Regulador de voltaje del CPU

Este elemento vital es un complejo circuito electrónico cuya función es garantizar que al microprocesador (CPU) le llegue la alimentación eléctrica necesaria para su funcionamiento, con los niveles de voltaje y corriente rigurosamente regulados y controlados.

Los microprocesadores modernos que se utilizan en computadoras personales funcionan con voltajes muy bajos que pueden estar entre 0.83Volts y 1.6Volts, pero a su vez demandan corrientes muy elevadas que están cerca de los 100 Amperes. Todo esto con un alto nivel de regulación y estabilidad, los porcientos de tolerancia son muy bajos ante variaciones externas de la fuente de alimentación o del propio circuito regulador. A todo esto hay que agregarle que una misma motherboard puede ser compatible con una amplia gama de microprocesadores (CPU), con diferentes tecnologías de fabricación, velocidades de bus y frecuencia de reloj, pero también con diferentes voltajes de trabajo.

Con estos requerimientos técnicos no es difícil darse cuenta de la complejidad y precisión del sistema que se encarga de suministrar la alimentación eléctrica del CPU. Es tan importante esta parte del sistema que se considera como uno de los indicadores fundamentales de la calidad de una motherboard y es el responsable de una gran mayoría de los fallos que dejan irremediablemente fuera de servicio a cualquier computadora.

Si estás verdaderamente decidido a aprender más sobre la calidad de las motherboards deberás estudiar a profundidad el circuito regulador de voltaje del CPU, el cual tiene la función de recibir la energía de la fuente de alimentación (+12V) y convertirlo en los voltajes requeridos por el CPU, memorias, chipset y otros circuitos. En esta ocasión haremos un viaje hacia el interior del circuito regulador de voltaje, mostrando como identificarlo, como funciona y como detectar cuando estamos en presencia de componentes de buena calidad antes de emprender una compra o proyecto nuevo.

La calidad del circuito regulador de voltaje del CPU es una de las mejores vías para tener una idea de la calidad de una motherboard y su período de vida por varias razones. Un buen regulador de voltaje no tiene fluctuaciones o ruido en sus salidas, proporcionando al CPU y otros componentes un voltaje estable y limpio permitiendo que estos funcionen perfectamente. Un regulador de voltaje de mala calidad tiene fluctuaciones y ruido superpuesto a su voltaje de salida, que provocarán mal funcionamiento como errores de sistema, bloqueos, reseteos y la famosa pantalla azul de la muerte de Windows.

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Figura1. Reguladores de voltaje en una motherboard

Si en este circuito se utilizan capacitores electrolíticos de mala calidad, estos tendrán fugas y pueden explotar. Frecuentemente cuando una motherboard muere, es debido a que este circuito está dañado. Por tanto tener un regulador de voltaje de buena calidad asegurará que tu sistema sea estable y que lo será por años.

Identificarlo es muy fácil. Es el único circuito en la motherboard que usa chokes (un tipo de bobina), localiza los chokes y habrás encontrado el circuito regulador de voltaje. Generalmente este circuito está ubicado alrededor del socket del CPU, pero seguramente encontrarás algunos otros chokes dispersos sobre la motherboard y cerca del chip del puente sur y cerca de los slots de memoria, porque son los que proporcionan el voltaje requerido por esos componentes.

Entre los principales componentes están los ya mencionados chokes ( que pueden fabricarse de dos materiales, hierro y ferrita), transistores y capacitores electrolíticos (las buenas motherboard utilizan capacitores sólidos, que son mejores). Los transistores utilizados en reguladores de voltaje se fabrican con una tecnología llamada MOSFET (Metal – Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) y se les llama simplemente “MOSFET” (algunas motherboards utilizan tecnología DrMOS y emplean circuitos integrados en lugar de transistores). En algunos modelos de motherboards se adiciona un disipador de calor pasivo encima de los transistores para su enfriamiento, lo cual es también muy positivo.

