ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОКСИДНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ В ЦЕПЯХ ПИТАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

А.Сорокин

Статья была опубликована в журнале "Радио" - № 1, 2003, стр. 20 

www.electrosad.ru

Статья была написана в 2002 году, и некоторые вопросы в ней, по понятным причинам, не были освещены. И в отличие патента России № 2231899 она должна была быть понятна радиолюбителям. Но, до сих пор, она отражает суть происходящих процессов, а рекомендации по доработке просты и понятны. (Комментарий автора, июнь 2006 года)

Для повышения надежности работы компьютера сильно нагревающиеся узлы (процессоры, чипсет, транзисторы блока питания) снабжают теплоотводами, устанавливают дополнительные вентиляторы в системный блок и на винчестеры. Но, оказывается, тепловыделяющими элементами являются и оксидные конденсаторы фильтров питания этих узлов. Отчего это происходит и что надо сделать, чтобы предотвратить их нагрев, рассказывается в статье.

 

 

В микропроцессоре к шине питания подключены миллионы транзисторов цифровых узлов, работающих по заданным программами алгоритмам, с суммарным потреблением мощности, достигающим десятков ватт. В первом приближении их подключения к шине питания являются случайными, поэтому в дальнейшем, для упрощения изложения, будем называть их шумами (Л.3).

Длительность фронта изменения состояния ключей в микропроцессоре не превышает 10–8 с, поэтому, несколько занижая ширину спектра генерируемых шумов (токов), можно определить его верхнюю границу fгр, как более 100 МГц

 

fгр. > 1/tф          (Л.2),

 

а полосу частот — от 0 до более чем 100 МГц. В этом диапазоне сосредоточено 90 % мощности генерируемых шумов. Учитывая случайный (шумоподобный) характер процессов, реально этот диапазон еще шире ( 1). Таким образом, микропроцессоры являются сложными нагрузками для источников питания и генерируют в цепях питания токи широкого спектрального состава (сотни мегагерц) и большой мощности (до 5...20 Вт). Максимальные токи генерируются при 100 %-ной загрузке микропроцессора.

Рассмотрим для примера схему цепи питания ядра микропроцессора (рис.1) в системной плате BE6-II фирмы Abit (она анонсирована как плата для разгона процессоров). Напряжение питания 2,05 В через дроссель L1 и фильтр из трех оксидных конденсаторов C1—C3 емкостью 1500 мкФ подается на выводы питания процессора. Конструктивная емкость См имеет малую собственную индуктивность и поэтому хорошо шунтирует высокочастотные (более 100 МГц) составляющие мощности генерируемых шумов.

 

Рис.1

 

В качестве C1—C3 применены высококачественные гелевые оксидные конденсаторы с предельной рабочей температурой +105 °С, способные рассеивать мощность 0,5…5 Вт. Возможно, это и позволило производителям не обращать внимания на режим их работы.

Измерения показали, что в процессе длительной работы компьютера, в котором установлены два корпусных вентилятора — в блоке питания и дополнительный, процессор Celeron с вентилятором Golden Orb и видеокарта с вентилятором, нагрев корпусов упомянутых конденсаторов доходил до +60…80 °С. При высоких температурах наружного воздуха последовательно вышли из строя два из трех конденсаторов фильтра: вначале произошло механическое разрушение корпуса одного из них, после чего компьютер начал периодически "зависать" во время работы, затем то же самое случилось со вторым конденсатором, и система начала отказывать уже на этапе обработки BIOS. Причина "зависаний" — появление в цепях питания выбросов напряжения, соизмеримых с амплитудой импульсов управляющих сигналов.

 

 

Такие выбросы проникают в цепи управления или данных и нарушают работу процессора и целостность данных.

По температуре корпусов оксидных конденсаторов можно заключить, что они рассеивают мощность около 3…5 Вт. В чем же причины нагрева? Как известно, нагрев оксидного конденсатора определяется мощностью, выделяемой в его объеме, т. е. потерями в диэлектрике и металлических элементах. Потери описываются тангенсом угла потерь:

 

tg dс = Pп/Pc = (Pм + Pд)/P = tg dм + tg dд,

 

где: Pп — мощность потерь, Pc — мощность в конденсаторе (реактивная), Pм — мощность потерь в металле, Рд — мощность потерь в диэлектрике; tg dм и tg dд — тангенс угла потерь для металла и диэлектрика соответственно.

 

Типовое значение tg dс оксидного конденсатора — (1000…2000)×10–4 на частоте 50 Гц. При таких его значениях от 10 до 20 % мощности низкочастотных токов переходят в тепло, а учитывая, что спектр фильтруемых токов (напряжений) простирается до десятков мегагерц и tg dc увеличивается с ростом частоты

 

tg dм = Rп2pfC

 

в тепло переходит более 80% энергии шума, генерируемой процессором и фильтруемой цепями питания.

Как влияет на работу оксидного конденсатора повышение температуры?

Сопротивление изоляции с ростом температуры на 10 °С падает в 1,26…2 раза, а при повышении температуры до предельной +105 °С — в 7…350 раз (минимальные значения соответствуют неорганическим диэлектрикам, а максимальные — органическим). Электрическая прочность конденсатора снижается в три раза при повышении частоты приложенного напряжения в 10 раз (при номинальной мощности потерь) (Л.1).

Все сказанное выше говорит о том, что использовать оксидные конденсаторы в цепях питания процессоров без принятия специальных мер недопустимо. Несоблюдение этого условия приводит к снижению надежности системной платы и может спровоцировать их выход из строя даже в рабочем интервале температур.

Напрашивается простое решение: для предотвращения проникания в оксидные конденсаторы высокочастотных составляющих (вплоть до десятков мегагерц) установить в непосредственной близости от выводов процессора бескорпусный керамический конденсатор емкостью 0,033 мкФ, а в качестве преграды более низкочастотным составляющим (до сотен килогерц) включить керамический конденсатор емкостью 3,3…4,7×мкФ. Из-за малого tg dс таких конденсаторов шунтированная энергия не переходит в тепло. Суммарная реактивная мощность этих конденсаторов 30 ВАр.

Комментарий 2007 года.

Похожая (но только похожая!) схема стала применяться сейчас изготовителями системных плат.

Измененная схема цепи питания процессора показана на рис. 2.

 

Рис.2

 

Доработка была выполнена на данной плате, что привело к снижению температуры корпусов оксидных конденсаторов до +20…30 °С. Плата успешно выдержала испытания в жаркий период лета 2002 г. при температуре воздуха в помещении +40…50 °С. Кроме этого, снизился уровень излучаемых компьютером помех.

Данное решение особенно важно для серверов, как наиболее загруженных устройств, компьютеров работающих со 100% загрузкой (например работающих в системах распределённых вычислений) и даже видеокарт, т.е. везде где при меняются процессоры работающие на предельных нагрузках. Но даже в обычных режимах снижение тепловыделения в системном блоке на 10-25 ватт это то за что сейчас борются все разработчики компьютерной техники.

 


1 Он также зависит от алгоритма управления процессором т.е. то взаимодействия процессор –чипсет - программа. И при  высокой синхронности переключения величина шумовых токов возрастает, а сами они теряют шумоподобный характер.
Литература:
  1.  Дулин В.Н., Жук М.С. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. М, Энергия, 1977 г.
  2. И.С.Гоноровский Радиотехнические цепи и сигналы Ч.1, М, Советское радио, 1967 г.
  3. Henry W. Ott, Noise reduction techniques in electronic system. John Wiley & Sons N-Y, 1976

 

  Яндекс.Метрика

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

/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