Caratteristiche dell'uso dei condensatori di ossido nei circuiti di alimentazione dei microprocessori

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Компьютеры

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Per aumentare l'affidabilità del funzionamento del computer, i componenti altamente riscaldati (processori, chipset, transistor di alimentazione) sono dotati di dissipatori di calore e ventole aggiuntive sono installate nell'unità di sistema e sui dischi rigidi. Ma si scopre che gli elementi generatori di carburante sono anche i condensatori di ossido dei filtri di potenza di queste unità. Perché ciò accade e cosa è necessario fare per evitare che si surriscaldino è descritto nell'articolo.

In un microprocessore, milioni di transistor di nodi digitali sono collegati al bus di alimentazione, funzionando secondo algoritmi specificati dai programmi, con un consumo energetico totale che raggiunge diverse decine di watt. In prima approssimazione, le loro connessioni al bus di potenza sono casuali, quindi in futuro, per semplificare la presentazione, le chiameremo rumore [1].

La durata del fronte del cambiamento di stato dei tasti nel microprocessore non supera i 10-8 s, pertanto, riducendo leggermente l'ampiezza dello spettro del rumore generato (correnti), possiamo determinarne il limite superiore frp come più di 100 MHz (frp > 1/τph [2]), e le frequenze della larghezza di banda - da 0 a più di 100 MHz. In questo intervallo si concentra il 90% della potenza sonora generata. Considerando la natura casuale (simile al rumore) dei processi, questo intervallo è in realtà ancora più ampio.

Pertanto, i microprocessori sono carichi complessi per gli alimentatori e generano correnti con un'ampia composizione spettrale (centinaia di megahertz) e alta potenza (fino a 5...20 W) nei circuiti di potenza. Le correnti massime vengono generate al 100% del carico del microprocessore.

Consideriamo, ad esempio, lo schema del circuito di alimentazione del core del microprocessore (Fig. 1) nella scheda madre BE6-II di Abit (è stata annunciata come scheda per l'overclocking dei processori).

Una tensione di alimentazione di 2,05 V viene fornita ai pin di alimentazione del processore attraverso l'induttore L1 e un filtro di tre condensatori di ossido C1-C3 con una capacità di 1500 μF. La capacità di progetto Cm ha una bassa autoinduttanza e quindi devia bene i componenti di potenza ad alta frequenza (più di 100 MHz) del rumore generato.

Come C1-C3 vengono utilizzati condensatori all'ossido di gel di alta qualità con una temperatura operativa massima di +105 °C, in grado di dissipare una potenza di 0,5...5 W. Forse questo ha permesso ai produttori di non prestare attenzione alla loro modalità operativa.

Le misurazioni hanno mostrato che durante il funzionamento a lungo termine di un computer in cui erano installate due ventole del case (nell'alimentatore e una aggiuntiva), un processore Celeron con ventola Golden Orb e una scheda video con ventola, il riscaldamento dei case dei condensatori menzionati hanno raggiunto +60...80 °C. A temperature esterne elevate, due dei tre condensatori del filtro si sono guastati in sequenza: in primo luogo, l'alloggiamento di uno di essi è stato distrutto meccanicamente, dopodiché il computer ha iniziato a "congelarsi" periodicamente durante il funzionamento, quindi la stessa cosa è accaduta con il secondo condensatore e il il sistema ha iniziato a fallire già nella fase di elaborazione del BIOS. Il motivo dei "blocchi" è la comparsa di picchi di tensione nei circuiti di alimentazione, commisurati all'ampiezza degli impulsi del segnale di controllo. Questi picchi penetrano nei circuiti di controllo o di dati e compromettono il funzionamento del processore e l'integrità dei dati.

