Mạch điện điều chỉnh điện áp ( VRC ) trên Motherboard

phần 1

Giới Thiệu ( hoặc Phase )
Nếu thực sự muốn quan tâm tới chất lượng của Motherboard thì bạn phải nghiên cứu kỹ về Mạch điều khiển điện áp ( VRC ) , có nhiệm vụ lấy điện áp 12V của bộ nguồn để chuyển đổi thành những điện áp cho từng linh kiện cụ thể như CPU , Bộ nhớ , Chipset và những mạch điện khác . Trong bài này chúng tôi sẽ chỉ cho các bạn biết làm thế nào để nhận biết được mạch điện này , nó làm việc như thế nào , làm thế nào để nhận biết được linh kiện có chất lượng tốt .
Chất lượng của mạch điện VRC liên quan tới chất lượng và tuổi thọ của Motherboard .
Với mạch điều chỉnh điện áp tốt đồng nghĩa với việc không có sự dao động bất thường hoặc nhiễu tại những điện áp đầu ra của nó . Điều đó cũng có nghĩa là điện áp cung cấp cho CPU và những linh kiện khác là “ sạch ” và ổn định khiến cho những linh kiện này làm việc một cách hoàn hảo .
Với mạch điện VRC kém có thể khiến cho những điện áp đầu ra có nhiều nhiễu can xen và có thể thay đổi một cách bất thường và sẽ dễ dàng dẫn tới những sự cố đáng tiếc như : máy tính bị treo , Reset hoặc màn hình xanh trong môi trường Windows …
Nếu mạch điện này dùng những Tụ điện có chất lượng thấp sẽ dẫn tới dòng điên dò lớn , dễ bị phồng rộp thậm chí gây nổ . Thông thường Motherboard sẽ bị hỏng nếu như mạch VRC quá tồi . Nếu trên Motherboard có mạch điện VRC tốt thì chắc chắn hệ thống của bạn sẽ chạy ổn định trong nhiều năm .
Việc nhận biết mạch điện này thật dễ dàng . Nó là những mạch điện trên Motherboard sử dụng những cuộn cảm ( là một kiểu dây xoắn ) . Vị trí của cuộn cảm ở đâu thì sẽ có mạch VRC ở đó . Thông thường mạch điện này nằm xung quanh Socket CPU , nhưng bạn sẽ thấy những cuộn cảm nằm khắp nơi trên Motherboard , thông thường gần những Khe cắm bộ nhớ , gần Chip South Bridge , để chúng cung cấp điện áp phù hợp cho những linh kiện này .



Xem qua những linh kiện

Những linh kiện chính của mạch VRC như đã đề cập bên trên chính là những cuộn cảm ( chúng được sản xuất bằng hai vật liệu chính là Sắt hoặc Ferrite ) , những Transistor và những Tụ điện ( những Motherboard tốt sẽ sử dụng những Tụ điện dạng đặc có vỏ bằng nhôm là tốt nhất ) .
Những Transistor dùng trong mạch điện VRC được chế tạo dựa trên công nghệ gọi là MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) và nhiều gọi nó với cái tên đơn giản là “MOSFET” . Một số Motherboard sử dụng những tấm tản nhiệt thụ động đặt bên trên những Transistor này với nhiệm vụ làm mát , điều này nâng cao chất lượng làm việc của MOSFET .
Còn có những linh kiện khác rất quan trọng trong mạch điện này , nhất là mạch điện tích hợp . Bạn sẽ thường tìm thấy mạch điện tích hợp này có tên gọi “PWM Controller” và với một thiết kế tốt còn có một linh kiện nhỏ khác có tên gọi “MOSFET Driver “ . Chúng tôi sẽ giải thích điều này sau .





