Jak sprawdzić przetwornicę VRM CPU na płycie głównej – pomiary napięć, ripple, diagnostyka MOSFET

Pytanie

jak sprawdzić przetwornicę zasilającą procesor na płycie głównej

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Zbadaj sekcję VRM (Voltage Regulator Module) wizualnie, zmierz rezystancje w stanie beznapięciowym, a następnie skontroluj napięcia, tętnienia i temperatury podczas pracy płyty – najlepiej multimetrem i oscyloskopem.
• Kluczowe punkty: brak zwarć (Ω-test), prawidłowe VIN ≈ 12 V, stabilne VCORE (0,8–1,5 V), ripple < ±30 mV, brak przegrzewających się elementów oraz prawidłowe przebiegi PWM na bramkach MOSFET-ów/DrMOS-ów.

Szczegółowa analiza problemu

1. Przygotowanie i BHP

1. Odłącz zasilanie sieciowe oraz odczekaj ≥ 2 min, aby rozładować kondensatory.
2. Rozładuj ładunek ESD (opaska antystatyczna).
3. Przy pomiarach na żywo używaj izolowanych sond i zachowaj odstępy między pinami.

2. Identyfikacja topologii i elementów

• VRM CPU to zwykle wielofazowa synchroniczna przetwornica buck:
  • sterownik PWM / cyfrowy kontroler IMVP (np. ON-Semi, Renesas, Infineon),
  • zestaw faz z MOSFET-ami lub zintegrowanymi DrMOS / SPS,
  • cewki (induktory ≈ 150–400 nH),
  • kondensatory wej./wyj. (polimerowe, MLCC).
• Na płytach ATX zasila ją linia +12 V z wtyku EPS 4/8-pin; w laptopach linia BAT/ADP 19 V.

3. Diagnostyka beznapięciowa (cold test)

1. Pomiar rezystancji cewka→GND (multimetr, zakres 200 Ω).
   • Typowo: 1–10 mΩ (multimetr pokaże 0 Ω).
   • Zwarcie absolutne (< 0,05 Ω) lub „infinite” może oznaczać przebity MOSFET lub przerwę.
2. Test diodowy MOSFET-ów (po wylutowaniu pewniejszy).
3. Oględziny: spuchnięte kondensatory, odbarwione PCB, pęknięte induktory.

4. Diagnostyka pod napięciem

1. VIN – we/wy zasilacza ATX: 11,8–12,6 V DC (różnica < ±3 %).
2. VCORE – punkty testowe „CPU_CORE” lub dodatnie wyprowadzenie kondensatorów wyjściowych:
   • idle: 0,8–1,2 V; full-load (Prime95/OCCT): 1,1–1,5 V (zależnie od CPU).
   • ΔV droop wg Intel/AMD load-line ≤ 50 mV (płyty OC mogą mieć LLC).
3. Ripple/tętnienia (oscyloskop 200 MHz, sondy 10:1, ground-spring):
   • typowo < 30 mV p-p @ 20 MHz; wartości > 60 mV sugerują wyschnięte kondensatory lub złą regulację.
4. Sygnały bramek / PWM: prostokąt 100–500 kHz, wypełnienie zmienne 10–90 %; brak impulsów = uszkodzony kontroler / OCP/OTP.
5. Termika: kamera IR lub czujnik temp. w BIOS-ie. MOSFET/DrMOS > 100 °C pod obciążeniem – problem z chłodzeniem lub przekroczenie prądu fazy.

5. Test prądowy ‑ „fault finding” (dla zwarcia)

• Zasilacz laboratoryjny 0,5–1 V / 1–2 A podłączony do VIN lub VCORE przez bezpiecznik polimerowy. Element o najwyższym wzroście temperatury (palec/kamera IR) wskazuje uszkodzenie.

