Fuentes Booster y Etapas Elevadoras de Voltaje

En esta guía estudiaremos el funcionamiento de la fuente Booster utilizada en la hashboard Antminer S19. Identificaremos los principales componentes que intervienen en la elevación del voltaje y comprenderemos cómo trabajan conjuntamente el convertidor Booster, la bobina inductora, los diodos y los condensadores.

Después seguiremos físicamente la alimentación elevada sobre la PCB hasta los últimos ocho dominios de la hashboard, donde diferentes etapas de regulación permiten obtener los niveles de tensión necesarios para alimentar correctamente los circuitos asociados a los chips ASIC.

Objetivos de esta guía

• Identificar el convertidor Booster MP1517DR.
• Comprender qué significa conmutación dentro de una fuente Booster.
• Comprender la función de la bobina inductora L1.
• Entender cómo la bobina almacena y libera energía.
• Comprender cómo es posible obtener una tensión superior a la tensión de entrada.
• Identificar la función de los diodos dentro de la etapa Booster.
• Comprender la función de filtrado y estabilización de los condensadores.
• Seguir la alimentación elevada hacia los últimos ocho dominios.
• Identificar la resistencia 000 utilizada como puente dentro del recorrido.
• Seguir las diferentes etapas de regulación hasta obtener aproximadamente 2,9 V, 1,2 V y 0,8 V.

1. El convertidor Booster MP1517DR

Comenzamos identificando uno de los componentes principales de nuestra fuente Booster: el MP1517DR. Este componente es un convertidor DC-DC elevador y se encarga de controlar el funcionamiento de la etapa Booster.

Para conseguir elevar el voltaje utiliza un proceso denominado conmutación. Podemos entender este proceso, de manera sencilla, como un interruptor electrónico que cambia rápidamente entre diferentes estados de conducción.

Esta conmutación permite controlar la corriente que circula a través de la bobina inductora y, por tanto, controlar el almacenamiento y posterior transferencia de energía dentro de la fuente Booster.

Convertidor MP1517DR encargado de controlar la etapa elevadora de voltaje de la fuente Booster.

2. La bobina inductora L1

Uno de los componentes fundamentales de la fuente Booster es la bobina inductora L1. En nuestra placa podemos identificarla mediante el marcado 100.

Esta bobina tiene la capacidad de almacenar temporalmente energía en forma de un campo magnético cuando circula corriente a través de ella.

Durante una parte del ciclo de funcionamiento del convertidor, la corriente aumenta a través de L1 y la bobina almacena energía. Posteriormente, cuando cambia el estado de conmutación, la bobina libera esa energía hacia la siguiente parte del circuito.

Bobina inductora L1 utilizada para almacenar y liberar energía durante el funcionamiento de la fuente Booster.

3. Cómo se produce la elevación del voltaje

Para comprender de dónde aparece una tensión superior a la disponible inicialmente debemos observar el funcionamiento conjunto del convertidor y la bobina.

Cuando el interruptor electrónico interno del convertidor entra en conducción, circula corriente por la bobina y esta almacena energía en su campo magnético.

Cuando el convertidor cambia el estado de conmutación, la corriente que circula por la bobina no puede desaparecer instantáneamente. El campo magnético comienza a disminuir y la bobina desarrolla una tensión que permite mantener temporalmente la circulación de corriente.

Como consecuencia de este proceso, el punto de conmutación puede elevar su tensión por encima de la alimentación de entrada. Esta energía puede entonces transferirse hacia la salida de la fuente Booster.

4. Función de los diodos en la fuente Booster

Después de la bobina encontramos los diodos asociados a la etapa Booster. Estos componentes forman parte del recorrido utilizado para transferir la energía hacia la salida.

Cuando la bobina libera la energía almacenada, los diodos permiten dirigir la corriente hacia el lado correspondiente de la salida. Al mismo tiempo, ayudan a impedir que la energía almacenada en la salida regrese hacia la etapa de conmutación por ese mismo camino.

Diodos utilizados dentro del recorrido de transferencia de energía de la fuente Booster.

5. Condensadores: almacenamiento, filtrado y estabilización

La fuente Booster trabaja mediante ciclos de conmutación que se repiten a gran velocidad. Por este motivo necesitamos componentes que ayuden a mantener una alimentación de salida mucho más estable.

Los condensadores asociados a la salida reciben energía durante el funcionamiento de la Booster y ayudan a almacenar energía temporalmente, reducir el rizado y estabilizar el voltaje de salida.

6. Salida Booster y distribución hacia los últimos ocho dominios

Como resultado del funcionamiento de la etapa Booster obtenemos una alimentación elevada de aproximadamente 20 V.