Như đã nói bên trên , bạn có thể thấy hai loại cuộn cảm dùng trong mạch VRC : Sắt và Ferrite . Cuộn cảm làm bằng Ferrite là tốt hơn cả vì nó tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với cuốn cảm làm bằng Sắt ( theo số liệu của Gigbyte thì giảm 25% ) , độ giao thoa điện từ trường ( EMI - electromagnetic interference) thấp hơn và trở kháng tốt hơn so với Sắt .
Rất dễ dàng để nhận biết cuộn cảm làm bằng chất liệu gì .
Nếu cuộn cảm làm bằng Sắt thì thường “mở” và bạn sẽ thấy những dây đồng dày bên trong . Nếu bằng Ferrite thì những cuộn cảm này thường “đóng” và thường có ghi trên nắp với chữa cái đầu tiên là “R” . Trong hình 4 và 5 các bạn sẽ thấy sự khác biệt đó .

Phần 2

Mặc dù tất cả những Motherboard đều dùng những Transistor MOSFET trong mạch điện điều chỉnh điện áp nhưng lại có một số Transistor lại tốt hơn những Transistor khác . Transistor tốt nhất là loại có giá trị điện trở chuyển mạch nhỏ hơn , tham số của nó được gọi là Rdson . Những Transistor mà có giá trị Rdson thấp thì nhiệt lượng toả ra ít , theo số liệu của Gigabyte thì nó sẽ ít hơn 16% nhiệt năng khi so sánh với những MOSFET truyền thống . Chúng có kích thước vật lí nhỏ hơn so với những Transistor truyền thống và dễ dàng để nhận biết với số lượng chân ra . Transistor truyền thống có 03 chân và thông thường chân ở giữa bị cắt đi , trong khi những Transistor với Rdson thấp có 04 hoặc thậm trí còn nhiều chân hơn và tất cả chân này đều được hàn trên Motherboard . Bạn có thể phân biệt sự khác nhau giữa chúng trong Hình 6 và 7


Mạch điện VRC sẽ có hai Transistor cho mỗi Kênh – Channel hoặc cho mỗi Pha – Phase . Những Motherboard rẻ hơn đáng lẽ ra phải dùng một mạch tích hợp MOSFET Driver cho mỗi Kênh thì lại dùng thêm một Transistor phụ để thực hiện chức năng này và như vậy trên những Motherboard loại này sẽ có 03 Transistor cho mỗi Kênh mà lẽ ra lại chỉ có 02 Transistor mà thôi .
Vì thế cách tốt nhất để nhận biết có bao nhiều Kênh ( hoặc Pha )là đếm số lượng Cuộn cảm mà không nên đếm số lượng Transistor .
Những tụ điện dùng trong mạch VRC có thể là kiểu truyền thống hoặc kiểu dạng đặc có vỏ bọc bằng nhôm , và chúng ta đã thấy sự khác nhau về hình thức trong Hình 2. Tụ điện dạng đặc vỏ nhôm tốt hơn so với Tụ điện dạng thông thường vì chúng không bị phồng rộp hoặc rò chất hoá học bên trong . Nếu trên Motherboard sử dụng những Tụ điện thông thường , bạn có thể tìm được tên nguồn gốc của chúng . Những tụ điện được sản xuất tại Nhật có chất lượng tốt hơn cả . Các bạn có thể tham khảo bài “ Làm thế nào để nhận biết Tụ hoá của Nhật " vui lòng seach google
Mỗi điện áp ra được điều khiển bởi mạch tích hợp có tên gọi Bộ điều khiển PWM . Trong Motherboard mỗi mức điện áp sẽ tương ứng với một Bộ điều khiển PWM . Ví dụ một mức cho CPU , một cho Bộ nhớ và một cho Chipset … ( hầu hết những Bộ phận điều khiển PWM có khả năng điều khiển hai mức điện áp độc lập ) . Nếu bạn nhìn xung quanh Socket CPU thì có thể tìm ra Bộ phận điều khiển PWM như trong Hình 2 và 8 .



