Железо

О проверке полевых транзисторов импульсных цепей питания

При эксплуатации видеокарт с повышенной нагрузкой (например, при майнинге) иногда возникают ситуации, когда они выходят из строя. Частой причиной их поломки является неисправность элементов цепей питания. В случае, если какие-то транзисторы, конденсаторы или другие детали сгорели с образованием короткого замыкания, от пожара должен спасать блок питания, точнее его защита от КЗ (высокого тока).

Как правило, если у видеокарты имеется короткое замыкание по цепям, идущим от разъема дополнительного питания +12V, либо по напряжениям +3.3V/+12 со слота PCI-E, срабатывает защита блока питания и компьютер не включается. Если БП не имеет такой защиты, либо она не работает, то последствия могут быть очень печальными: появление возгораний, прогаров и других проблем, которые очень тяжело устранить.

В то же время, неисправность цепей питания видеокарт, не сопровождающаяся прогарами, достаточно легко устраняется даже специалистами среднего уровня подготовки.

В данной статье рассматривается последовательность действий по проверке исправности полевых транзисторов фаз питания видеокарт, которые приводят к срабатыванию защиты блока питания компьютера.

Выявление причин неисправности видеокарты, которая не дает компьютеру включиться

При установке видеокарты с коротким замыканием по питанию в материнскую плату (либо в райзер), при включении компьютера блок питания уходит в защиту.

Для уточнения причин неисправности в первую очередь нужно проверить сопротивление на разъеме дополнительного питания +12 вольт и контактах +3.3 и +12 вольт на контактах PCI-E видеокарты.

Если сопротивление очень мало или равно нулю, то это свидетельствует о выходе из строя каких-то элементов в цепях питания видеокарты.

Для нахождения причин проблемы нужно произвести внимательный осмотр деталей на плате на предмет потемнений, повреждений, обуглений и других отклонений от нормы.

Частой причиной короткого замыкания является использование некачественных керамических конденсаторов в цепях питания. Они иногда выходят из строя с образованием участка с очень малым сопротивлением. Подробнее о таких проблемах можно прочитать в статье «Устранение типичной неисправности в цепи питания Sapphire Radeon RX400/500-й серий».

Если визуальный осмотр не дает никаких результатов, нужно приступать к проверке сопротивлений подозрительных электронных элементов в цепях питания видеокарты.

Наиболее частой причиной появления проблем, связанных с появлением коротких замыканий, являются пробои полевых транзисторов фаз питания. Точно проверить их исправность можно только выпаяв их с печатной платы, хотя у пробитого полевого транзистора выявить короткое замыкание можно и не снимая его с платы. Для оценки состояния полевых транзисторов используется измерение сопротивления, а также падение напряжения между выводами.

О роли полевых транзисторов в импульсных источниках питания

В современных видеокартах в качестве ключевых элементов импульсных фаз питания чаще всего используются n-канальные полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевые транзисторы являются электронными ключами, обеспечивающими работу фаз питания видеокарт (картинка с сайта techpowerup):

Это активные электронные компоненты с МОП-структурой (металл-окисел-полупроводник), в которых используется полевой эффект.

На английском языке их называют MOSFET-транзисторами (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor):

MOSFET-транзисторы еще называют МДП-транзисторами (структура метал-диэлектрик-полупроводник), МОП-транзисторами (структура метал-окисел-полупроводник).

Упрощенная структура n-канального полевого транзистора:

N-канальные транзисторы имеют три вывода:

  • G-gate (затвор) — служит для управления состоянием транзистором (аналог сетки электронных ламп или базы на биполярных транзисторах);
  • D-drain (сток) — является входом управляемой электрической цепи (аналог коллектора биполярных транзисторов);
  • S-source (исток) — выход управляемой электроцепи (аналог эмиттера у биполярных транзисторов).

Типовая электрическая схема N-канального полевого MOSFET-транзистора:

Как видно из схемы, между истоком и стоком n-канального полевого транзистора (иногда) включается диод. Это элемент, который должен защищать транзистор от всплесков обратного напряжения, вызванных переходными процессами на индуктивной нагрузке фаз питания при выключении транзистора. Он должен гасить на себе всплеск напряжения от катушки индуктивности в момент закрытия транзистора.

