Некоторые особенности схем цепей распределения питания скоростных СБИС
на МОП структурах

Процессор и ..

Охлаждение ПК

Статьи

Полезные советы

Ссылки

Электроника

Linux

Список литературы

Проекты, идеи

В 1998 - 2002 годах я доказывал, что помехи существуют и существенно затрудняют работу процессора. Одни говорили - "Не занимайтесь ерундой, это все давно известно", другие - "Этого не может быть, неужели такая фирма как Intel выпустила на рынок процессоры не решив эту проблему? Посмотрите сколько конденсаторов навешено на процессор". Но вот стали доступны для широкой аудитории документы 1999 - 2002 г, где "черным по белому" признается наличие проблемы еще на процессоре Pentium III.
Воспользовавшись примером Intel, я выкладываю здесь полную версию статьи, которая послужила основой патента №2231899. Первая ее редакция, где описана физика процесса, датирована серединой 1999 года и она послужила основой указанного выше патента с приоритетом от 2002 года.
На основании данного материала ранее подготовлены и опубликованы серия статей на моем сайте и некоторых других сайтах.

---

В материале рассмотрены проблемы, возникающие при организации питания современных процессоров и других СБИС и пути их решения (Патент России № 2231899). Процессор является сложной нагрузкой. Это не только мощный потребитель энергии (токи, потребляемые современными процессорами, приближаются к 100А и имеют динамический диапазон изменения нагрузки около 2 раз), но и сам является генераторам помех в линиях распределения питания с широком спектральным диапазоном.

Человек так устроен, что физические процессы наблюдать непосредственно он не может, Они выявляются через вторичные явления, порождаемые самими физ. процессами и доступные его органам чувств. Но практика показывает, что одних чувств недостаточно. До Ньютона яблоки падали не на одну бедную головушку. Получается, что нужна не только голова, яблоко, но и ее содержимое. А еще необходима любознательность или способность на каждое непонятное явление задавать себе вопросы: что?, почему?, … . И если мы не видим какое-то явление это совсем не значит что его нет, скорее это характеризует нас как невнимательных наблюдателей. А оно существует и рано или поздно проявит себя внимательному и вдумчивому исследователю.

Обнаруженное и рассмотренное в материале физическое явление сейчас проявляет себя на определенной категории изделий явно и во всех остальных в виде слабо выраженных вторичных факторов. Знание его позволяет не бороться с отдельными проявлениями, а решить ее кардинально. Это кроме решения физических проблем, дает возможность упростить подход и снизить проектные нормы и требования на проектирование цепей распределения питания рассматриваемых категорий дискретных (цифровых) интегральных схем.

 

Появившиеся в последнее время динамические нагрузки требуют более тонкого подхода к их проектированию.

 

 

Динамический диапазон изменения токов потребляемых такой нагрузкой превышает 2 раз, а верхняя граница спектральных составляющих токов превышает 3 ГГц. Такие изменения токов приводят к генерации на индуктивностях линий распределения питания помехи, мощность которой может достигать 1/4 мощности потребляемой процессором. Внутреннее сопротивление этого генератора приближается к 10^-3 Ома. Примером динамической нагрузки являются современные высокопроизводительные процессоры.

Динамическая нагрузка, таким образом, сама является генератором мощной широкополосной помехи, распространяющейся от нее к ее источнику питания и накладывающейся на питающее напряжение. Ее наличие можно рассматривать как просто модуляцию токов нагрузки, так и как наложение 2х напряжений или токов в любой точке линии распределения питания.

И в результате работы таких нагрузок возникает множество проблем. Это и перегрев оксидных конденсаторов (ОК) фильтра и накопительных дросселей ШИМ преобразователей напряжения питания, помехоустойчивость и саморазогрев процессора, проникновение помех в другие цепи системной платы. Пока все применяемые решения идут на грани фола, каждое существенное улучшение производительности процессора требует проверки и минимизации последствий, и подбора нового фильтра. Поэтому видимые последствия этого явления проявляются при разгоне или на СП где разработчик не обращает на него должного внимания.

Знание физики работы комплекса «Источник питания (НЧ фильтр) – процессор» и обратно «процессор – ВЧ фильтр – источник питания» позволит грамотно построить комплекс фильтров, и не только снимет все эти проблемы, но и позволит повысить скорость работы процессора.

