Как проверить мосфеты на материнской плате: как проверить мосфет мультиметром не выпаивая

Для чего нужны цепи VRM на материнской плате?

VRM в компьютере понижают питающие напряжения от блока питания (3.3, 5, 12 вольт) до значений, нужных для электронных элементов питаемых устройств (обычно в пределах 0,5-1,5 вольт).

Место VRM в цепи питания процессора компьютера:

Основные элементы VRM на материнской плате компьютера:

Цепи VRM у видеокарт и материнских плат состоят из понижающих преобразователей постоянного напряжения (DC-to-DC buck power converters) с несколькими фазами. Они работают синхронно со сдвигом импульсов (смещением фаз) относительно друг друга.

Графики, иллюстрирующие включение/работу каждой из четырех фаз питания в зависимости от управляющих импульсов ШИМ-контроллера (PWM):

Основную токовую нагрузку фаз VRM принимают на себя полевые транзисторы, которые работают в качестве ключей – переключателей, пропускающих через себя импульсы тока от блока питания на выходной LC-контур.

Обычно чем больше фаз используется для обеспечения нужного напряжения, тем лучше. Это связано с уменьшением времени работы под нагрузкой элементов каждой фазы, что благотворно сказывается на температурном режиме, увеличивает суммарную отдаваемую мощность, время бесперебойной работы и общую надежность системы.

Например, при использовании двух фаз питания каждая из них работает 50% времени, а при использовании четырех – 25% ,что пропорционально увеличивает ресурс каждого элемента VRM.

КЗ нагрузки при включенном транзисторе

Аналогично со случаем, рассмотренным выше, ток ограничен характеристиками самого транзистора. Он нарастает со скоростью, которая определяется индуктивностью (паразитной). Перед тем как этот ток дойдет до постоянного установившегося значения, начнется возрастание напряжения коллектора. На затворе происходит увеличение напряжения благодаря эффекту Миллера.

Ток на коллекторе увеличивается, причем он может значительно превышать установившееся значение. Именно для этого режима предусмотрено не только то, что отключается канальный мосфет, но и заложена возможность ограничения напряжения.

От напряжения, приложенного к затвору транзистора, зависит напрямую установившийся ток короткого замыкания. Но при снижении напряжения на затворе полупроводникового элемента происходит довольно интересная картина. Напряжение насыщения увеличивается и, как следствие, увеличиваются потери проводимости. Устойчивость транзистора к короткому замыканию тесным образом связана с крутизной его характеристик.

Ток КЗ и коэффициент усиления

Чем выше КУ у мосфетов по току, тем ниже напряжение насыщения. Также они способны выдерживать перегрузки небольшое время. С другой же стороны, полупроводники, которые более устойчивы к воздействию короткого замыкания, обладают очень высоким напряжением насыщения. Потери у них тоже очень существенные.

Большее максимально допустимое значение тока короткого замыкания имеет пионер мосфет, нежели простой биполярный транзистор. Как правило, он в десять раз превышает номинальное значение тока (при условии, что на затворе допустимое напряжение). Большая часть производителей (европейских и азиатских) выпускает транзисторы, которые выдерживают такие нагрузки, причем не повреждаются.

Каналы p- и n-типа

Простой ключ верхнего плеча можно сделать на p-канальных MOSFET. Использование отрицательного напряжения для открывания p -канального MOSFET меняет схему управления. А именно, чтобы дать транзистору «проводить ток», надо опустить управляющее напряжение ниже порога, а чтобы его выключить, надо подать на затвор напряжение шины питания.

Но p-канальные транзисторы сложны в изготовлении, и, соответственно, дороже обычных n-канальных приборов, а для их открывания может потребоваться отрицательное напряжение на затворе (или, по крайней мере, подключение затвора к земле). Это подходит для батарейного питания переносной аппаратуры, но неудобно для импульсных источников питания.

Одним из решений из решений может быть объединение n- и p-канального транзисторов в двухтактной конфигурации, где они проводят ток поочередно. Здесь стоки p-канального MOSFET верхнего плеча и n-канального MOSFET нижнего плеча соединены вместе, а их затворы управляются синхронно, в результате чего получается один сильноточный ключ. Разработчик должен контролировать процесс переключения, не допуская сквозных токов, которые могут возникать, если оба MOSFET включаются одновременно.

В качестве альтернативы не полностью согласованным p- и n-канальным MOSFET можно использовать микросхему драйвера затворов, которая управляет MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактной схеме. (Оба устройства n-канальные). Оба транзистора могут включаться и выключаться одной микросхемой (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Разработчики могут выбрать микросхему драйвера затворов, управляющую MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактной схеме. (Оба устройства n-канальные).

