Как сбой DC-DC преобразователя на плате SSD убивает контроллер и что можно найти мультиметром до того как станет поздно

Компьютер включается, BIOS видит накопитель, но загрузка зависает. Или хуже: диск пропадает из системы после нескольких минут работы. Первый импульс, понятный каждому, тянуться к программам диагностики, смотреть S.M.A.R.T., пробовать другой порт или кабель. Но SMART молчит, порт исправен, кабель новый, а накопитель продолжает вести себя непредсказуемо. В этот момент большинство просто покупает новый SSD. Те немногие, кто открывает корпус и берёт мультиметр, нередко находят ответ в двух маленьких SMD-компонентах рядом с контроллером. Дроссели и напряжения 1.2 В и 3.3 В на плате накопителя говорят о состоянии всей схемы питания значительно красноречивее любого программного инструмента.

Зачем SSD вообще нужен собственный DC-DC преобразователь

Материнская плата подаёт на разъём SATA или M.2 напряжение 3.3 В и 5 В. Казалось бы, зачем внутри накопителя ещё один преобразователь? Ответ прямой: контроллер SSD и чипы памяти NAND Flash работают от напряжений, которых на разъёме нет.

Современный контроллер SSD потребляет ядро от 1.0 до 1.2 В. Именно при этом напряжении работает процессорная часть чипа с тактовыми частотами 400-800 МГц. Интерфейсные блоки контроллера запитываются от 1.8 В. Чипы памяти NAND типа TLC или MLC требуют 1.8 В для логики и 3.3 В для программирования ячеек. Всё это хозяйство формируется из входного напряжения 3.3-5 В силами одного или двух понижающих DC-DC преобразователей прямо на плате накопителя. Преобразователи работают на частотах 1-4 МГц, потребляют десятки и сотни миллиампер, и делают это непрерывно всё время, пока накопитель подключён к питанию.

Каждый такой преобразователь строится по классической схеме синхронного понижающего конвертера с ШИМ-управлением: ключевые транзисторы MOSFET, накопительный дроссель и выходной конденсатор. Именно дроссель является первым компонентом, по состоянию которого можно судить об исправности всего узла питания.

Как сбой преобразователя передаёт удар на контроллер

Здесь начинается самое неочевидное. Контроллер SSD гибнет не только от прямого превышения напряжения питания. Он гибнет от пульсаций, выбросов и провалов, которые появляются при деградации схемы питания задолго до полного отказа.

Когда дроссель в цепи питания 1.2 В теряет индуктивность из-за насыщения сердечника или межвиткового замыкания, ШИМ-контроллер преобразователя перестаёт корректно регулировать выходное напряжение. Вместо стабильных 1.2 В на шине появляются пульсации амплитудой 0.2-0.5 В с частотой переключения. Процессорное ядро контроллера SSD получает нестабильное питание, логика начинает давать сбои, и накопитель ведёт себя именно так, как его описывают в большинстве жалоб: зависает, пропадает из системы, выдаёт ошибки чтения.

Второй сценарий ещё опаснее. При частичном пробое выходного MOSFET-транзистора преобразователя напряжение на выходе скачет выше номинала. Для цепи 1.2 В выброс до 1.8-2.0 В, длящийся доли миллисекунды, с высокой вероятностью пробивает тонкие оксидные слои полевых транзисторов внутри контроллерного чипа. Такой сбой необратим: контроллер меняется целиком, а это в большинстве случаев равносильно потере накопителя, поскольку прошивка и ключи шифрования хранятся именно в нём.

Бывает и третий вариант, самый тихий: деградация выходного конденсатора преобразователя, рост его ESR. Конденсатор перестаёт сглаживать пульсации, высокочастотный шум проникает в шину питания контроллера, и тот начинает периодически ошибаться при обращении к ячейкам памяти. SMART фиксирует рост числа ошибок коррекции ECC, и владелец списывает это на износ ячеек, хотя реальная причина в сотне микрофарад рядом с дросселем.

Первичная диагностика мультиметром и что именно измерять

Мультиметр с пределом измерения постоянного напряжения 2 В является минимально достаточным инструментом для первичной диагностики питания SSD. Работа проводится при подключённом к питанию накопителе, поэтому соблюдение полярности и аккуратность при касании щупами обязательны.

Точки измерения для типичного SATA SSD или M.2 SATA накопителя находятся на выходе дросселей. Дроссель визуально представляет собой небольшой квадратный или прямоугольный компонент с ферритовым сердечником серого или чёрного цвета, размером 2x2 или 3x3 мм. На плате их обычно два: один в цепи питания контроллера 1.2 В, второй в цепи питания NAND 3.3 В. Один вывод дросселя подключён к ключевым транзисторам, другой идёт к нагрузке через конденсатор фильтра. Измерять нужно именно на выходном выводе, том который ближе к нагрузке.

Нормальные значения следующие:

1. Цепь питания ядра контроллера: 1.0-1.2 В постоянного тока, отклонение не более плюс-минус 5%.
2. Цепь питания интерфейса контроллера: 1.8 В, допуск аналогичный.
3. Цепь питания NAND и логики: 3.3 В, допуск плюс-минус 5%.
4. Напряжение на входе преобразователя: 3.3 В или 5 В от разъёма, зависит от типа накопителя.

