Как были обнаружены помехи генерируемые процессором

в разделе "Процессор и .." на сайте

www.electrosad.ru

Раньше, во время работы с компьютерами, я конечно обращал внимание на повышенную температуру оксидных конденсаторов, но относил это на нагрев их нагретым воздухом от процессора. Практически всегда их температура на 20-40 град. выше температуры воздуха в системном блоке (СБ). На этот же счет относил применение оксидных конденсаторов с рабочей температурой 105 град. С.

Прошло время, печати и Internet появилось множество сообщений о разрушении оксидных конденсаторов (ОК) фильтра. Это сразу же свалили на некачественные конденсаторы нескольких фирм на Тайване. Была даже публикация об утечке умышленно искаженной информации о технологии. Сразу появились новые конструкции оксидных конденсаторов, как работающих при температурах 165 град.С так и другие (OSCON) имеющие сверх малые ESR - эквивалентное сопротивление потерь. Однако до сиз пор встречаются сообщения в форумах о перегреве и разрушении ОК. Пишут о системных платах известных и проверенных производителей.

При работе с системной платой фирмы Abit  модель BE6-II, процессор Celeron 500 (старший в линейке 300 - 500) я столкнулся с подобным явлением. В Internet пошел поток подобных сообщений. Не стоит сюда помещать фото с тем как они выглядели, но поверьте грязи было достаточно.

BE6-II

Переходник Slot1 - PPGA

Переходник Slot1 - PPGA c процессором Celeron 500

Признаки были такие: сначала через несколько часов работы начал зависать компьютер,  постепенно время работы сокращалось до нескольких минут. Ив конце концов он стал вставать сразу после включения. В связи с хроническим отсутствием зеленых пришлось разбираться. И оказалось, что проблема не нова с ней сталкивались уже в самом начале развития цифровой техники. Подробнее смотрите *******

Не смотря на существующее мнение, не считаю системную плату Abit BE6-II неудачной. Она анонсировалась как плата с чипсетом  Intel 440BX (82443BX и 82371EB) сравнимая по характеристикам с более новыми моделями чипсетов. И успешно справляется со всеми своими заявленными функциями. Считаю, что Abit прост не учли, применения переходников Slot1 - PPGA. Тот экземпляр, что был у меня проработал в общей сложности больше 5 лет, да и сейчас наверно работает.

Результат.

Лопнули и вытекли 2 из 3 ОК фирмы Jackcon 105 град. емкостью 2200 мкФ на рабочее напряжение 6,3 В с низким ESR. После их замены на аналогичные было обнаружено, что вновь установленные ОК аналогичные исходным нагреваются в открытом системном блоке до 90 град.С. После замены ОК на аналогичные но большего размера температура снизилась до 50 град.С. Ни о каких специальных (OSCON) ОК речь вообще не шла, поскольку это было в в конце 1998 года.

Применяемые Abit ОК имеют габариты (площадь поверхности) позволяющие ему рассеивать за счет естественной конвекции 1-4 Вт при температуре 105 град. С. Применение ОК больших размеров позволило пропорционально снизить рабочую температуру. Можно рекомендовать так же применение ОК на более высокое напряжение, это позволит повысить надежность их работы при высоких температурах в корпусе СБ.

В чем причина?

После проведенного анализа структуры процессора, конструкции выяснилось:

1. Процессор генерирует высокочастотные помехи с частотами много выше рабочей частоты ОК.
2. В связи с применением переходника Slot 1 - PPGA увеличилась индуктивность линии распределения питания процессора, что и увеличило генерируемую процессором мощность.
3. Величина этой мощности исходя из измерений температуры составила около 5 Вт, это 25 процентов от мощности потребляемой процессором.

Выход.

1. Частично подобная проблема решается просто заменой ОК на большие (площадь поверхности в 2 раза больше).
2. Более качественное решение описано в журнале РАДИО , 2002г., №1, Особенности применения ОК в цепях питания микропроцессоров, А.Сорокин.
3. Полное решение проблемы может быть выполнено согласно Патента РОССИИ № 2231899, автор Сорокин А.Д.

Внешние проявление помех генерируемых процессором

Помехи генерируемые процессором, ввиду своей природы, как показано в *****, могут иметь максимальную мощность до 25 процентов от потребляемой мощности и полосу частот определяемую тактовыми частотами узлов процессора.

Поэтому все внешние проявления помех будут полностью определяться этими параметрами.

Выше уже описано воздействие на ОК фильтров, выражающееся в их нагреве. Причем это воздействие существует на всех моделях процессоров и системных плат в большей или меньшей степени даже при применении OSCON ОК. Именно поэтому сейчас разработаны и уже применяются оксидные танталовые конденсаторы с рабочей температурой 125 град.С, а на адресе  http://dataweek.co.za/  появилась информация "150°C barrier for SMD electrolytic capacitors" об SMD ОК с рабочими температурами 150 град.С и предельной 175 град.

