Эволюция фильтров в цепях питания электронных схем

в разделе "Статьи" на сайте

www.electrosad.ru

Развитие электронной техники прямо связано с электропитанием их узлов. И отнесенным к этому разделу фильтров в цепях питания. Раньше их задачей было только подача качественного напряжения питания к узлам электронных узлов. В цифровой технике они решают не только задачи обеспечения питанием, но и  перекрытие их цепей питания от распространяющихся по ним помех и паразитных каналов связи.

 
 
1. Фильтры в цепях питания радиоаппаратуры

Все фильтры в цепях питания выполняются по схеме Г-образных фильтров НЧ, которые предотвращают прохождение по цепям питания помех и паразитных сигналов. Применяют RC фильтры в слаботочных низкочастотных цепях и LC в высокочастотных цепях, где не должно быть потерь напряжения.
 


Рисунок 1

На рис.1 показано RC звено такого фильтра.
Его характеристики:
Fc = (6,28 RC)-1  - частота среза по уровню 3дб,
V2 = V1 (Xc/Z) - ослабление звена фильтра.


Рисунок 2

На рис.2 показано LC звено такого фильтра.
Его характеристики:
Fc = 1/(3,14 (LC)1/2)- частота среза по уровню 3дб,
V2 = V1 (Xc/Z), - ослабление звена фильтра.

В схемах электронных устройств обычно применяются несколько звеньев RC или LC Г-образных фильтров, поэтому они эффективно подавляют помеху в цепях питания.
 

 
Рисунок 3

 

В качестве примера, на рис.3 показана примерная схема такого фильтра применяемого в радиоприемных устройствах. Здесь резисторы R1, R2, R3 Г-образного фильтра,  выбираются не только исходя из эффективности подавления помех, но и из условия подачи на узлы 1 -  3 необходимого питающего напряжения. Такие фильтры применяются в аналоговой аппаратуре и от них зависит качество ее работы.

Немаловажный фактор! Применение этих фильтров не только существенно улучшает характеристики тракта, но грамотно спроектированный фильтр позволяет существенно продлить срок службы элементов питания портативных устройств. У которых при выработке ресурса начинает увеличиваться внутреннее сопротивление, что приводит к сильной зависимости от потребляемого тока напряжения питания устройства (на рис.3 -  Е)

В высокочастотных цепях с рабочими частотами до 30 МГц, в связи с потерями в резисторах RC Г-образных фильтров и их низком сопротивлении (это приводит к ухудшению фильтрации) вместо резисторов применяют дроссели. Причем на частотах до 20-30 МГц с ферримагнитными сердечниками, и без сердечников - на более высоких частотах. Пример такого фильтра приведен на рисунке 4.
 


Рисунок 4.
 

Эти фильтры обладают одной особенностью. Дросселя как любые катушки индуктивности обладают индуктивной связью (взаимоиндукцией) и в случае их расположения в цепочку при близком расположении именно с помощью индуктивной связи возможно появление канала распространения помехи с выхода устройства на его вход.
Для того чтобы такого канала не возникало, надо принимать специальные меры.
Это расположение дросселей во взаимно перпендикулярных направлениях или экранирование узлов.

Обратите внимание, неграмотно спроектированные звенья такого фильтра могут резонировать, често создавать ситуацию когда помеха не только не подавляется, но и усиливается.

Все показанные выше фильтры  предназначены для фильтрации питающего напряжения поступающего к узлам устройства.
 

 

2. Фильтры для подавления помех в цепях питания дискретных устройствах

Существует категория устройств, которую необходимо не только питать качественным напряжением, но поскольку эти устройства сами генерируют помеху, еще и защищать  их от взаимного проникновения этой помехи по цепям питания. Это дискретные устройства.

На странице сайта "Сравнение различных конструкций фильтров применяемых производителями системных плат" рассказано о применении фильтров в дискретных быстродействующих устройствах. У подобных фильтров есть своя специфика, определяемая в первую очередь новым видом помехи. Это широкополосная помеха. Полоса частот занимаемая помехой определяется в первую очередь продолжительностью ее фронта. (О помехе см здесь.)