Не смотря на простоту происходящих процессов, до сих пор повсеместно существует непонимание их. Поэтому рассмотрим известные подтверждающие свидетельства.

 

Еще в 1994 году автор «Daniel 9V1ZV» обсуждал проблемы создаваемые PC используемых в составе радиостанций, для управления и цифровой связи http://repairfaq.ece.drexel.edu/REPAIR/F_CompRFI.html.

Тогда при использовании процессоров 286, 386, 486 было выявлено, они создают помехи для высокочувствительной аппаратуры связи, забивая достаточно широкие участки (полосы частот) некоторых диапазонов. Не смотря на последнее, он рассматривает как источники помех - кварцевые генераторы узлов PC. Автор не учитывает, что он наблюдает широкополосную помеху. А они согласно теории могут быть вызваны только импульсными сигналами определенного типа. По мнению автора, помехи создавали внешние цепи и сам PC.

 

В материале «Power supply II» помещенном по адресу http://www.overclockers.ru/lab/15731.shtml автором под псевдонимом Serj помещены показанные ниже осциллограммы напряжения помех присутствующих на конденсаторах фильтра источника питания процессора при исполнении различных приложений.

 

Рисунок 1

 

Масштаб по вертикали (ось напряжений) составляет 20mV/дел. Применялся осциллограф с полосой 5 МГц.

Конечно, автор ставил целью исследовать источник питания, а для этого данного осциллографа достаточно. Но на фото (рис.1) видим характер помех генерируемых процессором и проникающих на конденсаторы фильтра, в большинстве случаев их частоты много выше 5МГц. Эти осциллограммы сняты при использовании процессора AMD Athlon 1800MHz, модель 680, напряжение питания 1.75V, максимальной мощность 68 Вт. Он способен генерировать до 17 Вт помехи верхней границей частоты более 1,8 ГГц. Именно из-за применения такого низкочастотного осциллографа можно только констатировать наличие генерируемых помех их характер и зависимость их уровня от вида работающего ПО.

 

Физика процессов

Исторически так сложилось, что при изготовлении дискретных вычислительных структур (процессоров) и обеспечивающих их работу СБИС динамической памяти, контроллеров управления памятью и периферией были выбраны МОП структуры. Основой их являются ключи с динамической нагрузкой.

Далее будем говорить только о процессорах как наиболее характерных СБИС физические процессы и рабочие частоты, которых полностью перекрывают аналогичные параметры остальных видов СБИС. Для простоты рассмотрим работу КМОП ключа с динамической нагрузкой процессы, в которых полностью описывают динамику работы рассматриваемых структур и их логических элементов.

 

Через инвертор, выполненный по КМОП технологии протекает ток в момент переключения (Iн рис.2), который перезаряжает емкость нагрузки, при этом сквозной ток практически отсутствует. При переходе в состояние «0» (транзистор Т1 открыт, Т0 закрыт), на его активное сопротивление 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 переходит в тепло.

Рассеиваемая мощность, определяется по формуле:

 

P=f_пC_нЕ² [Ф.1]

 

Где: f_{п –} частота переключения; C_{н –} емкость нагрузки инвертора; Е – напряжение питания инвертора.

Cн суммируется из C_н инвертора, плюс С_мс – емкости межсоединений, плюс С_из0 - емкость исток - затвор Т0, плюс С_сз1 – емкость сток – затвор Т1, плюс С_посл – входная емкость последующих логических элементов, которая обычно равна по крайней мере входной емкости 2х логических ячеек. С_посл = 2(С_зи1 + С_зс1).

В состоянии «0» или «1» закрыто верхнее или нижнее плечо инвертора, соответственно и сквозной ток отсутствует.

 

 

Из Ф.1 видно мощность, рассеиваемая таким инвертором при заданной частоте переключения прямо пропорциональна емкости его нагрузки и квадрату напряжения питания инвертора. Эта известная зависимость используется разработчиками современных процессоров для повышения тактовой частоты, если она ограничена выделяемой мощностью, снижая емкость нагрузки КМОП ключа, пропорционально снижаем рассеиваемую им мощность. А при снижении напряжения питания в 2 раза рассеиваемая мощность снижается в 4 раза. Так напряжения питания ядра современных процессоров снизилось до 1,5 в, а емкость нагрузки разработчик снижает за счет снижения линейных размеров ключей (более тонких технологических процессов), изоляционных материалов с малыми диэлектрическими проницаемостями.

