Μέτρηση VCore με πολύμετρο

Dr.Paneas · Οκτώβριος 1, 2009

Αρχικά θα ήθελα να ξεκαθαρίσω ότι πληροφορίες αυτού του Guide πάρθηκαν από το forum xtremesystems.org ( βλέπε post

http://www.xtremesystems.org/forums/showthread.php?t=153281&highlight=measure+vcore+multimeter ) , από την Wikipedia ( βλ http://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter και http://en.wikipedia.org/wiki/DC_to_DC_converter ) καθώς επίσης και από βιβλίο Ηλεκτρονικής του Malvino Leech (http://www.malvino.com/ep/ ).

Έχετε ποτέ αναρωτηθεί πώς γίνεται ο επεξεργαστής να λειτουργεί με τάση περίπου 1.2v ; Από πού την παίρνει αυτή την τάση ; Είναι σταθερή ; Τι συμβαίνει ;

Εδώ θα τα πούμε όλα και θα τα ξεκαθαρίσουμε μια και καλή για να μην υπάρχουν ασάφειες και παρεξηγήσεις. Αυτός είναι ο στόχος αυτού του κειμένου και παρακαλώ θερμά όσοι γνωρίζουν κάτι παραπάνω ή έχουν να διορθώσουν ή να πουν κάτι χρήσιμο να το κάνουν. Με χαρά θα προσθέσω ή θα διορθώσω το κείμενο.

Πάμε λοιπόν . . . banana

Ο επεξεργαστής ( CPU ) τροφοδοτείται κυρίως από το ATX τροφοδοτικό, και πιο συγκεκριμένα από την 12v rail . Γι αυτό θα δείτε αρκετούς να μιλούν και να κάνουν λόγο για την 12άρα που δίνει το τροφοδοτικό τους και πόσο σταθερή είναι σε καταστάσεις με φορτίο ( load ) και χωρίς φορτίο ( idle ). Ας επανέλθουμε στο αρχικό μας ερώτημα: Αφού το κύκλωμα του CPU τροφοδοτείται από 12v, τότε πώς λειτουργεί στα 1.2 ; Προφανώς και έχουμε κάποιο κύκλωμα που μετασχηματίζει αυτή την συνεχή τάση ( DC Voltage) σε κάποια τάση μικρότερη.

Ο πρώτος και πιο απλός τρόπος να μειώσουμε μία DC τάση είναι με την χρήση ενός Διαιρέτη Τάσης ( Voltage Divider ) . Αυτό το ηλεκτρονικό κύκλωμα έχει ένα πολύ μεγάλο μειονέκτημα:

σπαταλάει ασύστολα μεγάλα ποσά ενέργειας στην μετατροπή θερμότητας που γίνεται στις αντιστάσεις ( Resistors ).

Γι αυτό σήμερα έχουμε βρει έναν άλλον πολύ πιο αποδοτικό τρόπο που μπορεί εύκολα να πιάσει 90% efficiency στα I.C. Αυτό το κύκλωμα ονομάζεται μετατροπέας υποβιβασμού τάσης ( Bulk Converter ).

Ο Bulk Converter είναι ένας step-down converter (μετατροπέας υποβιβασμού) DC – DC. Δηλαδή παίρνει ως είσοδο μια DC τάση ( πχ +12v ) και επιστρέφει/βγάζει/δίνει στην έξοδο μια ελαττωμένη DC τάση ίδιας πολικότητας (πχ +5v ). Δηλαδή αυτό που κάνει είναι να υποβιβάζει την τάση – γι αυτό και λέγεται step down ή αλλιώς Buck Converter . Επειδή του λόγου του ασχολείται μόνο DC τάσεις, ανήκει στην οικογένεια των DC-DC Converters. Αυτοί έχουν την ιδιότητα να είναι πολύ αποδοτικοί. Η μέθοδος μετατροπής που χρησιμοποιείται στα ολοκληρωμένα κυκλώματα ( Integrated Circuits – IC ) αγγίζει απόδοση ισχύος ( Power Efficiency ) σε ποσοστά 75% - 98 % . Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι πλέον χρησιμοποιούνται FET ισχύος αντί για διπολικά transistors και ακόμα πιο πρόσφατα τα MOSFETs. Στην περίπτωσή μας ο Buck Converter λειτουργεί σύμφωνα με την μέθοδο μετατροπής Forward Switched-Mode.

Οι switch-mode DC-DC μετατροπείς μετατρέπουν μια DC τάση σε μία άλλη DC τάση μεγαλύτερου ή μικρότερου επιπέδου. Αυτό το πετυχαίνουν αποθηκεύοντας προσωρινά την ενέργεια εισόδου και στην συνέχεια την οδηγούν/μεταφέρουν στην έξοδο με διαφορετική τάση. Η προσωρινή αυτή αποθήκευση της ενέργειας γίνεται συνήθως με μαγνητικά πεδία ( όπως αυτό του πηνίου – L ( inductor ) )είτε σε ηλεκτρικά πεδία ( όπως αυτό του πυκνωτή – C ( Capacitor ) ).

