[Tất tần tật về Bo mạch chủ] Mạch VRM trên Bo mạch chủ – Thành phần của mạch VRM (Phần 2)

Như phần 1 đã nói, VRM bao gồm ba phần: MOSFET, cuộn cảm (Choke or Inductor) và tụ điện. Ngoài ra còn có một chip điều khiển điều chỉnh điện áp, được gọi là bộ điều khiển PWM. Trong phần 2 này, chúng ta sẽ đi vào từng thành phần một, tuy nhiên điều cần quan tâm nhất đó là MOSFET và PWM.

Vai trò của các thành phần trong mạch VRM hiểu một cách đơn giản nhất:

• Tụ điện ổn định điện áp nguồn và giảm nhiễu trong dòng điện, giảm sự dao động điện áp của mạch.
• Cuộn cảm ổn định dòng điện bằng cách tích trữ và phóng điện năng khi hoạt động, duy trì sự ổn định của dòng điện trong mạch.
• MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là các bóng bán dẫn tích cực chuyển đổi điện áp 12V thành VDIMM mà CPU sử dụng. Đây là thành phần cực kì quan trọng bởi nó trực tiếp tham gia vào việc chuyển đổi năng lượng cho CPU của hệ thống, đồng thời nhiệt năng tạo ra cũng lớn, vì vậy đây là thành phần dễ hỏng hóc nhất của VRM và có tuổi thọ kém nếu như hoạt động ở môi trường nhiệt độ cao.
• PWM (Pulse-Width Modulation) – chip điều chế độ rộng xung. Mạch VRM cần phải có IC PWM để ổn định / làm sạch phần lớn điện năng đi qua. Nguyên tắc hoạt động của nó dựa vào việc thay đổi độ rộng xung để điều khiển điện áp đầu ra và bằng cách thay đổi chu kỳ điều chế xung để điều khiển tần số đầu ra của nó.

Các bo mạch chủ hay VGA hiện đại bây giờ đều sử dụng loại tụ rắn và cuộn cảm có chất lượng cao. Với loại tụ rắn được sử dụng hầu hết trên các bo mạch chủ hay VGA bây giờ, đều có ưu điểm là trở kháng thấp, khả năng chống nhiễu và khả năng thích ứng với nhiệt độ tốt, tuổi thọ cao. Còn cuộn cảm thì có kích thước nhỏ, lưu trữ năng lượng cao nhưng điện trở thấp, cung cấp năng lượng ổn định mạnh mẽ cho CPU, cải thiện độ ổn định của hệ thống.

Tuy nhiên, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào MOSFET và PWM.

MOSFET đóng vai trò trong mạch VRM là một công tắc dòng điện, tức là bật-tắt. Hiểu đơn giản, MOSFET bật và tắt rất nhanh, truyền dòng điện cao qua các xung ngắn. Bằng cách kết hợp các xung này trong các phase VRM nhiều hơn, dòng điện cho CPU/GPU sẽ trơn tru và ổn định hơn.

MOSFET có bốn thông số quan trọng nhất:

• Dòng điện tối đa có thể chịu được.
• Điện áp tối đa có thể chịu được.
• Điện trở bật (càng thấp thì quá trình chuyển đổi hiệu suất càng cao)
• Giới hạn về khả năng chịu nhiệt độ.

Tức là một MOSFET chất lượng là một MOSFET có dòng tối đa lớn, điện áp tối đa cao, điện trở bật thấp và nhiệt độ hoạt động cao. Do đó, việc lựa chọn MOSFET sẽ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của một bo mạch chủ/VGA.
Các bo mạch chủ phổ thông và trung cấp ở hiện tại, đa phần sử dụng loại MOFSET trở kháng thấp. Ở dòng này, MOSFET được chia thành 2 loại: Loại thứ nhất là High Side (H) và loại thứ 2 là Low Side (L). Hầu hết cách thiết kế mạch VRM của nhiều loại bo mạch chủ/VGA ở hiện tại thì High Side thường không có cùng tỉ lệ số lượng với Low Side. Điều này liên quan tới bản chất hoạt động cũng như cách sắp xếp mạch VRM của từng hãng để tạo ra phân khúc sản phẩm.

High Side MOFSET mang dòng điện đầu vào bên ngoài, thường là điện áp 12V, do đó nó dẫn điện trong thời gian ngắn hơn và mang dòng điện thấp hơn, vì vậy trị số linh kiện thường thấp hơn. Trong khi đó Low side MOSFET chịu điện áp hoạt động của CPU hoặc GPU, thường chỉ khoảng 1,xV. Do đó, trị số của Lowside thường tốt hơn.

Các bo mạch chủ nằm ở phân khúc cận cao cấp hoặc cao cấp chúng ta sẽ hay để ý được sử dụng cụm từ DrMOS hoặc PowerStages hoặc Smart PowerStages (SPS), các loại này là một về cách thức hoạt động, chỉ khác cái tên và tính năng. DrMOS là cách gọi của High và Low MOSFET được đóng chung vào một gói riêng biệt, thậm chí có thêm cả IC Driver.

Điều này giúp Dr.MOS chiếm ít không gian PCB hơn, đồng thời có ưu điểm cao hơn các MOSFET truyền thống riêng biệt về hiệu suất chuyển hóa và nhiệt, nên khả năng hoạt động tốt hơn rất nhiều. Hầu hết các bo mạch chủ cao cấp đều sử dụng loại Smart PowerStages (SPS), nó cách thức đóng gói và hoạt động tương tự DrMOS nhưng bổ sung thêm các tính năng bảo vệ như OCP, OTP, SCP…

Tuy nhiên, trong thực tế, không phải lúc nào sử dụng Dr.MOS/PS/SPS cũng tốt hơn so với sử dụng loại High và Low MOSFET thông thường. Đơn cử cứ nhìn cái bài học mà nhiều dòng bo mạch chủ sử dụng IR3555 mang lại hiệu quả một cách “ngu ngốc” là thấy. Bởi cái quan trọng khi sử dụng Dr.MOS/PS/SPS có hiệu quả hay không trên bo mạch chủ nó lại phụ thuộc rõ rệt vào BIOS và Layer PCB.

Cuối cùng, PWM có thể ảnh hưởng đến lượng vDroop (độ sụt điện áp) mà hệ thống gặp phải, cũng như độ ổn định của nguồn điện. Các bo mạch chủ hiện đại sử dụng PWM kỹ thuật số cho phép phân phối điện áp ổn định hơn (tức là không có vDroop hoặc rất ít). Việc lựa chọn IC PWM liên quan mật thiết đến số phase của mạch VRM, chip PWM phải có số khả năng điều khiển tương ứng với sản phẩm có bao nhiêu phase nguồn – đây là một thắc mắc của rất nhiều người khi lựa chọn bo mạch chủ, số lượng phase như thế nào sẽ có ở phần 3 của bài viết.