Tudo o Que Você Precisa Saber Sobre o Circuito Regulador de Tensão da Placa-Mãe
10/02/2010 às 18h15min por Gabriel Torres em Placas-Mãe

Introdução

Se você quer aprender mais sobre qualidade de placas-mães você precisa estudar a fundo o circuito regulador de tensão, que é responsável por receber a tensão de alimentação fornecida pela fonte de alimentação (+12 V) e convertê-la nas tensões requeridas pelo processador, memória, chipset e outros componentes. Neste tutorial faremos uma viagem aprofundada pelo interior do circuito regulador de tensão da placa-mãe e mostraremos como identificá-lo, como ele funciona, quais os projetos mais comuns e como identificar a qualidade dos componentes..

A qualidade do circuito regulador de tensão está intimamente relacionada com a qualidade geral da placa-mãe e com sua vida útil por várias razões. Um circuito regulador de tensão bem projetado não apresentará flutuações ou ruídos em suas saídas, fornecendo ao processador e aos outros componentes tensões limpas e estáveis, fazendo com que eles funcionem perfeitamente. Um circuito regulador de tensão ruim pode produzir flutuações e ruídos em suas saídas o que resultará em um mau funcionamento do equipamento, como por exemplo o computador travar, resetar e apresentar a infame tela azul do Windows.

Se este circuito usar capacitores eletrolíticos de baixa qualidade eles poderão vazar, “estufar” ou até mesmo explodir. Em muitos casos quando uma placa-mãe “morre” o culpado é este circuito. Por essa razão ter um circuito regulador de tensão de boa qualidade assegura que você tenha um micro funcionando de maneira estável durante muitos anos.

Reconhecer este circuito é muito fácil. Como ele é o único circuito na placa-mãe que usa bobinas, basta localizá-las e você terá encontrado o circuito regulador de tensão. Normalmente este circuito está localizado próximo ao soquete do processador, mas você poderá encontrar algumas bobinas espalhadas pela placa-mãe, geralmente próximas aos soquetes de memórias ou ao chip ponte sul, já que elas fornecerão tensões apropriadas para esses componentes.


Figura 1: Circuito regulador de tensão.

Antes de explicarmos como este circuito funciona vamos conhecer primeiro os principais componentes encontrados no circuito regulador de tensão.

Conhecendo os Componentes

Os principais componentes de um circuito regulador de tensão, como já mencionamos, são as bobinas (que podem ser fabricadas usando dois materiais, ferro ou ferrite), transistores e capacitores eletrolíticos (placas-mães de melhor qualidade usam capacitores sólidos de alumínio, que são melhores). Os transistores usados no circuito regulador de tensão são fabricados com uma tecnologia chamada MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Transistor de Efeito de Campo usando Semicondutor Óxido-Metálico) e muitas pessoas os chamam simplesmente de “MOSFET” (algumas placas-mães, em particular as da MSI baseadas na tecnologia “DrMOS”, utilizam circuitos integrados em vez de transistores). Algumas placas-mães vêm com um dissipador de calor instalado sobre esses transistores para refrigerá-lo, o que é recomendado. Existem outros componentes importantes presentes neste circuito, especialmente circuitos integrados. Você encontrará um circuito integrado chamado “controlador PWM” e bons projetos usam um pequeno circuito chamado “driver” (acionador) MOSFET. Nós falaremos mais sobre esses circuitos depois..


Figura 2: Detalhe do circuito regulador de tensão principal.


Figura 3: Placa-mãe com dissipador de calor passivo instalado sobre os transistores.

Vamos falar agora um pouco mais sobre cada componente.

Como mencionamos, você pode encontrar dois tipos de bobinas no circuito regulador de tensão: ferro ou ferrite. Bobinas de ferrite são melhores pois oferecem uma menor perda de energia se comparadas às bobinas de ferro (perda de energia 25% menor, segundo a Gigabyte), produzem menos interferência eletromagnética e possuem melhor resistência à ferrugem. É muito fácil diferenciá-las: as bobinas de ferro normalmente são “abertas” e você pode ver um fio de cobre grosso dentro dela, enquanto que as bobinas de ferrite são “fechadas” e normalmente têm uma marcação começando com a letra “R” estampada em sua parte superior. Nas Figuras 4 e 5 você pode ver a diferença entre elas. Há, porém, uma exceção. Existem bobinas de ferrite que são grandes, redondas e abertas, mostradas na Figura 6. É muito fácil identificar essas bobinas, já que elas são redondas em vez de quadradas.