Για να επανέλθουμε, το χαρακτηριστικό του Buck Converter είναι ότι η πορεία της τάσης είναι μονόδρομη ( forward ) προς τα μπρος. Δηλαδή πάει από την είσοδο ( Input ) στην έξοδο ( Output ) και πάντα η τάση εξόδου ( Vout) είναι μικρότερη της τάσης εισόδου ( Vin) και ίδιας πολικότητας ( πχ +15v à +5v ).

Βασική Ιδέα και κύκλωμα Buck Converter

[ATTACH]5928[/ATTACH]

Η λειτουργία του Buck Converter είναι πολύ απλή και αποτελείται από το πηνίο ( inductor ) και από 2 διακόπτες. Ο ένας διακόπτης φαίνεται ξεκάθαρα αλλά αυτό που δεν φαίνεται είναι στην ουσία είναι ένα transistor MOSFET . Ο άλλος διακόπτης είναι η ίδια η δίοδος ( όταν είναι πολωμένη ορθά λειτουργεί σαν κλειστός διακόπτης διότι άγει το ρεύμα τάσης μεγαλύτερης από 0.7v ενώ όταν είναι πολωμένη ανάστροφα δεν άγει το ρεύμα και συνεπώς λειτουργεί σαν ανοιχτός διακόπτης. Στα σύγχρονα κυκλώματα πολλαπλών φάσεων η δίοδος έχει αντικατασταθεί από αντίστοιχο διακόπτη. Όπως είπαμε νωρίτερα, ο Buck Converter χρησιμοποιεί την μέθοδο εναλλαγής καταστάσεων ( switch-mode) και συνεπώς περνάει το κύκλωμα από την μία ( On State ) στην άλλη ( Off State ). Με αυτές τις εναλλαγές έχουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα -- ελαττωμένη DC τάση στην έξοδο του κυκλώματος, δηλαδή στο φορτίο ( load ) που κατά συνέπεια μεταβιβάζεται στον CPU.

Ερμηνεία της μεθόδου Switch-Mode:

1)Όταν ο διακόπτης ( switch ) είναι κλειστός έχουμε On State κατάσταση

[ATTACH]5929[/ATTACH]

Όπως βλέπετε ο διακόπτης κλείνει και συνεπώς η πηγή μας ( 12άρα του τροφοδοτικού) δίνει ρεύμα το οποίο περνάει στο κύκλωμα του Buck Converter. Βλέπουμε τον αγωγό της διόδου με μαύρο χρώμα διότι δεν διαρρέεται από ρεύμα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η κατεύθυνση του ρεύματος βρίσκει την δίοδο πολωμένη ανάστροφα και συνεπώς την προσπερνάει και πηγαίνει στο πηνίο ( inductor ) . Το πηνίο στο DC λειτουργεί έχει μηδενική αντίσταση και λειτουργεί ως βραχυκύκλωμα. Γι αυτό τον λόγο λίγο παραδίπλα βλέπουμε το φορτίο όπου συγκρατεί το κύκλωμα από το «μπουμ». Το φορτίο αποτελείται από έναν πυκνωτή ( Capacitor ) και μία αντίσταση εξόδου ( Rout ) . Ο πυκνωτής στο DC παρουσιάζει την αντίθετη ακριβώς λειτουργία από το πηνίο, δηλαδή παρουσιάζει άπειρη αντίσταση και συνεπώς λειτουργεί ως ανοιχτός διακόπτης – κομμένο κύκλωμα. Αυτό που συμβαίνει στην On State κατάσταση του κυκλώματος είναι ότι η ενέργεια αρχίζει να μεταφέρεται στο πηνίο όπου αποθηκεύεται προσωρινά και αυξάνεται συνεχώς περισσότερο γραμμικά με τον χρόνο. Όταν φτάσει στην απαιτούμενη τιμή που έχει οριοθετήσει ο PWM Controller ( ας πούμε τόση ενέργεια όσο απαιτείται για τα 1.2v τροφοδοσίας του CPU ) τότε ανοίγει ο διακόπτης και περνάμε στην κατάσταση State Off του κυκλώματος.