Existen también otros componentes muy importantes en este sistema, el centro de este tipo de regulador de voltaje es un circuito integrado especializado que se llama “controlador PWM” y, en las buenas motherboards, unos pequeños llamados “MOSFET drivers” (excitadores de MOSFET) que explicaremos más adelante.

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Figura 2. Principales componentes

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Figura 3. Con disipador pasivo.

Detengámonos un poco en cada componente. Como mencioné antes, encontramos dos tipos de chokes: hierro o ferrita. Los chokes de ferrita son mejores porque proporcionan una menor pérdida de potencia comparados con los de hierro (25% menor), más baja interferencia electromagnética (EMI) y mayor resistencia a la oxidación. Podrán percatarse fácilmente, pues los chokes de hierro generalmente son abiertos y se ve el alambre de cobre en su interior, mientras los de ferrita son cerrados y están marcados con la letra “R” en la parte superior.

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Figura 4. Choke de ferrita.

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Figura 5. Choke de hierro.

Observe en la figura las diferencias entre ellos. Hay una excepción, existen chokes de ferrita que son grandes, redondos y abiertos, como se ve en la figura 6. Es fácil identificar estos chokes de ferrita que son redondos y grandes en vez de cuadrados.

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Figura 6. Chokes de ferrita redondos y abiertos.

Este tipo de regulador de voltaje tiene varias salidas. La potencia total que se suministra al CPU está repartida entre varias salidas, que en lo adelante llamaremos “canales “ o “fases”. Esto se hace con el objetivo de que la corriente total a suministrar se reparta entre varios componentes, lo cual tiene la ventaja de que se pueden emplear transistores y chokes de menor tamaño, la disipación de calor se desconcentra al repartirse entre más componentes y se reduce la probabilidad de fallo del sistema porque cada canal sólo maneja una parte de la potencia total. Entonces el ciclo de alimentación del CPU se divide entre un número de fases que, en las motherboard más comunes está entre 3 o 4.

Cada fase incluye un choke , al menos dos MOSFET y uno o dos filtros. Un indicador de la calidad de una motherboard está dado por la cantidad de fases que tiene el regulador, eso se puede saber fácilmente con sólo observar la cantidad de chokes que tiene alrededor del CPU. Las motherboards más caras son las que tienen más fases y por tanto son de mejor calidad, pueden observar los catálogos y ofertas de motherboards de distintos fabricantes y compararlas a partir de ese detalle.

Aunque la mayoría de las motherboards utilizan transistores MOSFET en la sección del regulador de voltaje, algunos transistores son mejores que otros. Los mejores transistores son aquellos que tienen la más baja resistencia de conducción (un parámetro que se llama RDS(on) ). Esos transistores producen menos calor (un 16% menos de calor comparado con un MOSFET tradicional) y consume menos energía para su propio funcionamiento, lo que hace que tenga una eficiencia superior. Son físicamente más pequeños que los transistores tradicionales y es fácil identificarlos porque tienen varios terminales, mientras los transistores tradicionales tienen solo tres terminales con el terminal central casi siempre cortado. En la figura se muestran.

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Figura 7. MOSFET más comun y tradicional.

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Figura 8. Mosfet de baja RDSon.

El regulador de voltaje utiliza dos transistores por fase, uno por alta (“high side”) y otro por baja (“low side”). Las motherboards más baratas, en vez de usar un circuito integrado para excitar los MOSFET (MOSFET driver) utilizan un transistor extra por fase para realizar esta función, así esas motherboards tendrían tres transistores por fase en lugar de dos. Por eso para identificar la cantidad de fases es mejor contar la cantidad de chokes, no el número de transistores.

Los capacitores utilizados en el regulador de voltaje pueden ser de tipo electrolítico tradicional o de aluminio sólido, como se ve en la figura.

