade de um driver MOSFET mais dois transistores MOSFET ou, na pior das hipteses, apenas trs transistores MOSFET. Na figura 10 v-se o CI driver de MOSFET ao lado dos seus dois MOSFETs de sada.

FIGURA 10 O CI driver de MOSFET

As fases ou canais

O circuito Regulador de Voltagem (ou de tenso) pode apresentar vrios circuitos de fornecimento de energia trabalhando em paralelo para fornecer a mesma tenso de sada como, por exemplo a tenso de Core do processador. Esses circuitos fornecem a mesma tenso entretanto no trabalham AO MESMO TEMPO ! E aqui encontra-se aplicado o conceito de FASE. Eles trabalham de forma DEFASADA, no chaveiam a mesma tenso ao mesmo tempo, mas sequencialmente. Considerando o Regulador de Voltagem para o processador temos que se este circuito possui duas fases, cada uma delas fornecer energia por 50% do tempo disponvel. Se este mesmo circuito for

construdo com 3 fases o tempo de chaveamento de sada de tenso passa a ser, portanto de 33% do total de tempo disponvel . No diagrama A abaixo (INSERIDO PELO TRADUTOR) pode-se observar o funcionamento defasado de fornecimento de tenso obtido na sada de um Regulador de Tenso tpico de placa-me.

v(volts)

Vcore

t(ms)

Vcore

t(ms)

Vcore

t(ms)

Existem muitas vantagens em termos mais fases para cada nvel de tenso. Uma delas que cada transistor trabalha menos, aquece menos e, consequentemente vive mais. Outra vantagem que com mais fases a tenso de sada mais estvel e o ripple menor.

Considerando os projetos de placas-me, adicionar mais fases significa adicionar mais componentes, os quais aumentam o custo do projeto. Portanto placas-me de baixo custo (e, portanto, de baixa qualidade) possuem menos fases em seus circuitos reguladores de tenso enquanto que placas-me de boa qualidade apresentam circuitos reguladores de tenso com mais fases, alm de utilizarem o CI driver de MOSFET e dois transistores MOSFET por fase, ao invs de apenas trs transistores MOSFET.

Algo que causa certa confuso com relao ao numero de fases e importante esclarecer que quando um fabricante de placa-me anuncia que um

FASE 1

FASE 2

FASE 3

DIAGRAMA A

determinado modelo possui seis fases de potncia ele est referindo-se apenas a voltagem Vcore do processador. Portanto, uma placa-me de trs fases teria, teoricamente duas fases a mais : uma para o banco de memrias e mais uma para o chipset ! (GRIFO DO TRADUTOR)

Cada estgio de sada de cada fase utiliza um choque, capacitores, CI drive de MOSFET mais dois transistores MOSFET, ou apenas trs transistores MOSFET ou ainda apenas um CI no lugar de todos esses componentes. Como voc pode ver, o nmero exato de componentes pode variar de acordo com a proposta de qualidade do projeto, entretanto h um componente que sempre estar presente no estgio de sada de um regulador de tenso de placa-me: o choque. Ento a princpio poderamos identificar o nmero de fases presentes numa placa-me contando apenas quantos choques existem sobre ela ! Mas cuidado !!! No bem assim...

Por exemplo, a placa-me mostrada na figura 11 (abaixo) apresenta 3 fases, correto ? A princpio, sim !

FIGURA 11 Se forem realmente 3 fases (e so !) as sadas dos choques devem encontrar-se conectadas entre si, pois fornecem a mesma tenso de alimentao, entretanto, no ao mesmo tempo !

Mas ateno ! Em algumas Placas-Me a fase que alimenta a memria ou o chipset est embutida (to prxima do circuito regulador do processador grifo do tradutor) em outras fases, fazendo com que voc se confunda ao contar as fases existentes simplesmente contando os choques presentes prximos ao soquete do processador ! Isso mostrado na figura 12, onde apesar de existirem quatro choques apenas trs deles alimentam o processador. O quarto choque alimenta a memria e o chipset. Ento apesar de existir quatro choques e, consequentemente quatro possveis sadas de tenso esta uma placa-me de trs fases, pois o termo fase refere-se to somente ao nmero de fases que efetivamente alimentam o processador (grifo do tradutor) operando da forma apresentada no diagrama A, anteriormente ! Na figura 13 voc pode observar que existem trs choques que tm suas sadas conectadas num mesmo ponto, que alimenta o processador. O quarto choque, no canto inferior esquerdo da figura prov alimentao para a outras partes da placa-me.