2)Όταν ο διακόπτης ( switch ) είναι ανοιχτός έχουμε Off State κατάσταση

[ATTACH]5930[/ATTACH]

Περνώντας στην off state κατάσταση αρχίζει να άγει η δίοδος καθώς το ρεύμα την βρίσκει πλέον πολωμένη ορθά ( από κάτω προς τα πάνω -- όπως δείχνει το κόκκινο βελάκι στον κλάδο της ). Αντίστοιχα το όταν το ρεύμα περάσει μέσα από την δίοδο πηγαίνει δεξιά, αφού αριστερά βρίσκει ανοιχτό διακόπτη. Αυτό έχει ως συνέπεια την μετακίνηση ενέργειας από το πηνίο στο φορτίο και κατ’ επέκταση την αποφόρτιση του ίδιου του πηνίου. Η ενέργεια αυτή αποθηκεύεται στο ηλεκτρικό πεδία των πυκνωτών όπου πριν είναι αφόρτιστοι και τώρα αρχίζουν να φορτίζουν αυτοί δανειζόμενη ενέργεια από το πηνίο. Μόλις γίνει η απαραίτητη ανταλλαγή ενέργειας ο PWM Controller αλλάζει την κατάσταση του διακόπτη και συνεπώς το κύκλωμα επανέρχεται σε On State κατάσταση ( mode ) ξανά.

Όπως καταλαβαίνετε εναλλάσσοντας της καταστάσεις από On σε Off, ανοίγοντας και κλείνοντας τον διακόπτη αντίστοιχα, καταφέρνουμε να επιλέξουμε την τάση που θα δώσει το κύκλωμα buck converter στο φορτίο.

Στην On State, το πηνίο φορτίζει μέχρι εκεί που ορίζει ο controller ( πχ ότι έχετε επιλέξει από το BIOS VCore 1.35v) και αποθηκεύει προσωρινά την ενέργεια αυτήν.

Στην Off State το πηνίο μεταφέρει αυτή την ενέργεια στον πυκνωτή και το ίδιο αποφορτίζεται μέχρι να του «σφυρίξει» πάλι ο PWM Controller.

Στην επόμενη On State ο πυκνωτής αποφορτίζεται και ο φορτίζεται το πηνίο.

Στην επόμενη Off State αποφορτίζεται το πηνίο και φορτίζεται ο πυκνωτής.

Όπως βλέπετε ο διακόπτης χρησιμοποιείται για να εναλλάξει της λειτουργίες που εκτελεί το πηνίο το οποίο παίζει βασικό ρόλο στο κύκλωμα. Αυτή η εναλλαγή των καταστάσεων On State – Off State γίνεται περίπου 100 φορές το δευτερόλεπτο από τα MOSFETs. ∆οµές MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) είναι στην ουσία τρανζίστορ διατάξεις ελεγχόµενες από τάση οι οποίες δεν απαιτούν µεγάλα ρεύµατα οδήγησης όπως οι αντίστοιχες διπολικές διατάξεις. Με πιο απλά λόγια mosfet είναι η εξέλιξη του τρανζιστορ. Ηλεκτρονικο εξαρτημα που χρησιμοποιηται για ενισχυση σηματος χωρις πολλες απο τις αδυναμιες του τρανζιστορ (αποκοπη στις χαμηλες συχνοτητες κλπ).

Αυτά είναι μικρά τα μαύρα κουτάκια με τρία πόδια, όπως βλέπετε παρακάτω:

[ATTACH]5931[/ATTACH]

και τώρα έτσι όπως θα το δείτε πάνω στην motherboard ( μητρική πλακέτα ).

[ATTACH]5932[/ATTACH]

Αυτά παίρνουν εντολή από τον PWM Controller και εναλλάσσουν τις καταστάσεις On και Off State.

Ας δούμε τώρα πως είναι τα πηνία :

[ATTACH]5933[/ATTACH]

Ας δούμε τους πυκνωτές:

[ATTACH]5934[/ATTACH]

Ας δούμε τώρα τους SMD πυκνωτές στους οποίους συνηθίζεται να μετράμε την τάση όταν έχουμε δυσκολία στα τετράγωνα πηνία ( θα το πούμε στην συνέχεια ) :

Το κύκλωμα στις σύγχρονες μητρικές αποτελείται συνήθως από 3 μέχρι 6 φάσεις για καλύτερη σταθερότητα και ελαχιστοποίηση των απωλειών . Βλέπετε το παρακάτω κύκλωμα:

[ATTACH]5935[/ATTACH]

Βλέπετε τρείς φάσεις S1, S2, S3 ( το κύκλωμα είναι σχεδιασμένο για Sn φάσεις οπότε δεν μας απασχολεί η ονοματολογία). Δείτε τώρα πως είναι το ίδιο στην παλιά μητρική μου ( ASUS K8N-E Deluxe 754 )

[ATTACH]5936[/ATTACH]

Επιστρέψτε τώρα στο προηγούμενο κύκλωμα (προηγούμενη φωτογραφία). Το σημείο μέτρησης όπου μετράνε οι περισσότεροι είναι σημειωμένο με κόκκινο.