Cuối cùng là mạch tích hợp nhỏ hơn có tên gọi MOSFET Driver . Mạch VRC sẽ dùng một MOSFET Driver cho mỗi Kênh . Mỗi MOSFET Driver sẽ điều khiển hai Transistor MOSFET . Những Motherboard rẻ tiền sẽ dùng Transistor MOSFET khác vào vị trí của MOSFET Driver , do đó trên loại Motherboard mà dùng thiết kế này bạn sẽ không tìm thấy mạch tích hợp MOSFET Driver và mối Kênh sẽ có 03 Transistor .


Những Kênh ( hoặc Pha )
Điều chỉnh điện áp có một vài mạch điện công suất làm việc song song với nhau để cung cấp cùng một điệp áp ra , như điện áp cho CPU là một ví dụ . Tuy nhiên chúng lại không làm việc cùng một lúc mà lại làm việc theo từng giai đoạn vì thế có tên là “Phase” để mô tả mỗi mạch này . Chúng tôi sẽ giải thích chi tiết trong phần tới và chỉ tạm thời nói qua về nó mà những người ham mê công nghệ hay tranh luận về số lượng “Phase” trên Motherboard .
Chúng ta nói về mạch điều chỉnh điện áp CPU . Nếu mạch này có 02 Phase ( hoặc 02 Channel ) , thì mỗi Phase sẽ làm việc 50% thời gian để tạo ra điện áp cung cấp cho CPU . Nếu mạch này có 03 Phase thì mỗi Phase sẽ làm việc 33.33% thời gian , nếu 04 Phase thì mỗi Phase làm việc 25% thời gian … cứ như thế .
Có một vài điều kiện thuận lợi nếu như mạch VRC có nhiều Phase . Một điều rõ ràng khi ấy những Transistor làm việc trong chế độ tải nặng ít hơn và như vậy tuổi thọ của nó sẽ tăng lên và nhiệt độ toả ra của nó ít hơn nên chạy sẽ mát hơn .
Khi sử dụng nhiều Phase thì điện áp đầu ra ổ định hơn và sẽ có mức nhiễu ít hơn
Cũng có một điều cần nói rõ rằng khi những nhà sản xuất Motherboard nói rằng Motherboard có 06 Phase thì có nghĩa là họ nói tới số Phase của mạch điện điều chỉnh điện áp của CPU mà thôi .
Mỗi Phase điện áp sử dụng một cuộn cảm , hai hoặc ba Transistor , một hoặc nhiều Tụ điện và một mạch tích hợp MOSFET Driver . Với những Motherboard rẻ tiền mạch tích hợp MOSFET Driver bị thay thế bằng một Transistor . Như vậy số lượng linh kiện trên Motherboard sẽ khác nhau nhưng chỉ có số lượng cuộn cảm là tương đương với số lượng Phase mà thôi .
Ví dụ trong Hình 10 Motherboard có 03 Phase

Phần 3

Những Kênh ( hoặc Phase )

Nhưng có một điều xin nói trước . Trên một số Motherboard Phase mà điều khiển điện áp của Chipset hoặc Bộ nhớ lại nằm gần với những Phase khác , vì thế điều đó bạn có thể đếm sai Phase nếu bạn chỉ đếm đơn giản số lượng những Cuộn cảm nằm gần Socket của CPU .
Trong trường hợp Hình 11 mô tả một cách sinh động trên Motherboard có 04 Cuộn cảm , nhưng nó lại là loại Motherboard 03 Phase và như vậy chỉ có 03 Phase được dùng để tạo điện áp cho CPU và Phase thứ tư được dùng để tạo ra điện áp dùng cho Bộ nhớ . Chúng tôi sẽ hướng dẫn nhận biết chính xác số lượng Phase sử dụng cho việc tạo điện áp cho CPU


Tất cả những Cuộn cảm mà cùng điện áp đầu ra có những đầu ra của nó được nối lại cùng với nhau . Vì thế chỉ nên đếm những Cuộn cảm mà có đầu ra được nối cùng với nhau . Điều này có thể xác định được bằng cách kiểm tra mỗi Cuộn cảm trên mặt hàn của Motherboard . Trong Hình 12 chúng ta có thể thấy mặt hàn của Motherboard trên Hình 11 , và sẽ thấy chỉ có 03 Cuộn cảm được nối cùng với nhau mà thôi và đầu ra của Cuộn cảm thứ 4 lại đi phía dưới của những Socket bộ nhớ .


