Схема питания процессора

в разделе "Статьи" на сайте

www.electrosad.ru

Задача питания современных процессоров сложна уже потому, что им требуется до 130 Вт, при токах нагрузки до 80 ампер. Это не простая задача не только для источника питания, но для линий подачи питания. Поскольку при напряжении питания 1,65 - 1,5 В, потеря на проводах, разъемах, пайках хотя бы 0,3 В приводит не только к их разогреву, но и нестабильности напряжения, поскольку потребляемый процессором ток меняется в зависимости от его загрузки.

Для решения этой проблемы существовало простое и оригинальное решение - это получение нужного напряжения в непосредственной на системной плате от преобразователя напряжения с индуктивным накопительным элементом (инвертора). Кроме способности формировать необходимые напряжения, простого его регулирования данное устройство имеет высокий КПД. Из последнего вытекает способность потреблять от блока питания компьютера меньший ток чем отдается в нагрузку.

Из соотношения

P_бп = P_проц/КПД 

следует

I_бп = 1/КПД х А х I_проц

Здесь А = U_проц /U _бп  для U_проц = 1,65 В и U_бп = 5 В имеем А =0,33.

При КПД равном 85% (минимальный 75%) ток потребляемый от БП (блока питания) компьютера составляет I_проц = 50 А. Этот ток меньше потребляемого процессором почти в 2 раза.

У такой схемы был один недостаток мощность такого инвертора при малых габаритах не превышает 30 Вт. Но был найден выход, он заключался в параллельном включении нескольких синхронно работающих инверторов, они работают со сдвигом по времени равным T*N=1/F. T - период следования одного инвертора, а N - число инверторов, F-частота коммутации.

Такая схема названа многофазной.

Количество фаз определяется количеством параллельно включенных на одну нагрузку (процессор, память, северный мост) инверторов. Это в свою очередь позволяет увеличить ток в нагрузке при сохранении номинального тока каждого инвертора или уменьшить ток каждого инвертора.
В разные времена применялись инверторы имеющие от трех фаз до (теперь) 8-12 фаз. Причем на системной плате ASUS Maximus Formula  при снижении потребляемого тока инвертор переходит из 8 фазного в 4 фазный режим.
Применение многофазных инверторов вызвано токами в цепи питания некоторых процессоров, достигшими 100А. 

8-12 фазные инверторы позволяют при меньшем рабочем токе каждого инвертора (и соответственно облегченном тепловом режиме силовых ключей) получить больший суммарный выходной ток, снизить пульсации выходного напряжения при той же емкости фильтрующих конденсаторов фильтра. Облегчение теплового режима позволяет выполнить инвертор в интегральном исполнении.
Кроме того меньшая мощность, приходящаяся на каждую фазу инвертора, позволяет разгрузить накопительную индуктивность L1. Это уменьшение ее нагрева.
 

Схема инвертора.

С ростом числа фаз наблюдается и рост времени ожидания каждого инвертора. Это как уже говорилось выше благотворно сказывается на стабильности питающего напряжения процессора. Если не вдаваться в формулы и графики, это можно объяснить так:
 - спад тока на вершине импульса тока инвертора (а значит и его стабильность) определяется обычно техническими условиями на него от 0,1 до 0,01 от номинала. Причем чем меньше спад тока, тем больше необходима индуктивность накопительного дросселя L1.
Но эту индуктивность нельзя делать очень большой.
Первая причина в том, что за время равное (T*N= 1/F, где N - число фаз, F - частота коммутации) эта индуктивность должна успеть накопить необходимую энергию.
Вторая причина в том, что чем больше величина накопительной индуктивности (НИ) инвертора - L1 тем больше сопутствующая ей индуктивность рассеяния этой НИ. А индуктивность рассеяния определяет величину выброса на фронте импульса. Чем она больше тем больше и амплитуда выброса. Индуктивность рассеяния минимизируется, но она есть, как есть и выбросы.
При увеличении N, за отведенное  время (T*N), большая накопительная индуктивность L1 успеет запасти необходимую энергию. Это значит спад тока нагрузки на вершине будет меньше чем в 1-4 фазном инверторе .
В этом преимущество больших N.

Внешний вид инвертора.

Нижний график - осциллограммы 3х фаз инверторов (каждая своим цветом),  верхний- результирующая осциллограмма с утроенной частотой.

Опубликована на сайте - июнь 2006 г, добавлена февраль 2008 г.

P.S.

На июль 2008 года появились системные платы с КПД инверторов достигающем 95%, по заявлению производителя. Они заявляют, что это достигается путем применения коммутирующих полевых транзисторов с низким сопротивлением канала.

Правда это вызывает сомнения, поскольку они забывают, что при работе силовых переключающих устройств, основные потери (их мощность) на ключах определяется в большей части потерями на фронтах импульсов переключения, а малое сопротивление канала составляют в этих потерях только небольшую часть.

А сопротивление канала в большей степени определяет ток I накопительной индуктивности, а значит и мощность инвертора.

А временные характеристики в большей степени определяются параметрами L₁, L_рас, C₁.

Литература для самостоятельного расчета.

1. "Buck-Converter Design Demystified" by Donald Schelle and Jorge Castorena,Technical Staff, Maxim Integrated Products, Sunnyvale, Calif, перевод Дмитрия Иоффе

А.Сорокин

<<Назад>> <<в начало>> <<на главную>>

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору  почтой.

Copyright © Sorokin A.D.

2002 - 2020