Мосфет на материнской плате — что такое?
Полевой транзистор с изолированным затвором, управляемый электрическим полем, используется во многих устройства — бытовая/компьютерная техника.
В компьютерном мире мосфеты используются в материнке обычного ПК, ноутбука, а также в блоке питания. Однако могут быть и на видеокарте, звуковой карте и других устройствах.
Разберем пример на материнской плате:
Находятся возле сокета процессора (CPU). Данные мосфеты являются частью системы питания процессора — VRM (модуль регуляции напряжения). Мосфеты способны прилично греться, поэтому сверху часто устанавливаются радиаторы охлаждения:
Под радиатором может быть нанесена термопаста или установлен специальный термоинтерфейс:
Надеюсь данная информация оказалась полезной. Удачи и добра, до новых встреч друзья!
MOSFET-транзисторы.
В качестве электронного ключа импульсных преобразователей напряжения питания компонентов материнских плат всегда используется пара полевых n-канальных МОП-транзисторов (MOSFET-транзисторы). Сток одного транзистора (T1, рис. 1 ) подключен к линии питания 12 В, исток этого транзистора соединен с точкой выхода и стоком другого транзистора (Т2, рис. 1 ), а исток второго транзистора заземлен (рис. 1 ) . Управляющие сигналы подаются на затворы этих транзисторов.
Обозначение этого типа транзисторов показано на рис. 2 (также для сокращения числа внешних компонентов в транзистор может быть встроен мощный высокочастотный демпферный диод). MOSFET — это аббревиатура от английского словосочетания Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (Металл- Оксидные Полупроводниковые Полевые Транзисторы). Данный класс транзисторов отличается, прежде всего, минимальной мощностью управления при значительной выходной (сотни ватт). Также необходимо отметить чрезвычайно малые значения сопротивления в открытом состоянии (десятые доли ома при выходном токе в десятки ампер), а следовательно, минимальную мощность, выделяющуюся на транзисторе в виде тепла.
Рис. 2. Обозначение MOSFET транзисторов (G — затвор, D — сток, S — исток): а — обозначение N-канального транзистора; б — обозначение Р-канального транзистора.
К неоспоримым преимуществам MOSFET транзисторов перед биполярными можно отнести следующие:
— минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току обеспечивает простоту схем управления (есть даже разновидность MOSFET, управляемых логическими уровнями);
— большая скорость переключения (при этом минимальны задержки выключения, обеспечивается широкая область безопасной работы);
— возможность простого параллельного включения транзисторов для увеличения выходной мощности;
— устойчивость транзисторов к большим импульсам напряжения (dv/dt).
Данные приборы находят широкое применение и в устройствах управления мощной нагрузкой, импульсных источниках питания (до 1000 В).
MOSFETс N-каналом наиболее популярны для коммутации силовых цепей. Напряжение управления или напряжение, приложенное между затвором и истоком для включения MOSFET, должно превышать порог UT 4 В, фактически необходимо 10-12 В для надежного включения MOSFET. Снижение напряжения управления до нижнего порога UT приведет к выключению MOSFET. Силовые MOSFET выпускают различные производители:
— HEXFET (фирма NATIONAL );
— VMOS (фирма PHILLIPS );
— SIPMOS (фирма SIEMENS).
Наблюдается сходство внутренней структуры HEXFET, VMOS и SIPMOS. Они имеют вертикальную четырехслойную структуру с чередованием Р и N слоев: Такая структура вызвана тяжелыми режимами работы N-канальных MOSFET. Если напряжение, приложенное к выводам затвора, выше порогового уровня, затвор смещается относительно истока, создавая инверсный N-канал под пленкой оксида кремния, который соединяет исток со стоком для протекания тока. Проводимость MOSFET обеспечивается за счет основных носителей, так как отсутствуют инжектированные неосновные носители в канале. Это не приводит к накоплению заряда, что ускоряет процесс переключения. Во включенном состоянии зависимость между током и напряжением почти линейна, аналогично сопротивлению, которое рассматривается как сопротивление канала в открытом состоянии.
Эквивалентная цепь MOSFET показана на рис. 3. Два емкостных сопротивления между затвором и истоком, затвором и стоком приводят к задержке переключения, если драйвер не может поддерживать большой ток включения. Еще одно емкостное сопротивление транзистора находится между стоком и истоком, но из-за внутренней структуры транзистора шунтируется паразитным диодом, образованным между стоком и истоком. К сожалению, паразитный диод не быстродействующий и его не следует принимать во внимание, а для ускорения переключения вводится дополнительный шунтирующий диод.