MOSFET-транзисторы выпускаются в четырех видах корпусов:

  • для поверхностного монтажа — TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6 и другие;
  • с проволочными выводами — TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247 и другие;
  • DirectFET — DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH и другие;
  • PQFN — PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6 и другие.

Виды корпусов MOSFET-транзисторов:

Чтобы проверить полевые транзисторы, нужно знать хотя бы на базовом уровне их устройство, принцип работы, назначение выводов и какое сопротивление должно быть между ними в выключенном состоянии.

Как работают ключевые MOSFET-транзисторы в фазах питания импульсных цепей питания

N-канальные транзисторы обычно открываются путем подачи на затвор положительного потенциала.

Упрощенный пример подключения нагрузки через MOSFET-транзистор (Enhancement-типа):

В данной схеме для того, чтобы n-канальный MOSFET-транзистор заработал, к его стоку(drain) необходимо подать позитивное напряжение Vdd, а на затвор (gate) — минимальное напряжение Vg. После этого n-канал между стоком-истоком откроется, по нему потечет ток от стока (+Vdd) к истоку (минусовой вывод) — транзистор перейдет во включенное, открытое состояние.

Иллюстрация работы n-канала, образующегося при открытии MOSFET-транзистора:

Чтобы выключить MOSFET, нужно отключить напряжение Vdd или Vg.

Более подробно о работе импульсных фаз питания можно почитать в статье «Как работает VRM материнских плат».

Как омметром проверить полевой транзистор?

Исходя из логики работы рассмотренного полевого транзистора, в закрытом состоянии он не должен проводить ток между стоком-истоком, то есть его сопротивление должно быть очень велико.

В связи с тем, что между выводами сток-исток включен диод, сопротивление между этими выводами будет значительно отличаться при разной полярности щупов омметра. Если к истоку (source) подключить плюсовой вывод, а на сток (drain) — минус, то сопротивление будет очень маленьким — оно должно соответствовать внутреннему сопротивлению диода (здесь можно измерять падение напряжения на его переходе). При обратной полярности (на истоке — минус, ан стоке — плюс) сопротивление должно быть очень большим.

Сопротивление между затвором и стоком, а также затвором-истоком должно быть очень большим, так как затвор электрически изолирован от других выводов.

При подаче на затвор небольшого положительного потенциала (например, от плюсового вывода щупа мультиметра) транзистор должен открываться, а сопротивление между всеми выводами — падать практически до нуля (в связи с этим поведение открытого полевого транзистора похоже на пробитый элемент с коротким замыканием). Закрыть транзистор после этого можно путем подачи отрицательного потенциала на затвор.

Для исключения влияния других электронных элементов, лучше всего транзисторы проверять в отпаянном от платы состоянии. Так как это не всегда удобно делать, то оценить состояние транзисторов приходится не снимая их с видеокарты (другого устройства).

Для этого мультиметром в режиме измерения сопротивления измеряется его начение между стоком (drain) — истоком (Source). Если щуп минуса находится на стоке, а плюс — на истоке, то транзистор, находящийся в закрытом состоянии должен показывать высокое сопротивление (что соответствует падению напряжения, равному сотням милливольт).

В качестве практического примера проверки полевых транзисторов VRM рассмотрим видеокарту Nvidia GeForce GTX950.

Практическая проверка полевых транзисторов на печатной плате видеокарты

На видеокарте Nvidia GeForce GTX950 (модель Strix от фирмы ASUS) используется 4 фазы питания GPU и 1 фаза для VRAM (аналогичная схемотехника используется и во некоторых других видеокартах Nvidia).

Четыре фазы питания GPU у видеокарты GeForce GTX950 собраны на транзисторах M3056M (две штуки, формирующие нижнее плечо фазы питания) и одного M3054M (верхняя фаза). Три фазы управляются ШИМ-контроллером uP9501P (справа вверху на изображении), еще одна — uP1959R:

Одна фаза питания памяти видеокарты Nvidia GeForce GTX950 состоит из двух полевых транзисторов M3056M и одного M3054M под управлением ШИМ-контроллера uP1541P:

Полевые транзисторы M3056M выпускаются в корпусе с восемью выводами типа QFN-8. Это N-канальные MOSFET-транзисторы со следующими параметрами:

  • напряжение сток-исток, при котором наступает пробой (BVDSS) = 30V;
  • сопротивление сток-исток открытого канала (RDSON) = 4.2 mΩ;
  • максимальный продолжительный, непрерывный ток стока (Id) = 103A.