Los de aluminio son mejores porque no presentan abultamientos ni corrientes de fugas. Si tu motherboard utiliza capacitores electrolíticos revisa el fabricante, los capacitores fabricados en Japón tienen la mejor calidad y rara vez se abultan o revientan.

En cada fase el voltaje de salida está controlado por un circuito integrado llamado Controlador PWM. La motherboard tiene un controlador PWM por cada nivel de voltaje, o sea, tiene uno para el CPU, uno para las memorias, uno para el chipset, etc (aunque la mayoría de los controladores PWM son capaces de controlar dos niveles de voltaje independientes). Si observas bien alrededor del socket del CPU podrás ver el controlador PWM para el voltaje del CPU, Figura 9 . Algunas motherboards tienen PWM que trabajan a mayor frecuencia, esto se hace para reducir las pérdidas y hacerlas más eficientes. Esto encarece la motherboard y el fabricante lo advertirá entre las especificaciones técnicas. En la literatura técnica se refiere también a este tipo de controlador PWM multifase con el término “buck controller”

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Figura 9. Controlador PWM.

Finalmente tenemos unos pequeños circuitos integrados llamados excitadores de MOSFET (mosfet drivers). El regulador de voltaje utiliza uno por cada fase, así cada excitador puede manipular dos MOSFET.

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Figura 10. Excitador de MOSFET. (MOSFET driver)

El regulador de voltaje puede tener varios circuitos de potencia trabajando en paralelo para proporcionar el mismo voltaje de salida, digamos el voltaje del CPU (core). Sin embargo no trabajan al mismo tiempo, sino que trabajan fuera de fase y por eso el nombre de “fase” para designar cada circuito.

Tomemos el regulador de voltaje del CPU. Si este circuito tiene dos fases, cada fase estará operando durante el 50% del tiempo para generar el voltaje del CPU. Si este mismo circuito está construido con tres fases, entonces cada fase operará durante el 33.3% del tiempo. Con cuatro fases estaría trabajando el 25% del tiempo. Con seis fases trabajará el 16% del tiempo. Y así sucesivamente.

Son varias las ventajas de tener un regulador de voltaje con más fases. La más obvia es que los transistores trabajarán menos forzados, lo que proporciona una mayor vida útil a esos componentes y una menor temperatura de trabajo. Otra ventaja es que mientras más fases tenga, el voltaje de salida será más estable y los niveles de ruido serán menores.

Agregar más fases implica agregar más componentes, lo que incrementa el costo. Las motherboard más baratas tendrán pocas fases mientras las más caras se fabrican con muchas fases, como la de la figura.

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También es importante aclarar que cuando el fabricante dice que una motherboard tiene seis fases, se está refiriendo solamente al voltaje principal del CPU (Vcore). Más adelante explicaremos qué sucede cuando el CPU requiere más de un voltaje.

Cada fase de voltaje o canal utiliza un choke, dos o tres transistores (o un circuito integrado que los sustituya), uno o más capacitores electrolíticos (filtros), un excitador que puede ser sustituido por un transistor en las motherboards mas baratas. Como pueden ver, el número de componentes puede variar. El único componente que está presente siempre en la misma cantidad es el choke, así que la mejor manera de conocer cuántas fases tiene un regulador de voltaje es contando el número de chokes ( pero preste atención que hay excepciones, que explicaremos ahora). Por ejemplo, la motherboard de la figura (la misma de la figura 1) tiene tres fases.

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Figura 11. Fases.

Pero se debe advertir algo. En algunas motherboards la fase que controla el voltaje de la memoria o el chipset está ubicada junto a las otras fases, haciendo que te equivoques al contar las fases si cuentas simplemente los chokes que están cerca del socket del CPU. Vemos el caso de la figura 12: Aun cuando la motherboard tiene cuatro chokes, esta es una motherboard de tres fases, porque se utilizan sólo tres fases para generar el voltaje principal del CPU (Vcore); en esta motherboard la cuarta fase se utiliza para generar el voltaje de la memoria. Veamos este detalle para aprender a contar el número exacto de fases.

