Инновации

На сайте ГК «Формоза» http://www.formoza.ru/products/motherboards/innovations/ появилась информация об инновации. Они применили танталовые конденсаторы в фильтрах цепей питания процессоров. Такие решения предлагались и раньше, но в результате роста стоимости системной платы от этого решения отказались. Поэтому тогда было принято решение, применять в этих цепях высокотемпературные (рабочая температура +105°С) оксидные конденсаторы с малым ESR (Equivalent Series R esistance). На какое-то время, производители посчитали, что решили проблему. Но прошло время, процессоры стали мощнее, и даже такие конденсаторы начали греться и лопаться. В печати и сети периодически возникают обсуждения низкого качества оксидных конденсаторов, плохих системных плат ПК. В какой-то степени это может иметь место, но не смотря ни на что, само это явление является симптомом проблемы. Применение танталовых конденсаторов, без понимания процессов происходящих в цепях питания, тоже не выход, и в определенной ситуации их применение может даже привести к снижению устойчивости работы ПК.

А эти симптомы подсказывают, что в цепях питания процессора существует помехи широкого спектрального состава, которые и нагревают оксидные конденсаторы фильтров до температур более 105°С.

Так что же происходит в цепях питания процессоров?

Современные процессоры содержат более 55 миллионов транзисторов с временем переключения около 10 -9 сек. Исторически так сложилось, что при изготовлении дискретных вычислительных структур (процессоров), других СБИС памяти и управления, применяемых в ПК за основу были выбраны МОП структуры. Основными элементами их структуры являются ключи с динамической нагрузкой. Для простоты рассмотрим работу КМОП ключа с динамической нагрузкой, и процессы, которые полностью описывают динамику работы рассматриваемых структур и логических элементов на их базе. Они и определяют способность процессора и других СБИС генерировать мощные помехи в цепях питания узлов процессора.

Через инвертор, выполненный по КМОП технологии (рис.1) протекает ток в момент переключения ( I н рис.2), который перезаряжает емкость нагрузки, при этом сквозной ток отсутствует. При переходе в состояние «0» (транзистор Т1 открыт, Т0 закрыт), на активное сопротивление Т1 разряжается емкость нагрузки и энергия этого тока переходит в тепло. А при переходе в состояние «1» (транзистор Т0 открыт, Т1 закрыт), емкость нагрузки заряжается импульсом тока то линии распределения питания и мощность выделившаяся на сопротивлении канала полевого транзистора Т0 переходит в тепло.

; Рис1.

Рис2.

Из рисунка 2 видим, что в момент переключения каждого ключа, в цепях питания существуют импульсы тока. Они суммируются на линиях распределения питания процессора и системной платы, имеющих индуктивность L. Из общеизвестной формулы U = L di/ dt видим ЭДС генерируемой помехи тем выше, чем больше индуктивность и скорость изменения тока. Разработчики процессоров рекомендуют снижать индуктивность линий распределения питания и в свою очередь повышают скорость переключения транзисторов. И не надо обольщаться тем что Cн и токи малы, они суммируются и уже при 25-35 миллионах транзисторов могут достигать значительных величин если не принимать специальных мер.

Эта суммарная составляющая образует напряжения и токи помех, генерируемые конкретным узлом процессора. Практика показывает, что их суммарная мощность может в некоторых случаях превышать 25% мощности потребляемой процессором. А амплитуда может в тех же случаях достигать порога помехоустойчивости, спектральный состав помехи определяется их частотами следования и формой импульсов тока.

Танталовые конденсаторы примененные в инновации ГК «Формоза» вместо оксидных конденсаторов с малым ESR и рабочей температурой 105°С, имеют еще меньшее ESR, что снижает их нагрев и тепловыделение. Но они не могут решить проблему помех, которые остаются и та часть их мощности, что раньше переходила в тепло остается в цепи питания процессора со всеми последующими последствиями.

В чем выражается воздействие этих помех?

Зафиксированы случаи (Л.1), когда помехи приводят к нагреву и разрушению фильтрующих оксидных конденсаторов. Эти конденсаторы автоматически попадают в категорию некачественных, не смотря на то что, они рассеивают мощность помехи, в данном случае, порядка 2-5 Вт на один конденсатор. Расчет показывает, что эти конденсаторы в нормальном режиме при температуре 105°С рассеивают мощность около 1,2 Вт. Простая замена их на аналогичные больших размеров (большей площадью поверхности, а значит и большей рассеиваемой мощностью) позволяет снизить их температуру до 50-60°С и обеспечить безаварийную работу. И не вдаваясь в природу процессов стали считать, что температура фильтрующего оксидного конденсатора на уровне до 50-90°С, это нормально так как она ниже предельной.