И последнее замечание. Низкое сопротивление сток-исток открытого транзистора (R_DS(on)) под нагрузкой не говорит о хороших переключательных характеристиках MOSFET, хотя обычно производители на первом месте указывают в спецификации именно низкое значение R_DS(on). От величины сопротивления R_DS(on) зависит эффективность полевого транзистора – чем оно меньше, тем меньше выделяется тепла. Однако при снижении сопротивления транзистора падает скорость его переключения. Это связано с тем, что для снижения R_DS(on) приходится увеличивать размеры затвора, что увеличивает его емкость и затрудняет управление транзистором.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер
обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В
выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении
таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется
напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения
не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля

Главное — не превысить допустимый
ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь U_d — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора
h_fe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Проверка встроенного обратного диода

Практически в любом современном полевом транзисторе, за исключением специальных их типов, параллельно цепи сток-исток включен внутренний «защитный» диод. Наличие этого диода внутри полевика обусловлено особенностями технологии производства мощных транзисторов. Иногда он мешает, считается паразитным, однако в большинстве полевых транзисторов без него, как части цельной структуры электронного компонента, не обойтись.

Следовательно, в исправном полевом транзисторе данный диод тоже должен быть исправным. В n-канальном полевом транзисторе данный диод включен катодом к стоку, анодом — к истоку, а в p-канальном — анодом к стоку, катодом — к истоку. Включите мультиметр в режим «прозвонки» диодов. Если полевой транзистор является n-канальным, то красный щуп мультиметра приложите к его истоку (source), а черный — к стоку (drain).

Транзисторы являются одними из самых широко применяемых радиоэлементов. Несмотря на свою надёжность, они нередко выходят из строя, что связано с нарушениями режима в их работе. При этом поиск неисправного элемента в связи со спецификой устройства полевого транзистора вызывает определённые трудности.

Обычно сток находится посередине и соединен с проводящей подложкой транзистора, а истоком является правый вывод (уточните это в datasheet). В случае если внутренний диод исправен, на дисплее мультиметра отобразится прямое падение напряжения на нем – в районе 0,4-0,7 вольт. Если теперь положение щупов изменить на противоположное, то прибор покажет бесконечность. Если все так, значит внутренний диод исправен.

Порядок измерений.

Проверка цепи сток-исток

Полевой транзистор управляется электрическим полем затвора. И если емкость затвор-исток зарядить, то проводимость в направлении сток-исток увеличится. Итак, если транзистор является n-канальным, приложите черный щуп к затвору (gate), а красный — к истоку, и через секунду измените расположение щупов на противоположное — красный к затвору, а черный — к истоку. Так мы сначала наверняка разрядили затвор, а после — зарядили его. Затвор обычно слева, а исток — справа.

Теперь красный щуп переместите с затвора — на сток, а черный пусть останется на истоке. Если транзистор исправен, то как только вы переместите красный щуп с затвора на сток, мультиметр покажет что на стоке есть падение напряжения — это значит, что транзистор перешел в проводящее состояние.

Теперь красный щуп на исток, а черный — на затвор (разряжаем затвор противоположной полярностью), после чего снова красный щуп на сток, а черный — на исток. Прибор должен показать бесконечность — транзистор закрылся. Для p-канального полевого транзистора щупы просто меняются местами.

Проверка транзистора без выпаивания.

Если прибор запищит

Если на этапе проверки сток-исток прибор запищит, это может быть вполне нормальным, ведь у современных полевых транзисторов сопротивление сток-исток в открытом состоянии бывает очень маленьким. Как вариант, можно соединить затвор с истоком и в таком положении прозвонить сток-исток (для n-канального красный на сток, черный — на исток), прибор должен показать бесконечность.

Главное — чтобы не было звона затвор-исток и сток-исток, особенно в тот момент когда затвор заряжен противоположной полярностью.

Характеристики полевого МОП транзистора

Для того, чтобы узнать характеристики транзистора, нам надо открыть на него даташит и рассмотреть небольшую табличку на первой странице даташита. Будем рассматривать транзистор, который мы использовали в своих опытах: IRFZ44N.

Напряжение V_GS   – это напряжение между Затвором и Истоком. Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать на Затвор это +-20 Вольт. Более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, и транзистор придет в негодное состояние.

Максимальная сила тока I_D , которая может течь через канал Сток-Исток.

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуре кристалла 100 градусов, что чаще всего и происходит на практике.

R_DS(on) – сопротивление полностью открытого канала Стока-Истока. В режиме насыщения, сопротивление канала транзистора достигает ну очень малого значения. Как вы видите, у нашего подопечного сопротивление канала достигает 17,5 мОм (при условии, что напряжение на Затворе = 10 Вольт, а ток Стока  = 25 Ампер).

Максимальная рассеиваемая мощность P_D  – это мощность, которую транзистор может рассеять на себе, превращая эту мощность в тепло. В нашем случае это 94 Ватта. Но здесь также должны быть соблюдены различные условия – это температура окружающей среды, а также есть ли у транзистора радиатор.

