Особенности применения оксидных конденсаторов в цепях питания микропроцессоров

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Компьютеры

 Комментарии к статье

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 микропропроцессоре к шине питания подключены миллионы транзисторов цифровых узлов, работающих по заданным программами алгоритмам, с суммарным потреблением мощности, достигающим нескольких десятков ватт. В первом приближении их подключения к шине питания являются случайными, поэтому в дальнейшем, для упрощения изложения, будем называть их шумами [1].

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 frp, как более 100 МГц (frp > 1/τф [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.

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 С1-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.

В качестве С1- C3 применены высококачественные гелевые оксидные конденсаторы с предельной рабочей температурой +105 °С, способные рассейвать 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 δс = Рп/Р = (Рм + Рд)/Р = tg δМ + tg δД, где Рп - мощность потерь; Рм - мощность потерь в металле; Рд - мощность потерь в диэлектрике; tg δМ и tg δД - тангенс угла потерь для металла и диэлектрика соответственно. Типовое значение tg δС 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 δС увеличивается с ростом частоты (tg δМ = Rп2πfС), 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) [3].

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 низкочастотным составляющим (до сотен килогерц) включить керамический конденсатор емкостью 3,3...4,7 мкФ. Из-за малого tg δС таких конденсаторов шунтированная энергия не переходит в тепло. Суммарная реактивная мощность этих конденсаторов - 30 ВАр.

Измененная схема цепи питания ядра микропроцессора показана на 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 того, снизился уровень излучаемых компьютером помех.

Подобной доработке целесообразно подвергнуть системные платы компьютеров, используемых в качестве серверов, других компьютеров, работающих со 100 %-ной нагрузкой (например, в системах распределенных вычислений), а также видеокарты, т. е. все узлы, в которых процессоры работают с предельной нагрузкой. Полезна она и в компьютерах, используемых не столь интенсивно: снижение тепловыделения в системном блоке на 10...25 Вт благоприятно скажется на надежности работы системы.

Литература

1. Ott Henry W. Noise reduction techniques in electronic system. - John Wiley & Sons, N-Y 1976.
2. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. 4.1. - М.: Советское радио, 1967.
3. Дулин В. Ж., Жук М. С. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. - М.: Энергия, 1977.

Автор: А.Сорокин, г.Радужный Владимирской обл.

Смотрите другие статьи раздела Компьютеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Искусственная кожа для эмуляции прикосновений 15.04.2024

В мире современных технологий, где удаленность становится все более обыденной, сохранение связи и чувства близости играют важную роль. Недавние разработки немецких ученых из Саарского университета в области искусственной кожи представляют новую эру в виртуальных взаимодействиях. Немецкие исследователи из Саарского университета разработали ультратонкие пленки, которые могут передавать ощущение прикосновения на расстоянии. Эта передовая технология предоставляет новые возможности для виртуального общения, особенно для тех, кто оказался вдали от своих близких. Ультратонкие пленки, разработанные исследователями, толщиной всего 50 микрометров, могут быть интегрированы в текстильные изделия и носиться как вторая кожа. Эти пленки действуют как датчики, распознающие тактильные сигналы от мамы или папы, и как исполнительные механизмы, передающие эти движения ребенку. Прикосновения родителей к ткани активируют датчики, которые реагируют на давление и деформируют ультратонкую пленку. Эта ...>>

Кошачий унитаз Petgugu Global 15.04.2024

Забота о домашних животных часто может быть вызовом, особенно когда речь заходит о поддержании чистоты в доме. Представлено новое интересное решение стартапа Petgugu Global, которое облегчит жизнь владельцам кошек и поможет им держать свой дом в идеальной чистоте и порядке. Стартап Petgugu Global представил уникальный кошачий унитаз, способный автоматически смывать фекалии, обеспечивая чистоту и свежесть в вашем доме. Это инновационное устройство оснащено различными умными датчиками, которые следят за активностью вашего питомца в туалете и активируются для автоматической очистки после его использования. Устройство подключается к канализационной системе и обеспечивает эффективное удаление отходов без необходимости вмешательства со стороны владельца. Кроме того, унитаз имеет большой объем смываемого хранилища, что делает его идеальным для домашних, где живут несколько кошек. Кошачий унитаз Petgugu разработан для использования с водорастворимыми наполнителями и предлагает ряд доп ...>>