 

Дальнейшее снижение напряжения питания затруднительно по различным, в том числе и независящим от разработчиков причинам. А вот снижение технологических норм планируется вплоть до 32 нм. Все это приводит к снижению выделяемой процессором мощности, но желание разработчика использовать все возможности новых технологий подталкивает их к увеличению числа транзисторов. В результате, выполненный по 90 нм техпроцессу и имеющий 125 млн. транзисторов, процессор Pentium-4 с ядром Prescott (для примера, предыдущая версия Northwood – 55 млн.) с тактовой частотой ядра 3,2 ГГц рассеивает до 84 Вт. ( Рост числа транзисторов в 2,2 раза, рост потребляемой мощности на 2,5%, а уменьшение размеров в техпроцессе в 2 раза).

 

Следует отметить, ситуация с nМОП структурами несколько отличается. Это связано с тем, что в такой структуре динамической нагрузкой является транзистор такой же структуры что и активный ключ. Мощность, потребляемая такой структурой, имеет постоянную составляющую, обусловленную протекающими сквозными токами при состоянии «0» (открытом нижнем плече инвертора). И общая потребляемая структурой мощность равна:

 

P = Pст + Pдин

 

Динамическая составляющая определяется [Ф.1] Pдин = f_пC_нЕ², а статическая:

 

Pст = 0,25 E b₀ (E – U₀)²

 

где: b₀ – относительная крутизна транзистора Т0, U₀ – пороговое напряжение транзистора. Остальные обозначения совпадают с [Ф.1].

Это только подтверждает правильность выбора структуры ключей - КМОП.

 

Механизм генерации помехи

И если тепло, выделяемое процессором отвести не проблема вплоть до 100-150 Вт, то с ростом быстродействия и количества транзисторов, не смотря на снижаемые коммутируемые ими токи, все сильнее начинает проявлять себя генерируемые такими устройствами (процессорами, контроллерами-мостами, памятью) помехи. Они наблюдались автором даже на процессорах Celeron 500, установленным на плате Abit BE6-II через переходник, где цепи распределения питания имели несколько большую индуктивность чем обычные МП. intel впервые обратила внимание на это явление на процессоре Pentium III с большими индуктивностями линий распределения питания в конструкции соединительной панели SC242.

Импульсы тока Iн показанные на рис.2 создают на индуктивностях цепей, по которым они протекают, ЭДС самоиндукции имеющую широкий спектральный состав.

Верхняя граница спектра генерируемых процессором помех определяется длительностью фронта импульса тока:

 

f _гр = 1/ t_фр, [Ф.9] [л.2]

 

Для одиночных импульсов спектр непрерывный и содержит все частоты от f_гр до 0, а спектр повторяющихся импульсов содержит множество частот от частоты повторения до f_гр.

 

Таблица 1

 

Рассмотрим процессы, происходящие при зарядке – разрядке емкости нагрузки ключом с динамической нагрузкой. Генерируемая при этом мощность делится примерно поровну на мощность рассеиваемую при разрядке паразитных емкостей на канале ключа Т1 (Рис.5) и мощностью рассеиваемую при зарядке тех же емкостей от источника питания на канале ключа Т0 (Рис. 6).

 

 

Разрядные токи, циркулирующие по линиям распределения питания, в процессоре и попадают на общую шину питания через внутренние емкости и связи.

Зарядные токи имеют импульсный характер и протекают из источника питания по линиям распределения питания материнской платы, контактной панели, процессора (Рис.5). Они наводят на Lпар ЭДС самоиндукции, которая, суммируясь, создает на шине питания напряжение импульсной помехи – шумов. Причем, здесь не рассматриваются резонансные явления (хотя при определённых ситуациях они могут возникать).

 

Рис.5 Эквивалентная схема цепи зарядки Сн

 

Здесь: Сф и Сн емкости фильтра питания процессора емкость нагрузки на выходе логического элемента (инвертора), Rк сопротивление открытого канала верхнего плеча инвертора, Lпар индуктивность цепей разводки питания.

Временные характеристики этих токов в идеальном случае определяются только временами переключения ключа процессора, его форма описываются выражением:

 

I = U / R_к e^-t/ [Ф.6]

 

Реально, в наших условиях, Rк само является функцией времени {Rк = f(t)}, поэтому форма импульса тока приближается к изображенному на рис.2.