In base alla temperatura dell'involucro dei condensatori all'ossido si può concludere che essi dissipano una potenza di circa 3...5 W. Quali sono le cause del riscaldamento? Come è noto, il riscaldamento di un condensatore ad ossido è determinato dalla potenza rilasciata nel suo volume, cioè dalle perdite negli elementi dielettrici e metallici. Le perdite sono descritte dalla tangente dell'angolo di perdita: tan δс = Рп/Р = (Рм + Рд)/Р = tan δМ + tan δД, dove Рп - potenza di perdita; Рм - perdita di potenza nel metallo; Рд - perdite di potenza nel dielettrico; tan δM e tan δD sono rispettivamente la tangente di perdita per il metallo e il dielettrico. Il valore tipico di tg δС di un condensatore all'ossido è (1000...2000)-10-4 ad una frequenza di 50 Hz. Con questi valori, dal 10 al 20% della potenza delle correnti a bassa frequenza si trasforma in calore, e dato che lo spettro delle correnti (tensioni) filtrate si estende fino a decine di megahertz e tan δС aumenta con l'aumentare della frequenza (tan δМ = Rп2πfС) , oltre l'80% si trasforma in energia termica-rumore generata dal processore e filtrata dai circuiti di alimentazione.

In che modo un aumento della temperatura influisce sul funzionamento di un condensatore di ossido?

La resistenza di isolamento diminuisce di 10...1,26 volte con un aumento della temperatura di 2 °C e di 105...7 volte con un aumento della temperatura fino al massimo +350 °C (i valori minimi corrispondono a dielettrici inorganici, e il massimo a organico). La resistenza elettrica del condensatore diminuisce di tre volte quando la frequenza della tensione applicata aumenta di 10 volte (alle perdite di potenza nominali) [3].

Tutto quanto sopra suggerisce che l'uso di condensatori all'ossido nei circuiti di alimentazione del processore senza adottare misure speciali è inaccettabile. Il mancato rispetto di questa condizione porta ad una diminuzione dell'affidabilità della scheda madre e può causarne il guasto anche nell'intervallo di temperature operative.

Si suggerisce una soluzione semplice: per impedire la penetrazione di componenti ad alta frequenza (fino a decine di megahertz) nei condensatori all'ossido, installare un condensatore ceramico a telaio aperto con una capacità di 0,033 μF nelle immediate vicinanze dei terminali del processore e , come barriera per i componenti a bassa frequenza (fino a centinaia di kilohertz), includono un condensatore ceramico con una capacità di 3,3 ...4,7 µF. A causa della piccola tg δС di tali condensatori, l'energia deviata non si trasforma in calore. La potenza reattiva totale di questi condensatori è di 30 VAr.

Lo schema modificato del circuito di potenza del nucleo del microprocessore è mostrato in fig. 2.

Su questa scheda è stata effettuata la modifica che ha portato ad una diminuzione della temperatura delle custodie dei condensatori all'ossido a +20...30°C. La scheda ha superato con successo i test nella calda estate del 2002 ad una temperatura ambiente di +40...50 °C. Inoltre, il livello di interferenza emesso dal computer è diminuito.

Si consiglia di apportare modifiche simili alle schede madri dei computer utilizzati come server, altri computer che funzionano al 100% del carico (ad esempio, nei sistemi informatici distribuiti), nonché alle schede video, cioè a tutti i nodi in cui i processori funzionano al massimo carico . È utile anche nei computer che non vengono utilizzati così intensamente: ridurre la generazione di calore nell'unità di sistema di 10...25 W avrà un effetto benefico sull'affidabilità del sistema.

Letteratura

1. Ott Henry W. Tecniche di riduzione del rumore nei sistemi elettronici. -John Wiley & Figli, New York 1976.
2. Gonorovsky I. S. Circuiti e segnali di ingegneria radiofonica. 4.1. - M.: Radio sovietica, 1967.
3. Dulin V. Zh., Zhuk M. S. Manuale sugli elementi dei dispositivi radioelettronici. - M.: Energia, 1977.

Autore: A.Sorokin, Raduzhny, regione di Vladimir

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