FIGURA 12 Apesar de apresentar 4 choques, esta uma placa de trs fases!

FIGURA 13 O quarto choque no alimenta o processador e, dessa forma, esta uma placa-me 3 fases !

Lembre-se: O termo nmero de fases diz respeito APENAS a quantidade de fases que alimentam o PROCESSADOR e no quantos circuitos reguladores de tenso esto presentes na placa-me ! (NOTA DO TRADUTOR)

Voc pode tirar suas dvidas sobre quantas fases realmente alimentam o processador simplesmente observando na placa quais choques esto com suas sadas conectadas entre si ou medindo como multmetro se as sadas dos choques apresentam resistncia zero entre si, o que acusaria que tais choques alimentam o mesmo circuito(figura 13). Isso mostrado nas figuras 14 e 15.

FIGURA 14 Usando um multmetro na escala de resistncia, ou o buzzer de continuidade, pode-se verificar quantos choques pertencem a uma mesmo regulador formando vrias 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 Tenso

Atualmente a grande maioria dos processadores requerem mais de uma tenso de alimentao pois alm da tenso de alimentao principal do processador (Vcore) h que se prover alimentao para o chip controlador integrado de memrian(embutido no processador) e, em alguns casos, do chip controlador integrado de vdeo. Dessa forma os fabricantes passaram a adotar uma nomenclatura para caracterizar a quantidade de fases dedicadas a alimentao no s do ncleo do processador (Vcore) mas tambm dos mdulos integrados ao chip desses novos processadores.

Em placas-mes nas quais o Circuito Regulador de Tenso fornece mais de uma tenso para alimentar o processador o fabricante faz a referncia a esse fato com um cdigo simples que utiliza o formato X + Y + Z ou X + Y , conforme o caso, onde X o nmero de fases da tenso de alimentao Vcore; Y o nmero de fases da tenso de alimentao do controlador integrado de

memria e Z o nmero de fases do controlador integrado de vdeo. Por exemplo, a placa-me mostrada nas figuras 14 e 15 possui uma configurao do tipo 3 + 1, pois o Vcore fornecido em 3 fases enquanto que a alimentao do controlador integrado de memria feita em apenas uma nica fase. E no nos esqueamos que ainda existe nesta mesma placa mais dois reguladores de tenso responsveis pela alimentao da memria e do chipset ! (nota do tradutor) Embora este tutorial tenha focado nas voltagens requeridas pelo processador, em todas as placas-me voc encontrar no mnimo uma fase para alimentar o processador (Vcore), uma fase para alimentar as memrias e uma fase para alimentao do chipset. Dando uma olhada na placa relativamente fcil identificar esses pontos de fornecimento da alimentao observando sua localizao na placa. Choques prximos ao soquete do processador so responsveis pelas fases do Vcore e mdulos integrados a ele. Choques prximos ao bancos de memria indicam fases de alimentao de memria, o mesmo raciocnio devendo ser seguido em ralao ao chipset. Isso est bem claro na figura 16.

FIGURA 16 Fora os reguladores indicados na figura, observe, ao fundo, as fases do regulador do processador (so 3 !).

Como o Regulador Funciona Viso Geral O Circuito Regulador de Voltagem pega a tenso +12V presente na placa-me, vinda pelo conector da fonte ATX12V ou EPS12V e a transforma para as diversas tenses requeridas pelos diversos componentes presentes na placa (processador, chipset, memria). Esta converso feita usando um circuito chamado de conversor DC-DC tambm conhecido pelo nome de fonte chaveada (SMPS), o mesmo sistema usado pelas fontes principais do PC.

O corao desse conversor 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 tenso com a largura adequada para aquele determinado nvel de tenso requerida. A durao de cada pulso de tenso aplicada carga recebe o nome de Duty Cycle (ciclo de trabalho). Por exemplo, um sinal com ciclo de trabalho de 50% far com que a tenso fornecida carga seja mantida em zero volts na metade do tempo disponvel e prxima aos +12v na outra metade do tempo disponvel. Nesse exemplo, estaramos fornecendo uma alimentao de 6v carga. Ento controlando o ciclo de trabalho (duty cycle) podemos controlar a tenso de sada. Este o princpio de funcionamento do PWM.