Его пиковое значение стремится к:

 

I_ампл U/R_к [Ф.7]

 

(при t -> 0 и учитывая, что t_фр >  = R_к * C_н)

Где: U – напряжение питания, R_к – сопротивление канала зарядного ключа, t_фр – время переключения n МОП транзистора, τ = R_к · C_н - постоянная времени цепи нагрузки, C_н – емкость нагрузки инвертора.

Эти импульсные токи на индуктивностях линий распределения питания и конденсаторах фильтра создают множество ЭДС самоиндукции, которые суммируются на вводах питания процессоров и других динамических нагрузок.

 

U = L * di/dt [Ф.8]

 

То есть ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности цепей подводки питания и скорости нарастания тока ключей кристалла.

(di/dt по данным Intel у процессора Pentium III превышает 1А/нсек, реальные значения в узлах суммирования могут превышать на порядок - 2009 г.)

 

 

Напряжение помехи приложено к шине распределения напряжения питания самостоятельного, по питанию, узла процессора (например, ядра), где и суммируется, образуя напряжение шумов.

Часть наиболее высокочастотных составляющих этих помех поглощаются в процессоре в виде потерь на линиях распределения питания и в диэлектрике изолирующих слоев и переходят в тепло. Остальные поступают на линии распределения питания процессора на материнской плате.

 

Генерируемые процессором помехи, снижают его помехоустойчивость.

Их перекрестное действие может приводить к временным сдвигам при переключении логических элементов, увеличивают напряжение на стоках транзисторов подключенных к линии распределения питания процессоров, создает на них дополнительную переменную составляющую (помеху), наводится на другие внутренние цепи процессора за счет емкостных связей, излучается во внутреннем объеме системного блока. А так же генерируемые шумы за счет потерь нагревают все элементы цепи распределения питания пропорционально потерям в них. Это сами тоководы линий распределения питания, тоководы процессора, элементы изоляции материнской платы и процессора, элементы фильтрации напряжения питания.

 

Причем в применяемых схемах ШИМ источников питания процессора с накопительными дросселями на ферритовых сердечниках, отмечено в некоторых моделях системных плат, их дополнительный нагрев и насыщение под действием генерируемой процессором помехи. Последнее выражается в "звучании" дросселей. При этом увеличивается нестабильность напряжения питания процессора.

 

Для множества независимых источников шумов суммирование напряжений и токов осуществляется по формуле [Л.3]:

 

U²_общ= U²₁+ U²₂ +..+ U²_n [Ф.10]

 

I²_общ = I²₁ + I²₂ + ...+I²_n

 

где: U₁,U₂,..,U_n; I₁,I₂,..,I_n – напряжения и токи шумов источников с первого по n.

В случае двух связанных источников:

 

U²_общ= U²₁+ U²₂ + 2U₁U₂ [Ф.11]

 

I²_общ = I²₁ + I²₂ + 2gI₁·I₂

 

где: U₁,U₂; I₁,I₂ –напряжение и ток 2х связанных источников шумов,  - коэффициент корреляции (характеризует связь 2х сигналов - 1 для жестко связанных, и 0 не связанных сигналов).

Отсюда видим, что сумма амплитуд шумов 2х связанных сигналов всегда выше, соответственно выше и напряжение помех при синхронной работе множества ключей.

Для упрощенной оценки суммарной амплитуды помехи, принимаем следующие допущения:

амплитуды помех генерируемых ключами приняты равными;

их величина принимается равной средней из диапазона.

Для помех имеющих коэффициент корреляции равный 1, напряжение помех имеет величину:

 

U_общ = 2U_n для 2х источников [Ф.12]

 

U_общ = n U_i;          [Ф.13]

 

I_общ = n I_i для n источников

 

А при коэффициенте корреляции  - равном нулю:

 

U_общ = n^1/2 U₁;

 

I_общ = n^1/2 I₁

 

Т.е. разброс суммарной амплитуды напряжений от nU_n (для коррелированных шумов) до (nU²₁)^1/n (для некоррелированных шумов), а токов от nI_n до (nI²₁)^1/n соответственно.

Коэффициент корреляции  для процессора, где все узлы работают синхронно, а степень синхронности зависит и от алгоритма обработки и обмена информацией заложенного в программном обеспечении, и от организации внутренней структуры самого процессора. Но практика показывает - степень корреляции больше 0,5.

