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:

Рыжий ген и ускоренная эволюция 30.04.2026

Вопрос о том, как и насколько быстро меняется человеческий вид, давно занимает биологов и генетиков. Долгое время считалось, что эволюционные процессы происходят крайне медленно, однако новые данные заставляют пересматривать эти представления. Особенно интересные результаты связаны с изменением частоты редких генетических признаков, включая рыжий цвет волос. Рыжеволосость сегодня остается редкой чертой: ее носители составляют менее 2 процентов мирового населения. Однако анализ древней и современной ДНК показывает, что ген, связанный с этим признаком, за последние примерно 10 тысяч лет стал заметно более распространенным, особенно среди популяций Европы. Более того, вместе с ним исследователи фиксируют и другие изменения в генетическом профиле человека, затрагивающие внешность и физиологические особенности. Среди сопутствующих тенденций, выявленных в генетических данных, отмечается увеличение частоты светлой кожи, снижение вероятности мужского облысения, а также некоторые физиолог ...>>

Нейтринный лазер 30.04.2026

Нейтринный лазер - это гипотетическое устройство, способное управлять потоками одних из самых трудноуловимых частиц во Вселенной. Такая разработка открывает новые горизонты в изучении фундаментальных законов природы и может изменить представления о космосе. Идею нового типа излучателя представили физики из Massachusetts Institute of Technology, предложив лазер, который вместо света генерирует поток нейтрино. Эти частицы, почти не взаимодействующие с материей, настолько слабо проявляют себя, что их часто называют "частицами-призраками". Тем не менее они пронизывают все вокруг: по оценкам, триллионы нейтрино ежесекундно проходят через человеческое тело, не оставляя следа. Несмотря на их колоссальную распространенность во Вселенной, нейтрино остаются одними из наименее изученных частиц. Их крайне сложно регистрировать, а еще сложнее контролировать, поэтому традиционно их получают в крупных установках вроде ядерных реакторов или ускорителей частиц. Такие комплексы требуют огромных за ...>>

Мороженое не такое вредное, как принято считать 29.04.2026

В питании часто встречаются продукты, которые одновременно вызывают удовольствие и сомнения с точки зрения здоровья. К таким относится и мороженое: оно воспринимается как типичный десерт с высоким содержанием сахара и жиров, однако современные научные данные постепенно усложняют это привычное представление. Долгое время считалось, что мороженое не может быть частью рационального питания, однако исследования последних лет показывают более неоднозначную картину. Ученые подчеркивают, что влияние этого продукта на организм зависит не только от его сладости или калорийности, но и от состава, качества ингредиентов и общего образа жизни человека. Одни из наиболее масштабных данных были получены в рамках долгосрочных наблюдений в США, включавших проекты Nurses Health Study, Nurses Health Study II и Health Professionals Follow-Up Study. В этих исследованиях на протяжении 20-40 лет наблюдали примерно 190 тысяч взрослых участников, регулярно собирая данные об их питании, физической активнос ...>>

Случайная новость из Архива Модель протуберанца 03.08.2000 В отделе прикладной физики Калифорнийского технологического института (США) реализована модель солнечных протуберанцев. Протуберанцы представляют собой плазму - раскаленный газ из свободных электронов и положительных ионов. Долгое время было неизвестно, почему эти выбросы солнечной атмосферы принимают такие разнообразные формы. Сейчас считается, что форма, размер и скорость протуберанцев (а они иногда долетают до Земли) определяются взаимодействием магнитных полей и электрических токов в проводящей плазме. Физики смоделировали процесс развития протуберанца, пропуская через плазму в вакуумной камере ток напряжением около 6000 вольт и силой до 60 килоампер, прилагая одновременно магнитное поле, в несколько тысяч раз более интенсивное, чем магнитное поле Земли.

Другие интересные новости:

▪ Римская лошадь в Германии

▪ Лазерная связь в космосе

▪ Разработан чип, выдерживающий космический холод

▪ Бюджетные нетбуки HP

▪ Секрет крепких зубов бобра

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Искусство видео. Подборка статей

▪ статья Правила поведения и действия населения на территории, подверженной радиоактивному заражению. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ статья Почему из Бриллиантовой руки удалили сцену с ядерным взрывом? Подробный ответ

▪ статья Слесарь по эксплуатации и ремонту подземных газопроводов. Должностная инструкция

▪ статья Усилитель класса ЭА (Super A, Non switching). Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Схема, распиновка (распайка) кабеля Samsung A800 + распиновка. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

[an error occurred while processing this directive] Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026