Trong ví dụ trong Hình 13 là của Motherboard rất cao cấp với 10 Phase . Motherboard này sử dụng tản nhiệt thụ động bên trên những cuộn cảm , bộ phận tản nhiệt được gỡ bỏ để tiện quan sát .


Bây giờ bạn đã biết cách làm thế nào để nhận biết chính xác và cách đếm những Phase điều chỉnh điện áp . Bây giờ là lúc cần biết chính xác mạch VRC làm việc như thế nào .
VRC làm việc như thế nào ?
VRC nhận điện áp +12V của đầu nối ATX12V hoặc EPS12V trên Motherboard và chuyển đổi thành những điện áp dùng cho những linh kiện phù hợp như CPU , RAM , Chipset … . Sự chuyển đổi này được thực hiện bằng Bộ chuyển đổi DC-DC , cũng được biết bằng cái tên gọi SMPS ( Switching-Mode Power Supply ) , cùng với hệ thống dùng bên trong bộ nguồn chính của PC .
Tâm điểm của Bộ chuyển đổi này chính là Bộ phận điều khiển PWM ( Pulse Width Modulation - Điều chế độ rộng xung ) . Mạch điện này tạo những tín hiệu dạng xung vuông mà sẽ điều khiển mỗi Phase . Trong chu kì làm việc giá trị khác nhau của tín hiệu này sẽ cho biết mạch điện muốn tạo ra điện áp là bao nhiêu . Ví dụ tín hiệu với chu kì làm việc 50% thì sẽ có ½ thời gian nó sẽ ở mức điện áp thấp ( thông thường là 0V ) và 50% thời gian làm việc nó sẽ có mức giá trị điện áp cao hơn – có nghĩa là khi mạch điện tạo ra điện áp +12V . Bộ phận PWM này làm việc kết hợp với những mạch phản hồi .
Giá trị điện áp ra của mạch VRC phải được tạo ra từ việc đọc chân VID ( Voltage ID) của CPU . Chân VID sẽ cung cấp một mã nhị phân cho biết điện áp chính xác mà điện áp cần cung cấp để CPU làm việc . Một số Motherboard cho phép bạn thay đổi bằng tay điện áp bên trong của CPU bằng chương trình BIOS . Việc thiết lập trong BIOS như vậy khiến cho thay đổi mã mà Bộ phận điều khiển PWM đọc được , do đó Bộ phận điều khiển sẽ thay đổi điện áp CPU theo cấu hình mà bạn đã cài đặt . Những ví dụ trên chúng tôi đề cập vào việc cung cấp điện áp cho CPU làm việc chính xác và cũng cùng với cách thức như vậy được dùng cho việc cung cấp điện áp Chipset và Bộ nhớ .
Bộ chuyển đổi DC-DC là hệ thống chu trình khép kín . Điều đó có nghĩa là Bộ phận điều khiển PWM theo dõi liên tục những đầu ra của mạch điều chỉnh điện áp . Nếu điện áp đầu ra tăng hoặc giảm thì mạch điện sẽ tự điều chỉnh ( thay đổi tần số của tính hiệu PWM ) để cung cấp điện áp đầu ra chính xác . Điều đó được thực hiện qua bộ cảm biến dòng , khi tiêu thụ dòng điện tăng thì điện áp đầu ra được điều chỉnh giảm và ngược lại .
Trong Hình 14 là sơ đồ khối của Bộ phận điều khiển PWM thường được dùng trong những mạch điện điều chỉnh điện áp CPU ( NCP5392 của On Semiconductor ) . Trên sơ đồ khối có thể dễ dàng nhận thấy những chân nhận biết điện áp từ VID0 tới VID7 , những chân phản hồi ( CS , chân Current Sensor , nằm bên trái ) và những đầu ra được dẫn từ mối Phase ( những chân G , nằm bên phải ) . Như sơ đồ khối cho thấy mạch tích hợp này điều khiển 04 Phase