Известна формула: 
 

U=L (di/dt)


Согласно ей даже на одном вентиле логических микросхемах TTL, где ток переключения составляет только 4 мА, (время переключения 10 нсек) и принятыми мерами индуктивность разводящих проводников сведена к величине 0,5 10-6 Гн генерируемое напряжение помехи составляет 0,2в. При ее высокочастотной границе около 100 МГц. Эта помеха суммированная от нескольких корпусов приводила к неустойчивости работы всего узла.

Решение проблемы не заставило себя ждать.

Разработчики на каждой плате (узле) дискретного (цифрового устройства) стали ставить один оксидный конденсатор и на 1-5 корпусов микросхем по керамическому конденсатору. Дополнительно к описанным в разделе 1 фильтрам. Это известное всем работающим с дискретной техникой решение.

Это решение, если не считать необходимости иногда подбирать место подключения керамических конденсаторов, в общем как-то решило проблему....


 

3. Фильтры в цепях питания сверх больших интегральных схем процессоров, чипсет'ов, модулей памяти

О механизме генерации помехи сверх большими дискретными микросхемами можете почитать здесь. Применяя разные меры по их минимизации с ними более или менее успешно боролись вплоть до процессоров Intel Pentium 166 - FV80502166. Главным результатом этой борьбы была стабильная работа процессора.

Что собой представлял этот процессор?
Частота -166 MHz, Частота шины - 66 MHz, Технологический процесс
- 0.35 мкм, 3.3 миллиона транзисторов, Мин/Стандарт/Макс мощность потребления - 2.1 / 5.4 / 15.3 Вт, TDP = 14.5 Вт, Год производства 1996.

Именно для снижения уровня помех генерируемых этим процессором Intel была вынуждена поставить на держатель кристалла первые восемь конденсаторов дополнительного фильтра.

Почему вдруг помехи возникли?

Они не возникли, они были всегда, даже на самых простых дискретных микросхемах, как было показано выше. И до этого процессора, их проблему решали снижая индуктивности линий распределения питания (оптимизируя взаимное положение процессора и источника питания и разводку на системной плате), применяя оксидные конденсаторы в фильтре источника питания процессора с меньшими индуктивностями. Но в конце концов наступил момент когда ранее применявшиеся решения уже не давали необходимого эффекта.
Что это за условия?

  1. Снижение технологических норм привело к снижению времени переключения до менее 1 нсек,
  2. Число транзисторов в чипе процессора данной модели возросло до 3,3 млн.,
  3. Максимальный потребляемый ток вырос до 5 А.

Все это позволило говорить новой категории, о мощности генерируемых помех. При сохранении помехи и воздействии ее на процессор и другие узлы системной платы появилось и чисто энергетическое ее воздействие. Порядок ее величины можно оценить в диапазоне от 3,8 Вт до 1,5 Вт.

С этого момента началась борьба с энергетической составляющей генерируемой помехи.

В двух словах, к чему приводят помехи генерируемые процессором (подробнее здесь)?

Помехи генерируемые процессором, в отличии от простой дискретной логики, имеют большую мощность, в неблагоприятных случаях она может достигать 0,5 мощности потребляемой процессором. Практически зарегистрированная мощность составляла 0,25 P процессора. Их воздействие имеет как тепловую составляющую (на элементы процессора, системной платы) так и электромагнитную. Последняя в виде помехи распространяющейся по линиям распределения питания процессора и системной платы. Не смотря на все меньшие токи переключения, их мощность и максимальная частота растут, первое обусловлено ростом числа транзисторов помехи генерируемые при переключении которых суммируются, а второе их быстродействием. А все вместе - синхронным режимом работы процессора.

Возвращаемся к фильтрам.

Учитывая специфику генерируемой помехи,
 

fмах.пом=1/t фр
 

их (помех) максимальная частота выше тактовой частоты процессора. Поэтому фильтроваться существующими фильтрами имеющимися в цепи питания они не могут, по причине других задач стоящих перед этими фильтрами. Вот и начали множится, с этого времени, дополнительные конденсаторы на держателе процессора и под ним. Их комбинации меняются даже если просто увеличивают тактовую частоту процессора.