Показание значительно ниже нормы при работающем накопителе указывает на перегруженный или деградировавший преобразователь, либо на короткое замыкание в нагрузке. Показание выше нормы, особенно в цепи 1.2 В, говорит о потере обратной связи в ШИМ-контроллере. Нулевое показание при включённом накопителе означает либо обрыв в цепи питания, либо полный отказ преобразователя.

Как проверить дроссель и отличить насыщённый сердечник от обрыва

Дроссель проверяется мультиметром в режиме измерения сопротивления. Исправный дроссель с индуктивностью 1-4.7 мкГн, типичной для цепей питания SSD, имеет активное сопротивление обмотки от нескольких десятых до нескольких единиц Ом. Мультиметр покажет значение в этом диапазоне. Если прибор показывает бесконечность, в обмотке обрыв. Если показывает ноль, межвитковое замыкание.

Насыщение сердечника мультиметром не определяется: это динамический эффект, проявляющийся только под рабочим током. Насыщённый дроссель в статическом режиме выглядит полностью исправным. Косвенный признак насыщения: дроссель заметно нагревается при работе накопителя. Нормальный дроссель в цепи питания SSD при рабочем токе 200-500 мА должен оставаться холодным на ощупь. Тёплый или горячий дроссель при нормальной нагрузке сигнализирует о насыщении сердечника или о токе, превышающем расчётный из-за низкоомной нагрузки в виде пробитого транзистора.

Дроссель, потерявший индуктивность из-за насыщения или повреждения сердечника, внешне выглядит абсолютно целым. Никакого растрескивания феррита, никакого запаха, никакого потемнения. Только осциллограф на выходе преобразователя покажет аномально высокий уровень пульсаций. Если осциллографа нет, единственный способ убедиться в исправности дросселя на рабочей частоте: замена на заведомо исправный аналог с той же индуктивностью и тем же максимальным током насыщения.

Поиск короткого замыкания в цепях питания до подачи напряжения

Короткое замыкание в цепи питания контроллера или NAND обнаруживается прозвонкой в обесточенном состоянии. Один щуп мультиметра в режиме прозвонки ставится на земляной полигон платы, второй на выходной вывод дросселя в цепи 1.2 В или 3.3 В. Нормальное состояние: мультиметр не звонится или показывает сотни Ом и выше. Это объясняется тем, что конденсаторы фильтра и входная ёмкость контроллера создают некоторую ёмкостную нагрузку, но постоянный ток через неё не течёт.

Если мультиметр сразу звонится или показывает единицы Ом, цепь питания закорочена. Причины в порядке убывания вероятности: пробитый выходной MOSFET нижнего плеча преобразователя, пробитый конденсатор фильтра, пробитый по питанию контроллерный чип. Локализация короткого замыкания проводится последовательным выпаиванием подозреваемых компонентов с проверкой сопротивления после каждого шага. Как только короткое замыкание исчезло, виновник найден.

Лабораторный блок питания с ограничением тока на уровне 100-200 мА, подключённый к цепи питания вместо штатного источника, позволяет подать напряжение на плату с закороченной цепью и по тепловому нагреву найти пробитый компонент. Компонент с коротким замыканием разогревается за несколько секунд и становится ощутимо тёплым при лёгком касании кончиком пальца или термощупа. Этот метод требует аккуратности, но нередко позволяет обнаружить пробитый транзистор или конденсатор быстрее, чем последовательное выпаивание компонентов.

Что делать если напряжения в норме а накопитель всё равно нестабилен

Бывает ситуация, которая ставит в тупик: мультиметр показывает правильные значения на всех шинах, дроссели холодные, явных дефектов нет, а SSD продолжает вести себя непредсказуемо. Это указывает на проблему, которую постоянный ток не выявит: высокочастотные пульсации, проникающие в цепи питания через деградировавшие конденсаторы фильтра.

Электролитические или полимерные конденсаторы на выходе DC-DC преобразователя SSD имеют ёмкость 10-47 мкФ при рабочем напряжении 6.3-10 В. Высохший или деградировавший конденсатор при измерении ёмкости мультиметром покажет близкое к номиналу значение, но его ESR при этом вырастет с нормальных 10-30 мОм до нескольких единиц Ом. Пульсации напряжения на шине питания при этом возрастают с нормальных 10-20 мВ до 100-200 мВ и выше.

Единственный способ выявить такую неисправность без осциллографа: ESR-метр. Нормальные значения для полимерных конденсаторов 10-47 мкФ в цепях питания SSD составляют менее 50 мОм. Показание выше 200 мОм является основанием для замены даже при нормальной измеренной ёмкости. Замена конденсаторов фильтра на качественные полимерные аналоги серий Panasonic SP, Nichicon HVD или Rubycon ZLH нередко возвращает накопитель к стабильной работе без какого-либо вмешательства в другие узлы. Схема питания SSD проще, чем кажется снаружи, но она мстит за каждый деградировавший компонент с хирургической точностью.