Μετράνε αρχικά το ακραίο δεξία ποδαράκι ( Source ) του MOSFET , κατόπιν μετράνε το μεσαίο ( Drain -- αρνητική τάση), κάνουν την αφαίρεση και έτσι έχουν το αποτέλεσμα που θέλουν, δηλαδή το VCore .

[ATTACH]5937[/ATTACH]

Eεε, αυτός ο τρόπος είναι λάθος !!!!

Γιατί ; Γιατί πολύ απλά έχει μεγάλο ποσοστό λάθους καθώς η μέτρηση σχετίζεται με το πόσο καλό DMM ( Digital MultiMeter) έχετε ώστε να μπορέσει να «πιάσει» σωστά τις 100 εναλλαγές που κάνει το κύκλωμα Buck Converter μέσα σε ένα δευτερόλεπτο.

[ATTACH]5938[/ATTACH]

Ο πιο σωστός τρόπος να μετρήσετε πραγματικά χωρίς απώλειες το VCore είναι το μπλέ σημείο στο κύκλωμα. Αν έχετε τέτοιους inductors μπορείτε να πειραματιστείτε και να βρείτε το θετικό ποδαράκι έστω σε έναν από τους τρεις (αν έχετε τρεις φάσεις) . Προσοχή, το ένα probe θα πάει στο θετικό ποδαράκι του πηνίου ενώ το άλλο probe θα πάει στην γείωση (κάποιο μεταλλικό σημείο στο case ή στο I/0 Backplate της μητρικής θα ήταν ιδανικό).

Τώρα όμως, αρκετές μητρικές έχουν αυτούς τους τετράγωνους inductors πράγμα που δεν σε αφήνει να βάλεις το probe στο ποδαράκι τους, γιατί πολύ απλά δεν έχουν ποδαράκι. Συνήθως σε αυτήν την κατάσταση αναγκαζόμαστε να βρούμε τον ιδανικό SMD Capacitor που να μας δίνει το σωστό σημείο μέτρησης ( Measure Point).

[ATTACH]5939[/ATTACH]

Θέλει αρκετή προσοχή κατά την τοποθέτηση του probe στην μητρική. Αν γίνει κάτι κατά λάθος και ακουμπήσετε δύο ηλεκτρονικά στοιχεία πάνω στην μητρική, τότε θα την δείτε να πεθαίνει σχετικά εύκολα. Γι αυτό θέλει αρκετή προσοχή, όχι βιασύνη, και σταθερά χέρια. Να σας πω οτι σημερα την πάτησα ετσι εγω. Καταλαθος ακουμπισα τα 2 pins του MOSFET για χρόνο μικρότερο απο 1 δευτερολεπτο και το αποτελεσμα ηταν η μητρικη να καταστραφει. Δεν ξαν ανοιξε . . . ετσι απλα. Οποτε πολυ με γαλη προσοχη. Πάρτε ειδικα probe ( κροκοδειλάκια) που να ειναι πολυ πολυ μικρα ετσι ωστε να δαγκωνουν το συγκεκριμενο ποδαρακι ( thx για το tip Eleven ).

Το καλύτερο που έχετε να κάνετε είναι να βρείτε στο πίσω μέρος από την μητρική το αντίστοιχο ποδαράκι που θέλετε να μετρήσετε και να κολλήσετε με σολδερίνη ένα θηλυκό pin έτσι ώστε να εφαρμόζει στο αρσενικό probe σας, χωρίς να έχετε φόβο βραχυκυκλώματος.

Αυτή η φώτο δείχνει μια μέτρηση σε ποδαράκι από την πίσω πλευρά της μητρικής.

Αυτό που έχετε να κάνετε είναι να βάλετε αρχικά το ένα probe στην γείωση. Μετά να ανοίξετε τον υπολογιστή σας στο BIOS και να δείτε πόσο VCore έχετε δώσει. Με το άλλο probe αρχίζετε να ψάχνετε το «μπλε» αυτό σημείο που είπαμε. Αν έχετε δακτυλοειδή πηνία τότε βάζετε το probe στο θετικό pin. Αν πάλι έχετε τετράγωνα πηνία τότε δοκιμάζετε μήπως τα καταφέρετε ή αλλιώς ψάχνετε έναν κοντινό SMD Capacitor. Βλέπετε όποια τιμή είναι πιο κοντά στο Vcore σας του BIOS αυτό θα είναι και το κατάλληλο Measure Point. Στην συνέχεια δίνετε περισσότερο VCore από το BIOS και βλέπετε κατά πόσο ανταποκρίνεται το σημείο που βρήκατε στην αύξηση που κάνατε και συνεπώς επαληθεύετε ή όχι αν είναι το σωστό σημείο.

Υπομονή και καλό ψάξιμο.