Так же зафиксированы «звучащие дросселя» (Л.2) и колебания среднего напряжения на ядре в пределах 0,01- 0,04 вольт у процессора с не совсем удачной, с точки зрения генерации помех, архитектурой ядра « Barton». Я думаю не надо рассчитывать при каких импульсных, токах сердечник дросселя начнет насыщаться. И если читатели забыли или не знают, что ферритовые сердечники, работающие в импульсном режиме с выходом на уровни напряженности магнитного поля характерные для насыщения, всегда звучат. Звучат они как из-за явления магнитострикции, так и по причине механической вибрации витков катушки в вытесненном из магнитопровода, при его насыщении, магнитном поле.

«Одной из отличительных особенностей последних моделей системных плат ABIT – IC7- MAX3 стало использование в них уникальной системы охлаждения OTES (Outside Thermal Exhaust System). Система эта предназначена для охлаждения компонентов, входящих в схему питания процессора. Соответствующий блок на плате закрыт пластиковым кожухом, идущим к задней стенке платы, где имеется вентилятор, обеспечивающий циркуляцию и выброс нагретого воздуха за пределы корпуса. Система охлаждения OTES, возможности которой явно выходят за рамки требований сегодняшнего дня, может оказаться востребованной после появления в первом квартале будущего года новых процессоров Intel Pentium 4 на ядре Prescott, отличающихся высоким энергопотреблением.». Цитата из (Л.4).

Общее тепловыделение этого процессора составляет 103 Вт, или более 20 Вт мощности генерируемой помехи. Система охлаждения позволяет охлаждать не только микросхемы управления питанием, но и оксидные конденсаторы фильтров.

Наиболее быстродействующие видео ускорители, имеют число транзисторов графического процессора соизмеримое с ЦП ПК, а энергопотребление современных видеопроцессоров и микросхем памяти на уровне 20-50 Вт и соответственно мощностями генерируемых ими помех на уровне 2-10 Вт, что приводит в некоторых случаях к нежелательным явлениям, ухудшающим качество изображения. Подобные явления отмечаются и в других публикациях.

В аудиокартах, не смотря на малое пока число транзисторов аудиопроцессоров и их невысокие тактовые частоты, само наличие в цепях питания помех генерируемых аудиопроцессором является фактором, отрицательно влияющим на характеристики аудиокарт в высокочастотной части звукового диапазона. Это и нелинейные искажения, обусловленные изменением напряжения питания, вызванном генерируемыми аудиопроцессором помехами. И проникновение их в выходные каналы аудиокарт, в результате мы имеем на вроде вполне благополучной конструкции повышенный уровень шумов в сигнале. Имеет место и взаимопроникновение сигналов между каналами по цепям питания.

Современные модули памяти, на максимальных скоростях работы рассеивают около 6 Вт на каждую сотню Мбайт емкости памяти. И соответственно генерируют до 3 Вт мощности помехи с той же емкости.

Все описанные в начале статьи явления распространяются и на эти устройства.

К чему приводят, кроме описанных выше, явлений эти помехи?

Они нагревают внутреннюю структуру собственно источника, СБИС процессора, контроллера, памяти. Нагрев происходит за счет УВЧ потерь в диэлектрике чипа и линий распределения питания в чипе.

Увеличивают тепловыделение на материнской плате за счет потерь в диэлектрике самой платы, фильтрующих элементов, потерь на линиях распределения питания и в ферромагнитных материалах дросселей.

Увеличивают излучаемую, во внутренний объем системного блока, ВЧ мощность. На частотах длинна волны, которых кратна линейным размерам линий распределения питания. И соответственно уровни наведенных помех на другие цепи через паразитные емкости связи.

При уровнях помех приближающихся к уровню помехоустойчивости кристалла вызывают ложные переключения, что приводит к потере обрабатываемой информации, а на уровнях несколько меньше порога помехоустойчивости в определенных случаях могут приводить к увеличению времени переключения.

Все выше перечисленное вынуждает ужесточать требования разработчиков процессоров при проектировании системных плат и применять более дорогие детали и материалы.

Решить эту проблему и подавить генерируемые процессором в цепях питания помехи, имеющие широкий спектральный диапазон и большую мощность могут только многозвенные широкополосные фильтры, описанные в патенте России №2231899 от 27 июня 2004 года.

Литература:

• Особенности применения оксидных конденсаторов в цепях питания микропроцессоров, А.Д. Сорокин, РАДИО, №1, 2003г.
• Жемчужина low- end (Материнская плата EliteGroup N2 U400- A), Д.Горностаев, Upgrade №8 (150) март 2004 г.
• Патент России № 2231899, А.Д. Сорокин, 27.06.2004 г.
• Обзор фирменных технологий производителей материнских плат. Часть первая Виктор Куц 04.11.2003http://www.ferra.ru/online/system/25342/
• Микросхемотехника, А.Г. Алексенко, И.И. Шагурин, М., Радио и связь, 1982 г.

Можно сказать, что в данном случае, емкость нагрузки даже играет положительную роль. Ее наличие предотвращает сквозной ток в точке, где оба транзистора уже открыты путем кратковременного поддержания на истоке Т0 высокого запирающего (для него) потенциала конденсатора Cн.