Рис. 3. Схема замещения MOSFET: а — первый вариант эквивалентной схемы; б — второй вариант эквивалентной схемы с замещением транзистора диодом; в — внутренняя структура, соответствующая первому варианту.
Основные характеристики: максимальное напряжение «сток-исток», UDS — максимальное мгновенное рабочее напряжение. Продолжительный ток стока, ID — максимальный ток, который может проводить MOSFET, обусловленный температурой перехода. Максимальный импульсный ток стока, IDM — больше, чем ID и определен для импульса заданной длительности и рабочего цикла. Максимальное напряжение «затвор-исток» age, UGS — максимальное напряжение, которое может быть приложено между затвором и истоком без повреждения изоляции затвора. Кроме того, имеют место: пороговое напряжение затвора, UT ; UT — минимальное напряжение затвора, при котором транзистор включается.
Технология силовых транзисторов MOSFET семейства TI DualCool™ NexFET™
— охлаждение через верхнюю стенку;
— рассеяние мощности на 80% выше;
— сила тока на 50% больше при стандартной занимаемой площади.
Силовые транзисторы MOSFET семейства DualCool™ NexFET™, которые производит компания Texas Instruments, при стандартном размере корпуса обеспечивают эффективное охлаждение через его верхнюю и нижнюю стенки. Такая конструкция позволяет разработчикам систем питания эффективно отводить тепло от печатных плат в устройствах прямого или переменного тока высокого напряжения. Это дает возможность не только повысить плотность размещения блоков питания, но и расширить диапазон поддерживаемых нагрузок по току и повысить надежность систем.
MOSFET-транзисторы тоже имеют ограничение по максимальном току, который через них можно пропускать. К примеру, для большинства MOSFET-транзисторов, которые используются в регуляторах напряжения материнских плат, ограничение по току составляет 30 A (а в то же время сами процессоры при напряжении питания порядка 1,2 В и энергопотреблении свыше 100 Вт потребляют ток свыше 120 A).
Современные MOSFET-транзисторы имеют ограничение по току не ниже 40 A (а в последнее время наблюдается тенденция перехода на MOSFET-транзисторы с ограничением по току в 75 А). Понятно, что при таких ограничениях по току на каждой фазе волне достаточно применять шесть фаз питания. Такой регулятор напряжения теоретически способен обеспечить ток процессора более 200 А, а следовательно, энергопотребление более 200 Вт. В каждой фазе питания применяются и более мощные силовые MOSFET-транзисторы, например, NTMFS4834N компании On Semiconductor с ограничением по току в 130 A (при таких ограничениях по току сами по себе силовые транзисторы не являются узким местом фазы питания).
Качество электропитания и обеспечение требуемой подводимой мощности – это ключевые факторы для достижения заданной производительности ЦП. Например, система на плате GA-X58A-UD9 оснащена передовой схемой питания, которая способна предоставить в распоряжение процессора до 1500 Вт .
Характеристики MOSFET-транзисторов. В 24-фазном регуляторе напряжения питания процессора на плате Gigabyte GA-P55-UD6 каждый канал питания образован двумя MOSFET-транзисторами uPA2724UT1A компании NEC (MOSFET-транзисторы uPA2724UT1A (рис. 4) имеют ограничение по постоянному току 29 A).
Рис. 4. MOSFET-транзисторы uPA2724UT1A
В качестве ключевых транзисторов часто используются и пара Renesas RJK 0393 DPA , и Renesas RJK 03 B 7 DPA (например, на каждую фазу питания процессора и CPU VTT , а в случае с преобразователем питания встроенного видео применено по одному RJK 0393 DPA и одному RJK 03 B 7 DPA на фазу).
На рис. 5 показаны MOSFET-транзисторы компании Intersil (серии IRF , FET , BUZ ), на рис. 6 — MOSFET-транзисторы фирмы Texas Instruments (CSD16321Q5C). На рис. 7 — LowRDS ( on ) мосфеты K 03В7 и K 0393 производства Renesas Technology , на рис. 8 — MOSFET-транзисторы NTMFS4834N, на рис. 9 приведен Dual N — Channel 30- V ( D — S ) MOSFET Si 4370 DY ( Vishay Siliconix ).