Привлекательность заботливых мужчин 14.04.2024

Стереотип о том, что женщины предпочитают "плохих парней", долгое время был широко распространен. Однако, недавние исследования, проведенные британскими учеными из Университета Монаша, предлагают новый взгляд на этот вопрос. Они рассмотрели, как женщины реагируют на эмоциональную ответственность и готовность помогать другим у мужчин. Результаты исследования могут изменить наше представление о том, что делает мужчин привлекательными в глазах женщин. Исследование, проведенное учеными из Университета Монаша, приводит к новым выводам о привлекательности мужчин для женщин. В рамках эксперимента женщинам показывали фотографии мужчин с краткими историями о их поведении в различных ситуациях, включая их реакцию на столкновение с бездомным человеком. Некоторые из мужчин игнорировали бездомного, в то время как другие оказывали ему помощь, например, покупая еду. Исследование показало, что мужчины, проявляющие сочувствие и доброту, оказались более привлекательными для женщин по сравнению с т ...>>

Случайная новость из Архива Трехмерная сканирующая система 10.04.2013 Специалисты из шотландского Heriot-Watt University создали оригинальную сканирующую систему, которая позволяет создать объемную модель объекта, находящегося на расстоянии почти 1 км. Речь идет не о стереоснимке, а именно о трехмерной, объемной, модели высокого разрешения, которую можно "покрутить" и рассмотреть с разных сторон. До сих пор сделать такую модель можно было только после съемки объекта с различных ракурсов, но новая технология time-of-flight (ToF) позволяет сделать это с большого расстояния и фактически из одной точки. Технология ToF в настоящее время широко используется для машинного зрения. В Heriot-Watt University ее творчески переработали и создали "дальнобойный" аппарат для объемного фотографирования. Суть технологии в следующем: маломощный инфракрасный лазерный луч быстро сканирует объект, пиксель за пикселем регистрируя время полета фотонов туда/обратно. Система имеет разрешение в считанные миллиметры, поскольку оснащена сенсором, способным улавливать отдельные фотоны. Новый сканер особенно хорош, если нужно обнаружить объекты, скрытые за каким-либо "хаотическим нагромождением" предметов, например, листвой деревьев. Тем не менее, пока он не может сделать детальный снимок человеческого лица - на снимках оно выглядит темным пятном. Это из-за того, что на длинных волнах человеческое лицо не отражает достаточно большое число фотонов. Тем не менее, отражательная способность кожи может меняться при различных обстоятельствах, например, можно отличить сухую кожу от вспотевшей. Также новый сканер легко отличает манекен от живого человека. В настоящее время разработчики планируют увеличить быстродействие сканирующей системы: пока что снимок высокого разрешения можно получить лишь за 5-6 минут, хотя теоретически это можно сделать всего за несколько секунд. Существующая задержка связана со слишком медленной обработкой изображения на компьютере. Планируется использовать быстродействующие твердотельные диски (SSD) и более мощный компьютер. По расчетам исследователей, это сократит время обработки изображения до 1 минуты. В долгосрочной перспективе будут применяться специализированные процессоры, которые справятся с задачей еще быстрее. Кроме того, разработчики планируют увеличить дальность сканирования до 10 км и уменьшить габариты устройства.

Другие интересные новости:

▪ У одиноких людей мозг работает иначе

▪ Солнечно-ветряная электростанция станет самым высоким сооружением в Америке

▪ Коммутаторы Qnap Systems QSW-2104

▪ Новый метод диагностики тревожных расстройств

▪ Лунный радиотелескоп

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Видеотехника. Подборка статей

▪ статья Деньги - нерв войны. Крылатое выражение

▪ статья Кто такой гриф? Подробный ответ

▪ статья Ананас. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Усилитель на микросхеме TDA1514, 40 ватт. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Самоупорядочивающаяся колода. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

All languages of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте

www.diagram.com.ua
2000-2024