В журнале Upgrade №8 (150) март 2004 г. помещен материал  "Жемчужина low-end" Д.Горностаева,  где описаны «звучащие дросселя» и колебания среднего напряжения на источнике питания ядра в пределах 0,01- 0,04 в у процессора с не совсем удачной, с точки зрения генерации помех, архитектурой ядра «Barton». И эти напряжения то же на конденсаторах фильтра после фильтрующего дросселя. Я думаю не надо рассчитывать при каких импульсных, токах сердечник дросселя начнет насыщаться. И если читатели забыли или не знают, что ферритовые сердечники, работающие с выходом на уровни напряженности магнитного поля характерные для насыщения, всегда звучат. Звучат они так из-за явления магнитострикции, так и по причине механической вибрации витков катушки в вытесненном из магнитопровода, при насыщении, магнитном поле. Эффект проявляется при величина мощности помехи на дросселе порядка 10 Вт.

Некоторые новые тенденции в проектировании системных плат

Учитывая "сложность" борьбы с нагревом накопительных дросселей, ОК и MOSFET коммутаторов в том числе и помехами генерируемых процессором производители наиболее крутых СП, не нашли ничего лучшего как создать дополнительные системы охлаждения выше перечисленных узлов. Примером могут быть Abit  системная плата IC7-MAX3 с системы охлаждения OTES (Outside Thermal Exhaust System) слева и фатальная Abit Fatal1ty AA8XE  справа внизу.

Другие свидетельства

Периодически в прессе и Internet возникают обсуждения некачественных блоков питания (БП) компьютеров, причем для примера некачественных БП приводятся блоки у которых отсутствуют некоторые детали. Например на http://bp.xsp.ru/ в материале "О правильном «питании»" Вячеслава Овсянникова рассматривает влияние различных схем входных фильтров БП и их отсутствие на качество выходного напряжения и демонстрирует осциллограммы выходных напряжений. Они подобны рассмотренным в следующей публикации.

Материал "Power Supply на  http://www.overclockers.ru/lab/15731.shtml автор под псевдонимом Serj рассматривает ту же проблему и приводит показанные внизу осциллограммы напряжения питания процессора, снятые при исполнении различных программ и игр. Он применял осциллограф с максимальной частотой 5 МГц, но и тут видим, на 2,3,4 и 5осциллограмме присутствуют частоты много выше предельных, а напряжения помехи в 6 раз превышает пульсации инвертора. И так должно быть ведь работал процессор AMD Athlon 1800 MHz, модель 680 Thoroughbred, напряжение 1.75V с частотой FSB 133 МГц и тактовой частотой ядра процессора 1533 МГц .

Во времена Spectrum и Z80 я наблюдал подобные характеристики и на нем.

На данное явление необходимо обратить особое внимание Оверклокерам, поскольку при подъеме напряжения питания процессора на 20% , из-за взаимного влияния нескольких факторов помехи могут возрасти в разы и приведут к сбоям процессора. Порог помехоустойчивости современных процессоров порядка 0,3Е_пит или порядка 0,5 В для процессора AMD Athlon 1800 MHz.

Дополнение от 11.06.2009.

Свидетельства Intel

Не смотря на то что 24508501.pdf датирован 1999 годом, я смог добраться до него только в этом году, с помощью статьи Ярослава Малова "О ПРИМЕНЕНИИ КЕРАМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ В ЦЕПЯХ ПИТАНИЯ НА СИСТЕМНЫХ (МАТЕРИНСКИХ) КОМПЬЮТЕРНЫХ ПЛАТАХ". В 1999 году поиск их не находил.

Intel описывает в "Pentium® III Processor Power Distribution Guidelines Application Note"  (24508501.pdf на сервере Intel) параметры наблюдавшиеся на процессоре Pentium III, имеющим соединительную панель SC242, помех.

Может быть Вы помните, соединительная панель SC242 похожа по конструкции на переходник Slot1 - PPGA. Это примерно таких же размеров панель. Такая конструкция имеет большие индуктивности линий распределения питания, это, как уже говорилось выше, способствует генерации помех.

• "перепады тока со скоростью изменения в 1 А/нс, которые имеются при использовании процессора Pentium-III" (стр. 9)

1. "перепады тока потребления процессора занимают от 1 до 20 нс" (стр.19)

• "Для Pentium-III перепады тока, вызванные изменением нагрузки, могут быть 15,3 А или выше. Это не только быстрые изменения потребляемого тока, но и длительные периоды среднего потребляемого тока. Даже при выполнении обычных операций потребление тока может меняться на 7 А или более из-за смены активных уровней внутри процессорных узлов" (стр.19)

В "VRM 8.5 DC–DC Converter Design Guidelines" (24965902.pdf на сервере Intel) описывается полоса частот выходного напряжения DC-DC конвертера, как:

«Выходные пульсации и шумы определены как периодический или случайный сигнал в диапазоне частот до 20 МГц на выходе источника питания  (на эквиваленте нагрузки) »  (стр. 14)

У Pentium III (тех. процесс 250 нм) время переключения порядка 200  - 250 нс, а сейчас оно более чем на порядок выше. Соответственно выше и генерируемые помехи даже на меньших индуктивностях.

  Материал подготовил А.Сорокин,

2001 - 2003, 2009 год

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

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

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