Рис. 5. MOSFET -транзисторы компании Intersil
Рис . 6 . Texas Instruments MOSFET CSD16321Q5C
Рис. 7. LowRDS ( on ) мосфеты K 03В7 и K 0393 ( RJK 0393 DPA )
Рис. 8. MOSFET-транзисторы NTMFS4834N
Рис. 9. Vishay Siliconix Dual N-Channel 30-V (D-S) MOSFET (with Schottky Diode) Si4370DY
Для чего нужны MOSFET на материнской плате – что вам нужно знать
Хотите знать, что MOSFET делают на материнской плате, что делает их важными или даже почему о них мало говорят, несмотря на то, что они являются таким важным компонентом?
Подождите, и я объясню всё, что вам нужно знать о полевых МОП-транзисторах, которые на самом деле очень важны для функционирования вашего ПК, даже если о них не говорят.
Что такое МОП-транзисторы (MOSFET)
Во-первых, давайте установим, что такое MOSFET .
MOSFET расшифровывается как «Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor (Металл-Оксид-Полупроводник с полевым эффектом транзистора)».
Если расшифровка названия MOSFET по-прежнему звучит для вас как тарабарщина, ничего страшного.
Более мелкие детали особенностей полевых МОП-транзисторов – это скорее инженерная вещь, чем потребительская технология (ПК, смартфоны и т.д.), хотя большинство потребительских технологий зависят от МОП-транзисторов, поскольку они являются одним из наиболее распространенных типов транзисторов.
Давайте немного поговорим об этих тонкостях.
Как МОП-транзисторы работают в технике
Основная функция MOSFET заключается в переключении или усилении электрического сигнала.
Существует несколько различных форм-факторов MOSFET, но, в конце концов, это будет MOSFET режима истощения, либо MOSFET режима расширения.
Базовая кнопка питания для включения и выключения устройства может использовать оба типа полевых МОП-транзисторов, – как быстрый пример.
Но, давайте не будем слишком углубляться в аппаратную сторону ПК. Ведь именно за этим вы пришли сюда. Какие функции выполняют МОП-транзисторы на материнской плате?
Что делают МОП-транзисторы на материнской плате
Один из наиболее важных примеров работы полевых МОП-транзисторов на современной материнской плате можно найти в CMOS.
Батарея CMOS – это «вневременная разработка» как для настольных, так и для портативных ПК, поскольку она служит для «сохранения» настроек BIOS между перезагрузками ПК.
В прошлом батареи CMOS действительно могли хранить эту информацию, но в наши дни они просто используются в качестве фиктивного источника питания для реальных микросхем NVRAM, используемых для хранения этих настроек.
Однако, функциональность батареи CMOS практически не изменилась. По умолчанию он всегда находится во включенном состоянии, даже когда вы выключаете компьютер, прямо или косвенно сохраняя настройки BIOS.
Когда вы извлекаете батарею CMOS, вы фактически принудительно переводите её или привязанную к ней NVRAM в состояние «выключено», что «очищает CMOS» и, соответственно, полностью сбрасывает настройки BIOS.
Другой пример работы полевых МОП-транзисторов на вашем ПК можно найти, если внимательно изучить VRM, окружающие ваш процессор. Подробнее о них чуть позже!
Что такое VRM
VRM – это модуль регулятора напряжения, который имеется на каждой материнской плате и используется… собственно, для регулирования напряжения на процессоре. VRM могут различаться по конструкции от платы к плате, но полевые МОП-транзисторы являются неотъемлемой частью любого VRM по техническим причинам, описанным выше.
МОП-транзисторы являются частью каждого VRM, а части VRM имеют тенденцию сильно нагреваться при работе, поскольку они имеют дело с большим количеством постоянного тока, прежде чем он попадёт на ЦП (который может сильно нагреваться даже после «регулирования напряжения»!).
В то время как VRM и батарея CMOS являются двумя наиболее важными примерами MOSFET, работающих внутри вашего ПК, другие компоненты и устройства также используют MOSFET.
Например, МОП-транзисторы также присутствуют в регулировании мощности дискретного графического процессора, а не только на вашей материнской плате для центрального процессора.
Как VRM и MOSFET влияют на производительность
Теперь, когда я объяснил назначение полевых МОП-транзисторов на материнской плате, вам может быть интересно, как они влияют на производительность окончательной сборки ПК .
Хотя было бы довольно сложно учитывать каждый MOSFET и другой транзистор, присутствующий на вашей материнской плате, в расчетах производительности ПК, на самом деле довольно лёгко провести линию между качеством VRM и производительностью ПК.