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Figura 12. Motherboard de tres fases, no de cuatro como puede parecer.

Es erróneo contar sólo los chokes que están cerca de la parte trasera de la board, ignorando los que están por el lateral. En la figura vemos una motherboard con un choke situado en el lateral y que pertenece al regulador de voltaje del CPU.

Ya que todos los chokes que producen un mismo voltaje deben estar conectados juntos, solamente deben contarse aquellos chokes que están interconectados. Esto se puede ver fácilmente al mirar la motherboard por la cara de las soldaduras, así podemos ver que en la board de la figura solo tres chokes están conectados juntos, la salida del cuarto choke va a los sockets de memoria (debemos saber también que esta es una motherboard socket LGA775, donde el CPU necesita un solo voltaje).

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Figura 13. Chokes interconectados.

En algunas motherboards la conexión entre fases no se aprecia tan claramente como en la figura, por eso en ocasiones será necesario auxiliarse de un multímetro en su escala de continuidad para determinar cuáles chokes están interconectados.

 

CPU que requieren más de un voltaje.

Algunos CPU necesitan más de un voltaje. Aunque todos los CPU de AMD tienen un controlador de memoria integrado, los CPU de socket AM3 necesitan un voltaje separado para este circuito. Así que en las motherboards con socket AM3 el circuito regulador de voltaje generará dos voltajes separados para el CPU, uno para la parte principal (Vcore) y otro para el controlador de memoria integrado dentro del micro. Por eso en la Figura la fase extra es para alimentar dicho controlador de memoria, porque esa board tiene un socket AM3.

Con CPUs Intel, solamente las CPU de socket LGA1156 y el socket LGA1366 tienen un controlador de memoria incluido. Por eso en esas motherboards el regulador de voltaje generará dos voltajes, uno para la parte principal del CPU (Vcore) y otro para el controlador de memoria (VTT). Las motherboards con socket LGA1156 soportan CPUs con controlador de video incluido (por ejemplo; las basadas en chipset H55 y H57) el circuito regulador deberá generar un tercer voltaje para el CPU, que se utiliza para el controlador de video integrado (VAXG).

En motherboards donde el regulador proporciona más de un voltaje al CPU, el fabricante las referirá como “x+y” o “x+y+z”, donde “x” es el número de fases para el voltaje principal del CPU (Vcore), “y” es el número de fases dedicadas al controlador de memoria integrado y “z” es el número de fases dedicadas al controlador de video integrado en el CPU.

Resumiendo los tipos de motherboards que tienen sockets que necesitan más de un voltaje.

Socket Voltajes para el CPU
754, 939, 940, AM2, AM2+, 775 y los anteriores Uno
AM3, 1156, 1366 Dos
1156 con chipsets H55, H57 y Q57 Tres

Aunque este análisis se ha dirigido hacia los voltajes requeridos por el CPU, todas las motherboards tendrán al menos una fase para alimentar las memorias RAM y una fase para alimentar el chipset. Si se observa bien se puede encontrar esas fases.

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Figura 16. Otras fases.

Como funciona.

El regulador de voltaje toma los +12V presentes en el conector ATX12V o EPS12V, que proviene de la fuente de alimentación y, a partir de este obtiene los niveles de voltaje requeridos por los componentes que tiene conectados (CPU, memoria, chipset, etc). Esta conversión se hace utilizando un convertidor DC-DC, también conocido como fuente de energía en modo conmutado (switching- mode power supply SPMS), el mismo sistema que se emplea en la fuente de alimentación principal de la computadora.

El corazón de este convertidor es el controlador PWM (Modulador de ancho del pulso). Ese circuito genera una onda cuadrada que excitará (encenderá) cada fase, durante un tiempo que variará en dependencia del voltaje que el circuito quiera producir ( este tiempo se llama duty cycle y es el tiempo que la señal permanece activa o en valor alto; por ejemplo, una señal con un duty cycle del 50% estará activa durante la mitad del tiempo, la otra mitad estará en 0V.