Полевые транзисторы M3054M имеют следующие параметры:

  • напряжение сток-исток, при котором наступает пробой (BVDSS) = 30V;
  • сопротивление сток-исток открытого канала (RDSON) = 4.8 mΩ;
  • максимальный продолжительный, непрерывный ток стока (Id) = 97A.

Распиновка полевых транзисторов M3054M/M3056M:

Для проверки этих транзисторов нужно замерить сопротивление в обоих направлениях (падение напряжения) между выводами сток-исток (source-drain) — оно должно быть очень большим при включении плюсового щупа на исток (так как защитный диод между стоком-истоком включен в обратном направлении) и показывать сопротивление защитного диода при измерении сопротивления от source к истоку (плюс щупа подключается к source). Иногда защитный диод отсутствует, поэтому сопротивление в обеих направлениях большое.

Для уменьшения времени, затрачиваемого на проверку ключевых транзисторов фаз питания следует учитывать, что наиболее часто выходят из строя транзисторы, работающие в качестве верхнего ключа.

У видеокарты GeForce GTX950 при первоначальной диагностике было диагностировано аномально низкое сопротивление по линии +12 вольт из слота PCI-E (около 6 Ом)

Измерение сопротивления транзисторов фаз питания GPU показало пробой транзисторов M3054M (верхние плечи) двух фаз питания, расположенных ближе к разъему PCI-E (сопротивление около 6 Ом в обеих направлениях), а также одного транзистора M3056M нижнего плеча (сопротивление 0.5 Ом в обеих направлениях). Такие же исправные транзисторы двух верхних фаз на плате показывали сопротивление, близкое к бесконечности.

Неисправные транзисторы фаз питания, выявленные путем измерения сопротивления сток-исток на печатной плате видеокарты:

После выпаивания и замены неисправных транзисторов аномально низкое сопротивление по линии +12 вольт со слота PCI-E, приводящее к срабатыванию защиты в блоке питания ушло.

Заключение

Чтобы избежать выхода из строя полевых транзисторов фаз питания, работающих в импульсном режиме, нужно обеспечить выполнение следующих условий:

  • значения напряжений, возникающих на участках затвор-исток (Ugs), сток-исток (BVDSS), а также ток Id, проходящий через транзистор, не должны выходить за лимиты, предусмотренные в datasheet. При этом нужно учитывать импульсы, вызванные нелинейными процессами в источниках питания, в том числе те, которые гасятся варисторами/термисторами;
  • при работе транзисторов должен быть обеспечен оптимальный температурный режим, не выходящий за рамки предусмотренных производителем ограничений. В связи с этим при майнинге не стоит жалеть вентиляторов видеокарт, которые по умолчанию настроены на работу с минимальным шумом. Для уменьшения температуры на видеокартах при майнинге и во время других интенсивных режимов нужно использовать сторонние утилиты, управляющие их системой охлаждения;

При поиске неисправностей в импульсных фазах питания стоит учитывать, что наиболее частой причиной выхода из строя MOSFET-транзистора является короткое замыкание (пробой) между истоком и стоком. При этом внутри транзистора очень сильно поднимается температура, расплавляется кристалл и металлические элементы, что может повредить близлежащие электронные элементы и прожечь печатную плату вместе с проводящими слоями.

Для уменьшения вероятности пробоя транзисторов следует обеспечивать запас по напряжению BVDSS у транзисторов фаз питания, в расчете на возможное повышение рабочего напряжения во время бросков тока/пиковых нагрузок. Это важно учитывать при ремонте и замене неисправных полевых транзисторов на аналоги. Кроме того, для обеспечения щадящего режима работы транзисторов фаз питания, в импульсных цепях питания должны быть установлены необходимые сглаживающие и блокировочные конденсаторы (в рабочем состоянии).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

English EN Français FR Deutsch DE Português PT Русский RU Español ES Türkçe TR