Основным известным преимуществом высококачественного VRM (включая полевые МОП-транзисторы) является улучшенный запас по разгону. МОП-транзисторы являются неотъемлемой частью функции управления питанием ЦП.
Без возможности эффективно контролировать мощность, подаваемую на ЦП, было бы довольно сложно добиться стабильного разгона или даже максимизировать не разогнанные частоты вашего ЦП в режимах Boost/Turbo.
И это всё, по крайней мере, пока!
Я надеюсь, что эта статья помогла вам демистифицировать концепцию полевых МОП-транзисторов (MOSFET) и предоставить простое для понимания объяснение того, как они работают в вашем ПК.
Реклама не фокусируется на таких деталях, как полевые МОП-транзисторы, но, как мы надеемся, эта статья показала вам, что эти вещи по- прежнему имеют большое значение! Вам просто нужно убедиться, что вы знаете, почему они важны, прежде чем позволить им начать влиять на любое из ваших решений о покупке.
Характеристики MOSFET-транзисторов.
— сила тока на 50% больше при стандартной занимаемой площади.
Силовые транзисторы MOSFET семейства DualCool™ NexFET™, которые производит компания Texas Instruments, при стандартном размере корпуса обеспечивают эффективное охлаждение через его верхнюю и нижнюю стенки. Такая конструкция позволяет разработчикам систем питания эффективно отводить тепло от печатных плат в устройствах прямого или переменного тока высокого напряжения. Это дает возможность не только повысить плотность размещения блоков питания, но и расширить диапазон поддерживаемых нагрузок по току и повысить надежность систем.
MOSFET-транзисторы тоже имеют ограничение по максимальном току, который через них можно пропускать. К примеру, для большинства MOSFET-транзисторов, которые используются в регуляторах напряжения материнских плат, ограничение по току составляет 30 A (а в то же время сами процессоры при напряжении питания порядка 1,2 В и энергопотреблении свыше 100 Вт потребляют ток свыше 120 A).
Современные MOSFET-транзисторы имеют ограничение по току не ниже 40 A (а в последнее время наблюдается тенденция перехода на MOSFET-транзисторы с ограничением по току в 75 А). Понятно, что при таких ограничениях по току на каждой фазе волне достаточно применять шесть фаз питания. Такой регулятор напряжения теоретически способен обеспечить ток процессора более 200 А, а следовательно, энергопотребление более 200 Вт. В каждой фазе питания применяются и более мощные силовые MOSFET-транзисторы, например, NTMFS4834N компании On Semiconductor с ограничением по току в 130 A (при таких ограничениях по току сами по себе силовые транзисторы не являются узким местом фазы питания).
Качество электропитания и обеспечение требуемой подводимой мощности – это ключевые факторы для достижения заданной производительности ЦП. Например, система на плате GA-X58A-UD9 оснащена передовой схемой питания, которая способна предоставить в распоряжение процессора до 1500 Вт.
В 24-фазном регуляторе напряжения питания процессора на плате Gigabyte GA-P55-UD6 каждый канал питания образован двумя MOSFET-транзисторами uPA2724UT1A компании NEC (MOSFET-транзисторы uPA2724UT1A (рис. 1) имеют ограничение по постоянному току 29 A).
Рис. 1. MOSFET-транзисторы uPA2724UT1A
В качестве ключевых транзисторов часто используются и пара Renesas RJK0393DPA, и Renesas RJK03B7DPA (например, на каждую фазу питания процессора и CPU VTT, а в случае с преобразователем питания встроенного видео применено по одному RJK0393DPA и одному RJK03B7DPA на фазу).
На рис. 2 показаны MOSFET-транзисторы компании Intersil (серии IRF, FET, BUZ), на рис. 3 — MOSFET-транзисторы фирмы Texas Instruments (CSD16321Q5C). На рис. 4 — LowRDS(on) мосфеты K03В7 и K0393 производства Renesas Technology, на рис. 5 — MOSFET-транзисторы NTMFS4834N, на рис. 6 приведен Dual N-Channel 30-V (D-S) MOSFET Si4370DY (Vishay Siliconix).
Рис. 2. MOSFET-транзисторы компании Intersil
Рис. 3. Texas Instruments MOSFET CSD16321Q5C
Рис. 4. LowRDS(on) мосфеты K03В7 и K0393 (RJK0393DPA)
Рис. 5. MOSFET-транзисторы NTMFS4834N
Рис. 6. Vishay Siliconix Dual N-Channel 30-V (D-S) MOSFET (with Schottky Diode) Si4370DY