Но это только частное решение, не обеспечивающее стабильность работы компьютера. Признаки этого плохая разгоняемость процессора и нагрев оксидных конденсаторов фильтра в цепи питания процессора.

И так, первый опыт подавления помехи генерируемой процессором - установка дополнительных конденсаторов.

Более сложные решение в разные времена применяли AMD и Intel.

AMD вводит новое понятие - «электромагнитной интерференции на кристалле». Ее влияние снимает введением дополнительного медного слоя и дополнительных фильтрующих конденсаторов на кристалл процессора Thoroughbreg ревизии B, что привело к увеличению фактической тактовой частоты от 14,4% до 26%, при увеличении тепловыделения на 7,9% и увеличении площади кристалла на 5%. При этом за счет увеличения физической тактовой частоты шины до 166 МГц реальная производительность возросла от 17,6% до 27,2% при сохранении всех прочих характеристик и структуры процессора.

Intel на процессоре Xeon применяет схему фильтрации описанную в "Intel® Xeon™ Processor Multi-Processor Platform Design Guide", Intel, 2002 г. (25039702.pdf). Приведем ее в более наглядном виде на рис. 5
 

 
Рисунок 5.
 

Вы видите достаточно сложную схему разводки питания процессора, где паразитные (включенные в токовую цепь) индуктивности имеют достаточно малую величину. L1,2; L6-8 и L9,10 индуктивности разводки линий распределения питания по системной плате выполненные по нормам полосковых линий и поэтому их индуктивность минимальна. L3 и L11 индуктивности штырьковых соединителей панели и процессора. При многократно превышающих реальных индуктивностей одного штырька параллельное соединение более 150 контактов Power и несколько большее Ground из общего числа 603 контактов соединительной панели дает возможность снизить суммарную индуктивность за счет их параллельного соединения.
 

 
Рисунок 6.
 

На рисунке 6 хорошо видны конденсаторы на панели процессора, это C3, С8 и С4, С9.

С1, по данным описания, стоит на процессоре и как написано там имеет индуктивность равную НУЛЮ?

На первый взгляд фильтр должен работать, XL13 на частоте генерируемой помехи 13-15 ГГц имеет незначительную величину по сравнению с ESR .

Но! Берем известную формулу:
 

F= 1/ 2π(LC)-1\2

 

И получаем резонансную частоту цепочки L13 C9 (без учета ESL C9) около 26 МГц, что означает, на частотах выше резонансной цепочка представляет собой индуктивность.  Это звено работает только до приблизительно 24 МГц. А с учетом ESL эта частота, в лучшем случае, снижается до 7,9 МГц! Вот это фильтр!

Вернемся к C1.

Можно согласиться с авторами "Проектных требований" - индуктивность плоского конденсатора стремится к нулю, но она не может быть меньше индуктивности обкладок конденсатора. Поскольку она имеет линейные размеры, а всякий проводник имеющий линейные размеры имеет свои L и C. Самое главное, что разводка (тоководы) от C1 к ядру и другим узлам процессора имеет индуктивность хоть и меньше одного из 150 проводников, включенных параллельно и образующих L13, но в любом случае в несколько раз больше ее.

По моим прикидкам резонансная частота С1 с внутренними индуктивностями тоководов на кристалле составляет от 12 до 20 МГц.

Это тоже называют фильтром!

Данный фильтр работает, но в весьма ограниченном диапазоне частот.

Как работают конденсаторы в фильтрах и ограничения накладываемые на их применение конструкцией кратко описано в статье "Свойства конденсатора и их влияние на его применение".

Решение проблемы не только помехоустойчивости, но и снижения мощности генерируемых помех и их теплового воздействия на элементы процессора на основе патента №2231899. рассмотрим далее в части 2.

 

Часть 2. Фильтрация помех генерируемых современными процессорами.

А. Сорокин

 04.04.2008 год

Яндекс.Метрика

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через 
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.

2002 - 2012