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите на последних страницах.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала  полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

Особенности конструкции, хранения и монтажа

Транзистор n-канального типа состоит из кремниевой подложки с p-проводимостью, n-областей, получаемых путем добавления в подложку примесей, диэлектрика, изолирующего затвор от канала, расположенного между n-областями. К n-областям подсоединяются выводы (исток и сток). Под действием источника питания из истока в сток по транзистору может протекать ток. Величиной этого тока управляет изолированный затвор прибора.

При работе с полевыми транзисторами необходимо учитывать их чувствительность к воздействию электрического поля. Поэтому хранить их надо с закороченными фольгой выводами, а перед пайкой необходимо закоротить выводы проволочкой. Паять полевые транзисторы надо с использованием паяльной станции, которая обеспечивает защиту от статического электричества.

Прежде, чем начать проверку исправности полевого транзистора, необходимо определить его цоколевку. Часто на импортном приборе наносятся метки, определяющие соответствующие выводы транзистора. Буквой G обозначается затвор прибора, буквой S – исток, а буквой D- сток. При отсутствии цоколевки на приборе необходимо посмотреть ее в документации на данный прибор.

Какие случаются неисправности

Полевые транзисторы могут быть перегружены током во время проведения проверки и, в результате перегрева прийти в неисправное состояние.

Важно! Они уязвимы к статическому напряжению. В процессе проведения работы нужно обеспечить, чтобы оно не попадало на проверяемую деталь

При работе в составе схемы может произойти пробой, в результате которого полевой транзистор становится неисправным и подлежит замене. Его можно обнаружить по низкому сопротивлению p-n-переходов в обоих направлениях.

Определить то, насколько транзистор является работоспособным можно, если прозвонить его с помощью цифрового мультиметра.

Назначение выводов

Это нужно делать следующим образом (для примера используется широко распространённая модель М-831, рассматривается полевой транзистор с каналом n-типа):

1. Мультиметр нужно переключить в режим диодной проверки. Он отмечен на панели схематическим изображением диода.
2. К прибору присоединены два щупа: чёрный и красный. На лицевой панели имеются три гнезда. Чёрный устанавливают в нижнее, красный — в среднее. Первый из них соответствует отрицательному полюсу, второй — положительному.
3. Нужно на тестируемом полевом транзисторе определить, какие выходы соответствуют истоку, затвору и стоку.
4. В некоторых моделях дополнительно предусмотрен внутренний диод, защищающий деталь от перегрузки. Сначала нужно проверить то, как он работает. Для этого красный провод присоединяют к истоку, а чёрный — к стоку.

Проверка диода в прямом направлении

На индикаторе должно появиться значение, входящее в промежуток 0,5-0,7. Если провода поменять местами, то на экране будет указана единица, что означает, что ток в этом направлении не проходит.

Проверка диода в обратном направлении

1. Дальше осуществляется проверка работоспособности транзистора.

Если присоединить щупы к истоку и стоку, то ток не будет проходить по ним. Чтобы открыть затвор. Необходимо подать положительное напряжение на затвор. Нужно учитывать, что на красный щуп подан от мультиметра положительный потенциал. Теперь достаточно его соединить с затвором, а чёрный со стоком или истоком, для того, чтобы транзистор стал пропускать ток.

Открытие канала

Теперь, если красный провод подключить к истоку, а чёрный — к стоку, то мультиметр покажет определённую величину падения напряжения, например, 60. Если подключить наоборот, то показатель будет примерно таким же.

Если на затвор подать отрицательный потенциал, то это закроет транзистор в обоих направлениях, однако будет работать встроенный диод. Если полевик закрыт не будет, то это указывает на его неисправность.

Проверка мофсета с p-каналом выполняется аналогичным образом. Отличие состоит в том, что при проверке там, где раньше использовался красный щуп, теперь используется чёрный и наоборот.

Работа полевого МДП транзистора

Как работает полевой транзистор?

ПТ с индуцированным каналом содержит три электрода — исток (source), сток (drain), и затвор (gate). 

Принцип работы ПТ наполовину понятен из графического обозначения и названия электродов.

Канал ПТ – это «водяная труба», в которую втекает «вода» (поток заряженных частиц, образующих электрический ток) через «источник» (исток).

«Вода» вытекает из другого конца «трубы» через «слив» (сток). Затвор – это «кран», который открывает или перекрывает поток. Чтобы «вода» пошла по «трубе», надо создать в ней «давление», т.е. приложить напряжение между стоком и истоком.

Если напряжение не приложено («давления в системе нет»), тока в канале не будет.

Если приложено напряжение, то «открыть кран» можно подачей напряжения на затвор относительно истока.

Чем большее подано напряжение, тем сильнее открыт «кран», больше ток в канале «сток-исток» и меньше сопротивление канала.