El valor de voltaje que el regulador debe producir se lee desde el CPU en los pines “voltaje ID” (VID), el cual proporciona un código binario con el voltaje exacto que debe suministrar. En el momento del encendido el PWM lee el voltaje de trabajo desde los terminales VID del CPU y a partir de ahí comienza a funcionar para mantener a sus salidas un voltaje igual al valor que leyó. Esto es lo que permite cambiar de CPU con facilidad y sin que tengamos que prever el voltaje de trabajo. Algunas motherboards permiten cambiar manualmente el voltaje del CPU mediante el programa del setup. Lo que hace el setup sería cambiar ese valor que lee el PWM. La misma idea se aplica para la memoria y para el chipset.

El convertidor DC-DC es un sistema de lazo cerrado. Esto significa que el controlador PWM está constantemente monitoreando el voltaje en las salidas del regulador. Si el voltaje en las salidas aumenta o disminuye, el circuito se reajusta a sí mismo (cambiando la frecuencia o el tiempo que cada fase permanece encendida, o sea, el ancho del pulso que es la señal que enciende o apaga los MOSFET) para corregir el voltaje. Esto se hace mediante un sensor de corriente, ya que el consumo de corriente puede hacer que el voltaje de salida disminuya, entonces deberá incrementarse y viceversa.

En la figura 17 tenemos un diagrama en bloques de un controlador PWM utilizado frecuentemente en el regulador de voltaje del CPU. En este diagrama en bloques se puede fácilmente identificar los pines de voltaje ID (VID), los pines de retroalimentación (CS y SW situados al lado derecho). Como podrán apreciar, este circuito integrado puede controlar hasta cuatro fases.

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Figura 17. Diagrama en bloques del controlador PWM ( ADP3181).

Cada fase utiliza dos transistores y un choke. El controlador PWM no proporciona la corriente suficiente para conmutar esos transistores, por tanto se necesita un excitador de MOSFET por cada fase. Generalmente esta función la ejecuta un pequeño circuito integrado. Para reducir costos, algunos fabricantes utilizan un transistor adicional para esta función en motherboards de bajo costo y baja calidad.

En la figura 18, podemos ver el circuito básico de una fase de una motherboard, con un excitador de MOSFET ADP3110. El excitador de los MOSFET se alimenta directamente de la fuente de alimentación de +12V en el terminal ATX12V.

Pueden ver en este diagrama los dos MOSFETs (el de arriba es el de alta “high side” conectado a la fuente de +12V, es de abajo es el de baja “low side” conectado a tierra), el choke y los capacitores. La señal de retroalimentación está dada por dos líneas conectadas en paralelo con el choke a los pines CSSUM y SW del controlador PWM. El controlador PWM tiene también un pin llamado EN “enable”, que se utiliza para activar o desactivar el regulador.

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Figura 18. Esquema eléctrico simplificado de una fase.

Como se puede ver en la figura 17, existe una salida PWM por cada fase. Como se explicó, la señal PWM es una onda cuadrada cuyo ancho, entiéndase duración (duty cycle) cambia en dependencia del voltaje a obtener (que es la razón por la que esta técnica se llama Modulación del Ancho del Pulso). Si el voltaje de salida es estable, todas las señales PWM tendrán la misma duración, el ancho de la onda cuadrada será el mismo en las cuatro salidas. Esas señales, sin embargo, están retrasadas entre sí porque cada fase se activa después que la anterior se apaga y así se repite cíclicamente. Ese retardo se conoce como desplazamiento de fase.