O circuito regulador de tensão usa uma bobina por “fase” ou “canal”. Não se preocupe que explicaremos o que esses termos significam em detalhes depois.


Figura 4: Bobina de ferro.


Figura 5: Bobina de ferrite.

Bobina de Ferrite
 Figura 6: Bobinas de ferrite.

Conhecendo os Componentes (Cont.)

Embora a maioria das placas-mães use transistores MOSFET na seção reguladora de tensão, alguns transistores são melhores do que outros. Os melhores transistores são aqueles que têm baixa resistência de chaveamento – um parâmetro chamado RDS (on). Esses transistores produzem menos calor (16% a menos se comparados aos tradicionais transistores MOSFET, de acordo com a Gigabyte) e consomem menos energia para sua própria operação, o que significa maior eficiência (ou seja, a placa-mãe e o processador consumirão menos energia). Eles são fisicamente menores do que os transistores tradicionais. Uma maneira fácil de diferenciá-los é contando o número de terminais existentes. Os transistores tradicionais têm três terminais, com o terminal central normalmente cortado, enquanto que os transistores com baixa resistência de chaveamento têm quatro ou mais terminais e todos eles são soldados na placa-mãe. Você pode ver a diferença entre os dois comparando as Figuras 7 e 8..

O circuito regulador de tensão tem dois transistores por “fase” ou “canal”, um chamado “high side” ou “lado de cima” e outro chamado “low side” ou “lado de baixo”. Placas-mãe baratas em vez de usarem um circuito integrado “driver” (acionador) MOSFET por canal usam um transistor extra por canal para executar esta função e por essa razão tais placas-mães têm três transistores por canal (fase) em vez de dois. Por causa disso a melhor maneira de se contar e identificar as fases é contar a quantidade de bobinas, não a quantidade de transistores.

Algumas placas-mães, especialmente as da MSI baseadas na tecnologia “DrMOS”, utilizam um circuito integrado substituindo os transistores MOSFET “lado de cima” e “lado de baixo” e o acionador (driver) MOSFET, e portanto, em tais placas-mães você encontrará um circuito integrado por fase e nenhum transistor.


Figura 7: Transistor MOSFET tradicional.


Figura 8: Transistor MOSFET com baixa resistência de chaveamento.

Os capacitores usados no circuito regulador de tensão podem ser do tipo eletrolítico tradicional ou sólido de alumínio e nós já mostramos a diferença física entre eles na Figura 2. Os capacitores sólidos de alumínio são melhores do que os capacitores eletrolíticos convencionais já que eles não “estufam” ou vazam. Se a sua placa-mãe usar capacitores normais, você deve descobrir a suas marcas. Capacitores fabricados no Japão têm a tradição de não “estufarem”, vazarem ou explodirem. Nos já publicamos um tutorial detalhado de como identificar capacitores japoneses, clique aqui para saber mais sobre o assunto.

Cada saída de tensão é controlada por um circuito integrado chamado controlador PWM (Pulse Width Modulation, Modulação por Largura de Pulso). A placa-mãe tem um desses para cada nível de tensão, ou seja, um para o processador, um para as memórias, um para o chipset, etc (a maioria dos controladores PWM é capaz de controlar dois níveis de tensão independentes). Se você olhar perto do soquete do processador você verá um controlador PWM para as tensões do processador, veja nas Figuras 2 e 9. Algumas placas-mães têm o circuito PWM trabalhando numa frequência maior, o que reduz a perda de energia (em outras palavras, aumenta a eficiência, ou seja, menor é a quantidade de energia consumida pela placa-mãe/processador). O fabricante anuncia com destaque este recurso caso a placa-mãe o possua.


Figura 9: Controlador PWM.

Finalmente nós temos um circuito integrado menor chamado “driver” (acionador) MOSFET. O circuito regulador de tensão usará um “driver” MOSFET por fase (canal), portanto cada circuito integrado acionará dois MOSFETs. Placas-mãe mais baratas usam outro MOSFET no lugar deste circuito integrado, portanto em placas-mães que usam este projeto você não encontrará este circuito integrado e cada fase terá três transistores, não dois como de costume.


Figura 10: “Driver” (acionador) MOSFET.