Considerando as necessidades do processador, o nvel de tenso que o Circuito Regulador deve entregar para aliment-lo lido constantemente atravs de um barramento de 8 bits ( VID0 a VID7) conectado ao processador que informa (informao binria) ao controlador de PWM qual tenso fornecer. Dessa forma o ajuste do duty cycle feito e corrigido a todo instante, conforme as necessidades atuais. Embora estejamos falando sobre o fornecimento de alimentao para o processador, todo este raciocnio tambm se aplica aos circuitos de memria e chipset.

O conversor DC-DC um sistema que opera num loop fechado (realimentao negativa). por meio dele que o controlador de PWM atualiza constantemente o duty cycle (a largura do pulso de sada) da tenso de sada do regulador de tenso. Se a tenso de sada aumenta ou diminui, o sinal do PWM reajusta um novo duty cycle de forma a manter a tenso de sada constante. Isso feito atravs de um sensor de corrente o qual fornece a informao do correto duty cycle a ser aplicado ao sinal de sada. 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 binria de tenso (VID0 a VID7),

vindos do processador, os pinos de realimentao da informao ( CS, pinos do sensor de corrente [CURRENT], lado esquerdo) e as sadas do drive de cada fase. Como voc pode ver, este circuito integrado pode controlar at 4 fases.

FIGURA 17

Lembre-se que cada fase usa dois transistores MOSFET e um choque, em seu estgio de sada. O controlador PWM no fornece em sua sada corrente suficiente para excitar esses transistores. Dessa forma um pequeno CI driver de MOSFET 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 funo: excitar os transistores MOSFET do estgio de sada.

Na figura 18 pode-se ver o esquema bsico de um estgio de sada (uma fase) usando o driver de MOSFET NCP5359. Apenas o estgio de sada mostrado, no aparecendo aqui os circuitos de retorno de informao binria vinda do processador nem o controlador de PWM. O CI driver de MOSFET e os transistores MOSFET so alimentados com uma tenso de +12V fornecida pela fonte ATX. Neste diagrama esto claramente visveis os transistores high side e low side (falamos deles logo no incio deste tutorial), o choque e os capacitores. O sinal de realimentao negativa (que ser aplicado ao sensor de corrente do controlador PWM) retirado do choque a partir de seus dois terminais (no est mostrado) e conectado aos pinos CS+ (CSP) e CS- (CSN) do controlador PWM. O pino PWM do CI conectado sada do controlador PWM e o pino EN o pino que ativa (ENABLE) o circuito integrado.

FIGURA 18

Retomando o diagrama A, mostrado anteriormente, o sinal PWM uma onda quadrada cuja largura depende da tenso de sada requerida. Se

considerarmos que a tenso de sada est estvel o sinal PWM ter sempre a mesma largura, ou seja, o tempo no qual a onda quadrada permanecer no nvel alto ser sempre o mesmo.

No diagrama A fica explcito o modo de funcionamento de uma fonte utilizando um conversor DC-DC. Supondo que uma mesma tenso de alimentao seja proporcionada utilizando o conceito de fases temos que nesse exemplo (com trs fases) cada fase ficar ativa (nvel alto) apenas por 33% do tempo total disponvel, enquanto que se tivssemos mais uma fase (4 fases) o tempo do duty cycle seria de 25%, e assim por diante. Quanto mais fases voc tem, menos tempo cada fase permanece no nvel alto. Dessa forma os transistores trabalham com menor esforo, dissipam menos calor e duram mais, como j dito anteriormente.

Observaes do tradutor :

Olha, galera, um texto muito importante do ponto de vista tcnico e, infelizmente, tambm bastante confuso em sua didtica. Geralmente textos em ingls so extremamente redundantes e pouco explcitos..E isso irrita bastante. Espero ter contribudo para o aprimoramento de muitos colegas e peo desculpas se houve alguma impreciso em algumas passagens. Dei o meu melhor !

Crticas (construtivas ou destrutivas), sugestes de textos para traduo, elogios, agradecimentos ou ameaas de morte favor encaminhar para sergiogreiso@gmail.com

Abraos a todos !

Groyks