6. Interpretacja wyniku

Aktualne informacje i trendy

• Nowoczesne płyty (Intel LGA1700, AMD AM5) stosują 16–24 fazowe VRM-y z układami Smart Power Stage (SPS) 70–105 A @ 600 kHz.
• Cyfrowe kontrolery (PMBus, SVID, SVI3) pozwalają odczytać napięcie, prąd i temperaturę VRM w czasie rzeczywistym (np. przez HWiNFO).
• Coraz powszechniejsze są kondensatory tantal-polimer (≤ 5 mΩ ESR) i stackowane MLCC, co minimalizuje ripple i poprawia transient response < 200 ns.
• W laptopach oraz w Intel FIVR (Haswell) część regulacji przeniesiono na matrycę CPU – diagnostyka wymaga analizy rail’i VR{IN}, VR{AUX}, VR_{SA}.
• Trendem jest integrowanie faz w pakietach DrMOS + dławik (Power Stage Module) oraz sterowanie dwuswoistym spread-spectrum dla EMI < 40 dBµV.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Load-Line Calibration (LLC) celowo obniża VCORE pod obciążeniem, aby uniknąć overshoot podczas zmian prądu di/dt.
• OCP (Over-Current Protection) i OTP (Over-Temp) w kontrolerze wyłączy PWM przy przeciążeniu – mierząc VIN zobaczysz 12 V, ale VCORE = 0 V.
• Buck converter równanie dla idealnej fazy:
  \[ V{out} = D \cdot V{in} \quad\Longrightarrow\quad D = \frac{V_{core}}{12\,\text{V}} \]
  gdzie \(D\) – współczynnik wypełnienia PWM.

Aspekty etyczne i prawne

• Interwencja w sekcję zasilania zazwyczaj unieważnia gwarancję producenta.
• Odpady elektroniczne (MOSFET, kondensatory) należy utylizować zgodnie z dyrektywą WEEE.
• Zachowanie zasad BHP przy pracy na włączonych urządzeniach (PN-EN 61010-1) jest obligatoryjne.

Praktyczne wskazówki

• Do lutowania elementów SMD > QFN użyj stacji hot-air 400 °C + preheater 150 °C; stosuj topnik RMA no-clean.
• Przy wymianie kondensatorów wybieraj low-ESR 6,3 V 560 µF polimer (Panasonic SEPC, Nichicon FPCAP) o ESR ≤ 5 mΩ.
• Do pomiaru ripple stosuj sondę 1:1 z pętlą uziemiającą 1 cm; długie przewody wprowadzą fałszywe oscylacje.
• Test programowy: OCCT „Power” 30 min, log VCORE/VRM temp. Jeżeli temp. MOSFET < 90 °C i ripple w normie, VRM jest sprawny.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Brak schematu (boardview) utrudnia identyfikację faz; w wielu płytach fazy są połączone wielowarstwowo.
• Wysoka impedancja wejściowa multimetru maskuje szybkie tętnienia – oscyloskop jest bardziej wiarygodny.
• Niektóre awarie są intermittent; konieczne może być chłodzenie/ogrzewanie sekcji w czasie testów (freeze spray, hot air).

Sugestie dalszych badań

• Analiza odpowiedzi VRM na skok obciążenia 0 ↔ 100 A z wykorzystaniem prądownicy pulsu (pulse-current tester).
• Charakterystyka impedancji wyjściowej VRM metodą FRA (Frequency Response Analyzer).
• Wpływ parametrów PCB (indukcyjność pętli, materiały Z-axis) na EMI oraz stabilność VRM przy 1 GHz PWM (badania nad GaN FET).
• Literatura: Intel VR12/VR13/IMVP8 Design Guide, AMD SVI3 VRM Spec 2022, dokumentacja Renesas ISL69xx.

Krótkie podsumowanie

Sprawdzanie VRM CPU to proces kaskadowy: zaczynamy od wizualnej i rezystancyjnej kontroli „na zimno”, następnie pomiar VIN i VCORE, analiza ripple/oscylogramów oraz termiki pod obciążeniem. Stabilne napięcie w specyfikacji, niskie tętnienia i umiarkowana temperatura faz świadczą o sprawnym układzie. Nieprawidłowości diagnozujemy poprzez lokalizację zwarć, pomiary ESR i obserwację przebiegów PWM. Profesjonalna diagnostyka wspiera się cyfrową telemetrią PMBus/SVID oraz obrazowaniem termicznym.