Fases (Canais)

O circuito regulador de tensão pode ter circuitos de potência trabalhando em paralelo para oferecer a mesma tensão de saída – a tensão do núcleo do processador, por exemplo. Eles, no entanto, não funcionam ao mesmo tempo: eles trabalham fora de fase e daí o nome “fase” para descrever cada circuito. Nós explicaremos em detalhes na próxima página como isto funciona, não se preocupe. Nós queremos fazer uma introdução a este assunto, já que fabricantes e entusiastas gostam muito de discutir a quantidade de “fases” que uma placa-mãe tem..

Vamos pegar o circuito regulador de tensão do processador. Se este circuito tem duas fases (ou canais), cada fase estará operando 50% do tempo de modo a gerar a tensão do processador. Se este mesmo circuito for construído com três fases, cada fase trabalhará 33,3% do tempo. Com quatro fases, cada fase trabalhará 25% do tempo. Com seis fases cada uma delas trabalhará 16,6% do tempo, e assim por diante.

Existem várias vantagens em ter um circuito regulador de tensão com mais fases. A mais óbvia é que os transistores ficarão menos carregados, o que aumenta a vida útil desses componentes e reduz a temperatura de funcionamento deles. Outra vantagem é que com mais fases a tensão de saída é normalmente mais estável, além do nível de ruído ser menor.

A adição de mais fases requer a inclusão de mais componentes, o que aumenta o custo da placa-mãe: placas-mães baratas têm menos fases, enquanto que placas-mães mais caras têm mais fases.

Além disso, é muito importante esclarecer que quando um fabricante diz que uma placa-mãe tem um regulador de tensão de seis fases ele está se referindo apenas a tensão de alimentação principal do processador (Vcore). Na próxima página explicaremos em mais detalhes o que acontece quando o processador requer mais de uma tensão.

Cada fase de tensão ou canal usa uma bobina, dois ou três transistores (ou um único circuito integrado substituindo esses transistores), um ou mais capacitores eletrolíticos e um circuito integrado “driver” MOSFET – este último componente pode ser substituído por um transistor, como acontece em placas-mães mais simples. Como você pode ver, a quantidade exata de componentes varia. O único componente que está presente sempre na mesma quantidade é a bobina, e por isso a melhor maneira para você saber quantas fases um determinado circuito regulador de tensão tem é contando a quantidade de bobinas (preste atenção porque existem exceções; nós falaremos sobre elas a seguir). Por exemplo, a placa-mãe mostrada na Figura 11 (a mesma placa mostrada antes nas Figuras 1 e 2) tem três fases.


Figura 11: Fases.

Mas há um porém. Em algumas placas-mães a fase que fornece a tensão da memória ou do chipset está localizada próxima às demais fases, induzindo você a um erro na hora de contar caso você simplesmente conte a quantidade de bobinas localizadas próximo ao soquete do processador. Nós mostramos este caso na Figura 12: apesar de a placa-mãe da foto ter quatro bobinas ela é uma placa-mãe de três fases, já que apenas três das fases são usadas para gerar a tensão principal do processador (Vcore); nesta placa-mãe a quarta fase é usada para gerar a tensão da memória. Nós o ensinaremos como obter a exata quantidade de fases.


Figura 12: Placa-mãe com três fases, não quatro, como você poderia supor.

É errado assumir que apenas as bobinas localizadas próximas à parte traseira da placa-mãe devem ser contadas, ignorando as bobinas localizadas na lateral da placa: na Figura 11 você pode ver uma placa-mãe com uma bobina localizada na lateral da placa e que pertence ao circuito regulador de tensão do processador.

Como todas as bobinas que estão produzindo a mesma tensão de saída têm suas saídas conectadas juntas, apenas as bobinas que têm suas saídas conectadas devem ser contadas. Isto pode ser feito seguindo a saída de cada bobina no lado de solda da placa-mãe. Na Figura 13 nós mostramos o lado de solda da placa-mãe da Figura 12. Como você pode ver apenas três bobinas são conectadas ao mesmo local; a saída da quarta bobina está indo para os soquetes de memória (nós sabemos disto porque esta é uma placa-mãe soquete LGA775, onde o processador requer apenas uma tensão; informações mais detalhadas serão apresentadas na próxima página).


Figura 13: Modo correto de se contar as bobinas.