Mỗi Phase dùng hai Transistor và một Cuộn cảm . Bộ phận điều khiển PWM không cung cấp đủ dòng để điều khiển Đóng / Mở những Transistor này , do đó phải cần MOSFET Driver cho mỗi Phase . Thông thường Driver này được chế tạo bằng những mạch tích hợp nhỏ . Trong nhiều trường hợp nhiều nhà sản xuất Motherboard với mục tiêu giảm giá thành sản phẩm thay vì sử dụng MOSFET Driver họ lại dùng thêm một Transistor khác trên những Motherboard rẻ tiền .
Trong Hình 15 là sơ đồ nguyên lí cơ bản của một Phase trên Motherboard ( việc kết nối vòng phản hồi không có trong sơ đồ này ) có sử dụng NCP5359 là MOSFET Driver .
MOSFET Driver và những Transistor MOSFET sẽ được cung cấp bởi điện áp +12V cung cấp trên những đầu nối ATX12 hoặc EPS12V ( trên sơ đồ có ghi là “10V to 13.2V” và “4V to 15V “ ) . Trên sơ đồ có 02 MOSFET , 01 Cuộn cảm và những Tụ điện . Tín hiệu phản hồi sẽ được cung cấp bằng cách liên kết hai dây nối song song tới Cuộn cảm , tới Bộ phận điều khiển PWM là chân CS+ ( CSP ) và CS- ( CSN ) . Chân PWM được nối tới đầu ra PWM do Bộ phận điều PWM cung cấp và chân EN là chân cho phép để kích hoạt mạch điện làm việc .


Như trong Hình 14 , mỗi đầu ra PWM tương ứng với mỗi Phase . Tín hiệu PWM là dạng sóng vuông mà có độ rộng ( trong chu kì làm việc ) thay đổi phụ thuộc vào điện áp mà bạn muốn và đó cũng là nguyên nhân tại sao nó có tên là Điều chế độ rộng xung ( Pulse Width Modulation ) . Giả sử khi một điện áp đầu ra ổn định thì tất cả tín hiệu PWM sẽ có dạng xung vuông giống nhau . Những tín hiệu này sẽ có một khoảng trễ giữa chúng và gọi khoảng trễ này là thời gian dịch Phase .
Ví dụ một mạch trên có 02 Phase , hai tín hiệu PWM sẽ ngược nhau . Trong khi Phase 1 đang được bật thì Phase 2 sẽ bị tắt và ngược lại . Điều này sẽ chắc chắn mỗi Phase sẽ làm việc 50% thời gian . Trên mạch điện có 04 Phase , những tín hiệu PWM sẽ bị trễ theo cách để mỗi Phase sẽ được kích hoạt tuần tự với nhau : Phase 1 được kích hoạt đầu tiên , sau đó Phase 2 , tiếp theo là Phase 3 và cuối cùng là Phase 4 . Khi một Phase được kích hoạt lên trạng thái bật thì những Phase còn lại ở trạng thái tắt . Trong trường hợp này thì mỗi Phase làm việc 25% thời gian .
Càng có nhiều Phase thì thời gian mỗi Phase được bật càng ít . Điều đó sẽ làm cho mỗi Phase sẽ có ít nhiệt lượng toả ra và mối Transistor làm việc ít hơn và như thế sẽ làm tăng tuổi thọ của linh kiện này
[right]