A partir de este punto podemos seguir físicamente sobre la PCB el recorrido de esta alimentación hacia las etapas correspondientes de los últimos ocho dominios de la hashboard, desde el dominio 37 hasta el dominio 44.

Recorrido de la alimentación elevada generada por la fuente Booster hacia las etapas de regulación de los últimos ocho dominios.

7. Resistencia 000 como puente hacia el regulador

Siguiendo el recorrido de la alimentación elevada encontramos una resistencia identificada mediante el marcado 000.

En este punto del circuito se trata de una resistencia de 0 Ω utilizada como puente para mantener la continuidad eléctrica entre la alimentación procedente de la Booster y la entrada de la siguiente etapa de regulación.

Punto del recorrido donde la alimentación continúa mediante la resistencia de 0 Ω hacia la etapa de regulación.

8. Regulación de la alimentación elevada

Después de atravesar el puente de 0 Ω, la alimentación continúa hacia el regulador correspondiente de esta etapa.

Dentro de la cadena de alimentación estudiada, esta etapa forma parte de la reducción progresiva de la tensión elevada generada por la Booster hasta obtener niveles adecuados para alimentar las siguientes etapas.

Regulador perteneciente a la cadena de alimentación utilizada en los últimos ocho dominios.

9. Regulación hasta 2,9 V, 1,2 V y 0,8 V

Después de la primera etapa de regulación, la alimentación continúa hacia las siguientes etapas hasta obtener aproximadamente 2,9 V.

Estos aproximadamente 2,9 V se utilizan posteriormente para alimentar los dos pequeños reguladores LDO. Uno de ellos genera aproximadamente 1,2 V y el otro aproximadamente 0,8 V.

Etapas de regulación utilizadas para obtener los diferentes niveles de alimentación en los dominios 37 a 44.

10. El circuito se repite en los últimos ocho dominios

La arquitectura de alimentación estudiada se repite en los últimos ocho dominios de esta hashboard, correspondientes a los dominios 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43 y 44.

Esto significa que, durante un diagnóstico, podemos utilizar el mismo principio de seguimiento: comprobar que la alimentación elevada está presente, verificar su entrada en la etapa de regulación y continuar siguiendo cada reducción de tensión hasta las alimentaciones finales utilizadas por los ASIC.

Mapa completo del funcionamiento de la fuente Booster

Aplicación durante el diagnóstico

Comprender el funcionamiento de la fuente Booster nos permite diagnosticar esta etapa siguiendo una secuencia lógica. No debemos comenzar sustituyendo componentes al azar. Primero debemos determinar hasta qué punto está funcionando correctamente el circuito.

Si encontramos correctamente una tensión en una etapa pero esta desaparece en la siguiente, habremos reducido considerablemente la zona del circuito que debemos analizar.

Conceptos que debes recordar

• La fuente Booster es un convertidor DC-DC elevador.
• El MP1517DR controla el funcionamiento de la etapa Booster.
• La conmutación consiste en cambiar rápidamente entre diferentes estados de conducción.
• La bobina L1 almacena temporalmente energía en forma de campo magnético.
• Cuando cambia el estado de conmutación, la bobina libera la energía almacenada.
• La energía utilizada para elevar la tensión procede de la alimentación de entrada; no se crea energía adicional.
• Los diodos participan en la transferencia de energía hacia la salida.
• Los condensadores ayudan a almacenar energía, filtrar el rizado y estabilizar la tensión.
• La salida Booster estudiada es de aproximadamente 20 V.
• Esta alimentación elevada se distribuye hacia los dominios 37 a 44.
• En el punto estudiado, la resistencia 000 funciona como puente hacia la etapa de regulación.
• La cadena estudiada continúa aproximadamente como 20 V → 6 V → 2,9 V → 1,2 V / 0,8 V.
• El CORE de cada dominio continúa siendo aproximadamente 0,34 V y no debe confundirse con la alimentación auxiliar generada por la Booster.

Comprueba lo aprendido

• ¿Cuál es la función principal de una fuente Booster?
• ¿Qué función cumple el MP1517DR?
• ¿Qué significa conmutación?
• ¿Qué ocurre en la bobina L1 cuando circula corriente a través de ella?
• ¿Qué sucede con la energía almacenada cuando cambia el estado de conmutación?
• ¿De dónde procede la energía que permite obtener una tensión superior?
• ¿Qué función cumplen los diodos dentro de la fuente Booster?
• ¿Qué función cumplen los condensadores en la salida?
• ¿Qué tensión aproximada obtenemos en la salida de la Booster estudiada?
• ¿Hacia qué dominios se distribuye esta alimentación elevada?
• ¿Qué función cumple la resistencia 000 en el punto estudiado?
• ¿Qué tensiones encontramos durante las siguientes etapas de regulación?