Em algumas placas-mães você não conseguirá ver claramente a conexão entre as fases, diferentemente do que ocorre no exemplo da Figura 13. Neste caso você deverá usar um multímetro para verificar quais bobinas estão conectadas juntas. Você pode configurar o seu multímetro na escala de continuidade (se ele tiver – normalmente ele emite um bipe quando as pontas de prova estão em “curto-circuito”, o que indica a presença desta conexão) ou na escala de resistência (que mostrará zero ohm quando há esta conexão). Nas Figuras 14 e 15 nós mostramos outra placa-mãe com quatro bobinas e onde as conexões das bobinas não estão claras como na placa-mãe da Figura 13. Com um multímetro nós descobrimos que três das bobinas estavam conectadas juntas e, portanto, esta é uma placa-mãe com “três fases”. A quarta bobina estava alimentando outra coisa (o controlador de memória integrado no processador, como explicaremos na próxima página).


Figura 14: Essas duas bobinas estão conectadas juntas.


Figura 15: Essas duas bobinas não estão conectadas juntas.

Processadores que Necessitam de Mais de uma Tensão

Há novos processadores que necessitam de mais de uma tensão de alimentação. Embora todos os processadores da AMD tenham um controlador de memória integrado, apenas os processadores soquete AM3 necessitam de uma tensão separada para este circuito. Portanto em placas-mães soquete AM3 o circuito regulador de tensão irá gerar duas tensões separadas para o processador, uma para a parte “principal” do processador (“Vcore”) e outra para o controlador de memória integrado. É por isso que sabemos, na Figura 15, que a fase extra estava alimentando o controlador de memória integrado no processador: porque esta era uma placa-mãe soquete AM3..

Com os processadores da Intel, apenas os processadores soquetes 1156 e 1366 têm um controlador de memória integrado. Portanto nessas placas-mães o circuito regulador de tensão irá gerar duas tensões, uma para a parte “principal” do processador (“Vcore”) e outra para o controlador de memória integrado (“VTT”). Em placas-mães soquete LGA1156 que suportam processadores com controlador de vídeo integrado (por exemplo, as baseadas nos chipsets H55 e H57), o circuito regulador de tensão gerará uma terceira tensão para ser usada pelo controlador de vídeo integrado (“VAXG”) do processador.

Nas placas-mães onde o circuito regulador de tensão oferece mais de uma tensão para o processador, o fabricante anunciará o circuito como "x+y" ou "x+y+z", onde “x” é a quantidade de fases para a tensão principal do processador (“Vcore”), “y” é a quantidade de fases para o controlador de memória integrado no processador e “z” é a quantidade de fases para o controlador de vídeo integrado no processador. A placa-mãe mostrada nas Figuras 14 e 15 tem uma configuração “3+1”, por exemplo.

Abaixo nós resumimos quais placas-mães alimentam o soquete do processador com mais de uma tensão.

Soquete

Tensões para o processador

754, 939, 940, AM2, AM2+, 775 e mais antigos

Uma

AM3, 1156, 1366

Duas

1156 com chipsets H55, H57 e Q57

Três

Embora neste tutorial nós tenhamos focado nas tensões requeridas pelo processador, todas as placas-mães têm pelo menos uma fase para alimentar as memórias e uma fase para alimentar o chipset. Se você der uma olhada na placa você verá essas fases (ver Figura 18), a menos que a fase da memória esteja localizada próxima às fases do processador, como aconteceu no exemplo da Figura 12.


Figura 16: Fases da memória e do chipset.

Funcionamento

O circuito regulador de tensão pega a tensão de +12 V presente no conector ATX12V ou EPS12V da placa-mãe e converte esta tensão para a tensão exigida pelo o componente que o circuito regulador de tensão está conectado (processador, memória, chipset, etc). Esta conversão é feita usando um conversor DC-DC, também conhecido como fonte de alimentação chaveada (SMPS), o mesmo sistema usando na fonte de alimentação principal do micro..

O coração deste conversor é o controlador PWM (Pulse Width Modulation ou Modulação por Largura de Pulso). Este circuito gera um sinal de onda quadrada que alimenta cada fase, com o ciclo de carga deste sinal variando a depender da tensão que o circuito quer produzir (ciclo de carga é o tempo em que o sinal fica em seu nível mais alto; por exemplo, uma forma de onda quadrada com ciclo de carga de 50% fica metade do tempo em sua tensão mais baixa - normalmente zero volt - e 50% do tempo em seu nível mais alto - no caso do regulador de tensão, +12 V).