В источниках питания ПТ используется в ключевом режиме, т.е. канал или полностью открыт, или полностью закрыт.

Честно сказать, принципы действия ПТ гораздо более сложны, он может работать не только в ключевом режиме. Его работа описывается многими заумными формулами, но мы не будем здесь все это описывать, а ограничимся этими простыми аналогиями.

Скажем только, что ПТ могут быть с n-каналом (при этом ток в канале создается отрицательно заряженными частицами) и p-каналом (ток создается положительно заряженными частицами). На графическом изображении у ПТ с n-каналом стрелка направлена внутрь, у ПТ с p-каналом – наружу.

Собственно, «труба» — это кусочек полупроводника (чаще всего – кремния) с примесями химических элементов различного типа, что обуславливает наличие положительных или отрицательных зарядов в канале.

Теперь переходим к практике и поговорим о том,

Мосфеты на материнской плате

На ПК мосфеты образуют VRM (модуль регулятора напряжения), который контролирует, сколько напряжения получают комплектующие на материнской плате, такие как процессор или видеокарта.

П роцессоры и видеокарты, имеют строгое рабочее напряжение, и VRM не допус кает его превышения. Мосфеты важны для работы VRM и влияют на количество тепла, выделяемого VRM во время работы. Мосфеты могут довольно сильно нагреется, если вы используете мощную видеокарту. Р адиатор материнской платы охлаждает мосфеты и, следовательно, VRM

Помимо обеспечения стабильности и безопасности всей системы в целом, охлаждение мосфетов важно для любого разгона

История

До 1990-х годов в качестве силовых полупроводниковых приборов, помимо тиристоров, использовались биполярные транзисторы. Их эффективность была ограничена несколькими недостатками:

• необходимость большого тока базы для включения;
• наличие токового «хвоста» при запирании, поскольку ток коллектора не спадает мгновенно после снятия тока управления — появляется сопротивление в цепи коллектора, и транзистор нагревается;
• зависимость параметров от температуры;
• напряжения насыщения цепи коллектор-эмиттер ограничивает минимальное рабочее напряжение.

С появлением полевых транзисторов, выполненных по технологии МОП (англ. MOSFET), ситуация изменилась. В отличие от биполярных, полевые транзисторы:

• управляются не током, а напряжением;
• их параметры не так сильно зависят от температуры;
• их рабочее напряжение теоретически не имеет нижнего предела благодаря использованию многоячеистых СБИС;
• имеют низкое сопротивление канала (менее миллиома);
• могут работать в широком диапазоне токов (от миллиампер до сотен ампер);
• имеют высокую частоту переключения (сотни килогерц и больше);
• высокие рабочие напряжения при больших линейных и нагрузочных изменениях, тяжёлых рабочих циклах и низких выходных мощностях.

Полевые МОП-транзисторы легко управляются, что свойственно транзисторам с изолированным затвором, и имеют встроенный диод утечки для ограничения случайных бросков тока. Типичные применения этих транзисторов — импульсные преобразователи напряжения с высокими рабочими частотами, аудиоусилители (так называемого ).

Схематичное изображение внутренней структуры БТИЗ

Первые мощные полевые транзисторы были созданы в СССР в НИИ «Пульсар» (разработчик — В. В. Бачурин) в 1973 году, а их ключевые свойства исследованы в Смоленском филиале МЭИ (научный руководитель — В. П. Дьяконов).
В рамках этих работ в 1977 году был предложен составной транзистор, в котором мощный биполярный транзистор управляется посредством полевого транзистора с изолированным затвором. Было показано, что выходные токи и напряжения составных структур определяются биполярным транзистором, а входные — полевым. При этом биполярный транзистор в ключе на основе составного транзистора не насыщается, что резко уменьшает задержку при выключении и определяет достоинства таких приборов в роли силовых ключей. На полупроводниковый прибор, названный «побистором», получено авторское свидетельство СССР № 757051. Он выполнен в виде единой структуры, содержащей мощный биполярный транзистор, на поверхности которого создан полевой транзистор с V-образным изолированным затвором

Первый промышленный образец БТИЗ был запатентован International Rectifier в 1983 году. Позднее, в 1985 году, был разработан БТИЗ с полностью плоской структурой (без V-канала) и более высокими рабочими напряжениями. Это произошло почти одновременно в лабораториях фирм General Electric (Скенектади, штат Нью-Йорк) и RCA (Принстон, штат Нью-Джерси). Первоначально устройство называли COMFET, GEMFET или IGFET.[источник не указан 1399 дней] В 1990-е годы приняли название IGBT. Первые БТИЗ не получили распространения из-за врождённых пороков — медленного переключения и низкой надёжности. Второе (1990-е годы) и третье (современное) поколения IGBT в целом избавились от этих пороков.