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:

Кратковременное голодание и работа мозга 25.11.2025

На фоне роста популярности интервального голодания многие опасаются, что отказ от еды на несколько часов может обернуться снижением концентрации, ухудшением памяти и общим "затуманиванием" сознания. Однако современные исследования позволяют иначе взглянуть на эту тему. Научный обзор, включивший свыше семидесяти независимых экспериментов и более 3,5 тысячи участников, показал: здоровые взрослые, которые не ели от десяти до двенадцати часов, выполняли когнитивные тесты так же качественно, как и те, кто принимал пищу перед испытанием. Память, скорость реакции, логическое мышление и внимание оставались на прежнем уровне, что опровергает распространенный бытовой миф. Доктор Дэвид Моро, профессор психологии из Университета Окленда в Новой Зеландии, подчеркивает, что представления о "головной туманности" во время голода часто оказываются преувеличенными. Он отмечает, что люди склонны связывать чувство голода с низкой энергией, раздражительностью и невозможностью сосредоточиться, хотя че ...>>

Умная розетка TP-Link Tapo P410M 25.11.2025

Компания TP-Link выпустила на рынок новую уличную розетку Tapo P410M. Она получила поддержку универсального стандарта Matter и стала еще одним шагом в сторону единой экосистемы умных устройств. Особенность Tapo P410M заключается в том, что она рассчитана на работу в сложных климатических условиях. Устройство функционирует при температуре от -20 до +50 °C и защищено от дождя, влаги и пыли по стандарту IP54. Благодаря этому розетка безопасно используется на открытом воздухе, будь то внутренний двор, садовая зона или наружное освещение возле дома. Компания TP-Link также акцентировала внимание на удобстве подключения. Розетка поддерживает Wi-Fi 2,4 ГГц и Bluetooth LE, что избавляет от необходимости покупать отдельный хаб. Настройка выполняется через фирменное приложение Tapo или с использованием QR-кода на корпусе, что особенно удобно при установке в труднодоступных местах. После первичной конфигурации управление устройством доступно из приложения или с помощью голосовых помощников A ...>>

Игровой монитор Sony PlayStation Gaming Monitor 24.11.2025

На презентации State of Play компания Sony представила устройство, которое может изменить представления о фирменной экосистеме PlayStation, - свой первый игровой монитор под этим брендом. PlayStation Gaming Monitor, как официально назвали новинку, ориентирован сразу на две аудитории: владельцев консолей и пользователей ПК. Для компьютерных систем, включая macOS, поддерживается частота обновления до 240 Гц с технологией переменной частоты VRR, а для консолей PlayStation 5 и PlayStation 5 Pro частота ограничена 120 Гц, что соответствует архитектуре и возможностям самих приставок. Основу устройства составляет 27-дюймовая IPS-панель с разрешением QHD 2560?1440 пикселей, обеспечивающая высокую четкость и широкий угол обзора. Отдельное внимание продукция заслужила благодаря функции, не встречавшейся ранее в мониторах Sony. В нижней части корпуса находится встроенная выдвижная док-станция для беспроводной зарядки контроллеров DualSense. Такой подход позволяет избавиться от отдельных зар ...>>

Случайная новость из Архива Беспроводная зарядка на расстоянии до 30 см 04.10.2017 Коллектив Pi, образованный выходцами из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology; MIT), представил беспроводную зарядную станцию, которая позволяет заряжать одновременно несколько мобильных устройств. Главное преимущество данной зарядной станции перед другими, использующими стандарт Qi, заключается в отсутствии необходимости устанавливать устройство на конкретное место. Зарядная станция Pi заряжает устройства в радиусе до 30 см, при этом их можно перемещать. Заряжать при помощи данной станции можно будет все новинки, которые поддерживают беспроводную зарядку, включая Samsung Galaxy S8, S8+, Note8, iPhone X, iPhone 8, Mate 9 и другие смартфоны. Но даже если в вашем смартфоне нет такой функциональности, то разработчики выпустят специальный чехол, который позволит пользоваться новой зарядной станцией. Мощность зарядного устройства составляет 10 Вт. Цена устройства составит около 200 долларов, а продажи начнутся в следующем году.

Другие интересные новости:

▪ Набор Nubia Z50S Pro Starlight Imaging Kit

▪ От любви растут нервы

▪ Спин-транзисторы увеличат быстродействие компьютеров в миллион раз

▪ Процессоры AMD A10-7890K и Athlon X4 880K для настольных компьютеров

▪ ASUS Eee Tablet

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Искусство аудио. Подборка статей

▪ статья Конфликт хорошего с лучшим. Крылатое выражение

▪ статья Какое море не имеет берега? Подробный ответ

▪ статья Стилозант стройный. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Широкополосная комнатная активная рамочная антенна. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Самодельная сферическая линза. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025