O valor exato da tensão que o circuito regulador de tensão precisa produzir em sua saída é lido dos pinos de identificação de tensão do processador (pinos chamados VID), que fornecem um código binário contendo a tensão exata com a qual o processador precisa ser alimentado. Algumas placas-mães permitem a você manualmente mudar a tensão de alimentação do processador através do setup. O que o setup faz é mudar o código que é lido pelo o controlador PWM e, portanto, o controlador mudará a tensão do processador de acordo com o que você configurou. Apesar de estarmos falando do processador, a mesma ideia se aplica às memórias e ao chipset.

O conversor DC-DC é um sistema de laço fechado. Isto significa que o controlador PWM está constantemente monitorando as saídas do regulador de tensão. Se a tensão na saída aumentar ou diminuir o circuito se auto-ajustará (mudando a frequência do sinal PWM) de modo a corrigir a tensão. Isto é feito através de um sensor de corrente, já que quando o consumo de corrente aumenta a tensão de saída tende a diminuir e vice-versa.

Na Figura 17 nós temos o diagrama em blocos de um controlador PWM normalmente encontrado no circuito regulador de tensão do processador (NCP5392 da On Semiconductor). Neste diagrama você pode facilmente identificar os pinos de identificação de tensão do processador (VID0 a VID7), os pinos de realimentação (CS, pinos sensores de corrente, localizados no lado esquerdo) e as saídas que alimentam cada fase (pinos G, localizados no lado direito). Como você pode ver, este circuito integrado pode controlar até quatro fases.


Figura 17: Controlador PWM.

Cada fase usa dois transistores e uma bobina. O controlador PWM não fornece corrente suficiente para chavear esses transistores e por isso um “driver” (acionador) é exigido para cada fase. Normalmente este “driver” é feito com um pequeno circuito integrado. De modo a cortar custos alguns fabricantes usam um “driver” discreto formado por um transistor adicional em placas-mães de baixo custo.

Na Figura 18 você pode ver o esquema básico de uma fase de uma placa-mãe (a conexão de realimentação está faltando neste diagrama) controlada por um “driver” (acionador) MOSFET NCP5359. O “driver” e os transistores MOSFET são alimentados pela tensão de +12V fornecida pelo conector ATX12V ou EPS12V (onde está escrito “10 V to 13.2 V” e “4 V to 15 V”). Você pode ver neste diagrama os dois MOSFETs (o primeiro é o “lado de cima” e o segundo é o “lado de baixo”), a bobina e os capacitores. O sinal de realimentação é fornecido ligando-se dois fios em paralelo à bobina conectando-os aos pinos CS+ (CSP) e CS- (CSN) do controlador PWM. O pino PWM é conectado na saída PWM fornecida pelo o controlador PWM e o pino EN é o pino “habilitado” (“enable”), que ativa o circuito.


Figura 18: Esquema simplificado da fase.

Como você pode ver na Figura 17, há uma saída PWM para cada fase. Como explicamos, o sinal PWM é uma forma de onda quadrada onde sua largura (ciclo de carga) muda a depender da tensão que você quer (é por isso que esta técnica é chamada Modulação por Largura de Pulso). Assumindo que a tensão de saída está estável, todos os sinais PWM terão o mesmo ciclo de carga, isto é, o tamanho de cada “quadrado” do sinal será o mesmo. Esses sinais terão, no entanto, um intervalo de tempo entre eles. Este intervalo de tempo também é chamado de mudança de fase.

Por exemplo, em um circuito com apenas duas fases, os dois sinais PWM são espelhados. Dessa forma, quando a fase 1 estiver ligada, a fase 2 estará desligada e vice-versa. Isto garantirá que cada fase funcionará 50% do tempo. Em um circuito com quatro fases, os sinais PWM estarão defasados de tal sorte que cada fase será ativada em sequência: primeiro a fase 1 é ativada, em seguida a fase 2, depois a fase 3, e então a 4. Enquanto uma fase estiver ligada todas as outras estão desligadas. Neste caso, cada fase estará trabalhando 25% do tempo.

Quanto mais fases você tiver, menos tempo cada fase ficará ligada. Como explicamos anteriormente, isto faz com que cada fase dissipe menos calor e cada transistor funcione menos, o que aumenta a vida útil deste componente.

Originalmente em http://www.clubedohardware.com.br/artigos/Tudo-o-Que-Voce-Precisa-Saber-Sobre-o-Circuito-Regulador-de-Tensao-da-Placa-Mae/1560

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