Por ejemplo, en un circuito con solo dos fases, las dos señales PWM serán simétricas. Así, mientras la fase 1 está encendida, la fase 2 estará apagada y vice – versa. Esto garantizará que cada fase trabajará el 50% del tiempo. En un circuito con cuatro fases, las señales PWM estarán retrasadas de forma tal que las fases se activen en secuencia: primero se activa la fase 1, después la fase 2, después la fase 3 y después la fase 4. Mientras una fase se activa, todas las demás fases se apagan. En este caso, cada fase trabajará el 25% del tiempo.

Mientras más fases se tengan, menos tiempo tiene que permanecer cada fase encendida. Como se explicó anteriormente, esto hace que cada fase el calor disipado en cada transistor es menor, lo cual proporciona un mayor período de vida útil para estos componentes.

Consideraciones prácticas.

Este circuito regulador de voltaje que se acaba de explicar es de vital importancia para el funcionamiento de una motherboard. Pero es el causante de la mayoría de los fallos que obligan a desecharla.

Se encuentra que a veces algún transistor MOSFET o alguno de los excitadores se pone en cortocircuito, en ese caso la PC se apaga. También puede darse el caso de que este regulador no funcione porque el controlador PWM esté averiado, en ese caso la PC enciende pero se queda sin funcionar, o sea, no hay video ni sonido ni ninguna señal. Cuando los filtros (capacitores) electrolíticos se inflan y explotan, aumentan los niveles de ruido en el CPU y es común que la PC se reinicie o muestre errores de todo tipo. Muchas pueden ser las condiciones de falla y los síntomas de avería en este circuito tan importante.

Como el regulador de voltaje del CPU está situado en los alrededores del socket del CPU está sometido al calor generado en esa zona, pero también esa es un área donde se acumula mucho polvo debido al ventilador del CPU. Estos dos factores, unido al envejecimiento de los componentes y a condiciones eventuales de incremento de la humedad relativa son las principales causas de problemas en este circuito.

También, se ve mucho en motherboards con socket LGA775 que cuando se hace un montaje deficiente o el disipador de calor del CPU es de mala calidad, la motherboard sufre una tensión mecánica que le provoca una curvatura en el área del controlador PWM que, al cabo de un tiempo de explotación hace que se abran algunas líneas de conexión y deje de funcionar o funcione erráticamente.

Las reparaciones de esta sección se dificultan por el hecho de que la sustitución de componentes debe hacerse por el original y debe sincronizar perfectamente con el resto del circuito, además, existe una amplia variedad de controladores PWM con características y parámetros distintos aunque hagan la misma función.

Estas son sólo algunas consideraciones que se deben tener en cuenta para que la PC goce de buena salud y tenga una vida útil lo más extensa posible.

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1 comentario

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Una respuesta a “Regulador de voltaje del CPU

  1. Elio

    Saludos, amigo muy explicativo tu post, felicitaciones, me ha motivado para tratar de resolver la reparacion de una vieja placa (intel DG35EC) a la que se me revento un transitor, este esta ubicado en la esquina del conector de 12 volts del CPU (en la esquina opuesta hay una bobina vertical), es un 20T03GH, y junto a este transistor hay un capacitor smd que sufrio tambien y se puso en corte, …cambie dicho capacitor por otro de igual dimenciones y cambie el transistor por un 09N03LA (que su Rdson es mas baja), conecto la fuente de forma normal y conmuto los pines de encendido de la placa, el ventilador funciona correctamente pero la placa no genera ningun sonido aun sin las memorias puestas, si dejo conmutado los pines de arranque de la placa durante 3s se apaga el FAN indicando que la placa responde bien al encendido y apagado forzado,…he mirado tu post sobre los reguladore pero este transistor no esta ubicado junto a componentes que indiquen que sea parte de un regulador, , si me pudieras ayudar a identificar cual otro componente estaria relacionado con el desastre ocurrido a este transistor para poder realisar mediciones, pues no conosco como trabajanestas areas de una placa, no se como subir fotos que tengo tiradas al area dañada de mi placa, pero si buscas en la red alguna foto de dicha placa podras localizar facilmente cual transistor es el que indico. Saludos

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