 

Но в любом случае уровень шумов пропорционален количеству ключей подключенных к шине распределения питания узла процессора.

 

Поэтому напряжение шумов, при определённых условиях, может достигать порога помехоустойчивости и привести к сбоям процессора. Можно сказать так же, что, не смотря на то что, величина суммарной помехи растет пропорционально корню квадратному из числа работающих ключей, прогнозируемое Intel увеличение числа транзисторов до 400 миллионов на процессор сделает проблему шумов более ощутимой и переведет её в категорию основных.

А мощность генерируемых помех равна (Не зря производители борются за снижение L – индуктивности линий распределения питания на СП):

 

P_пом = f_п · L · I²_Sпом [Ф.6]

или

P_пом ≤ (0,25 -0,5) · n · f_п · C₁ · E²  [Ф.6.1],

 

P_пом ≤ (0,5 -0,25) P_потр ≤ (0,5-0,25) · ∑ P₁ ≈ (0,5-0,25) · n ∙ P₁ ≈ (0,25 -0,5) · n · f_п · C₁ · E², учитывая (Ф.1) P_пом сумме помех P₁ от элементарных ключей, число которых пропорционально числу транзисторов n.

Следовательно, мощность генерируемой помехи, кроме сказанного выше, пропорциональна числу транзисторов, для данной технологической нормы.

Реально зафиксирована мощность генерируемой процессором помехи на процессоре Celeron 500, при рассеиваемой мощности 25 Вт, больше 3-5 Вт, а это 12 – 20%. Еще около 5-10% мощности помехи теряется в процессоре. Максимально, суммарная мощность генерируемой помехи может составлять от 0,5 до 0,25 мощности тепловыделения процессора в режиме 100% загрузки.

 

 

Нельзя сказать, что генерация помех скоростными микросхемами неизвестна.

«Известно применение дополнительных фильтрующих элементов, в схемах питания быстродействующих цифровых интегральных схем, где для подавления высокочастотных составляющих помех применяются дополнительные фильтры в цепях питания, содержащие один керамический конденсатор КМ-5а-890-0,047 мкФ на несколько корпусов логических микросхем (см. «Справочник по интегральным микросхемам» под редакцией Б. В. Тарабрина, издание второе, Москва, Энергия, 1980, стр. 599).» Аналогичные рекомендации даются и в отраслевых нормативных документах для проектировщиков.

Но никогда еще не решалась проблема неизлучающего подавления помех в цепях распределения питания в области частот от единиц герц до нескольких гигагерц и суммарной мощностью десятки ватт и более.

 

Попытки решить проблему "в лоб"

Разработчики таких современных устройств с применением скоростных СБИС на МОП структурах, как материнские платы, высокопроизводительные видеокарты столкнувшись с этой проблемой, не нашли ничего лучшего как применить в цепях распределения и формирования напряжения питания процессоров, чипсетов, современных модулей памяти оксидных конденсаторов с повышенной до +105°С рабочей температурой. Это оксидные конденсаторы с низким ESR (Equivalent Series Resistance) которые имеют:

• срок службы больше, чем у стандартных конденсаторов (от 2 до 5 тысяч часов при температуре 105°С);

• максимальный импеданс задается на частоте 100 кГц и остается неизменным в диапазоне температур +20…-10°С;

• пульсирующий ток определяется на частоте 100 кГц;

• повышенная температурная стабильность (температурный коэффициент импеданса).

Эти конденсаторы способны при температуре корпуса 105°С рассеивать от 1 до 4 Вт тепловой мощности, выделяемой на ESR и в металлических элементах конструкции, каждый. Но даже такие супер конденсаторы, не выдерживают пока только в «неграмотно спроектированных» системных платах. Через пару лет новые суперпроцессоры сделают невозможным и их использование, даже в «правильно » спроектированных изделиях.

 

Рис.6

 

Разрабатываемые сейчас SMD оксидные конденсаторы имеют предельную температуру 175°С и рабочую 150°С пока имеют малую емкость, до 100 мкФ. И не смотря на декларируемые низкое ESR и их работу на частотах 10-100 МГц их предельные рабочие частоты физически ограничены частотой, на которой начинает преобладать сначала Rs, а потом Xc. А Rs имеет тенденцию к росту при превышении частоты 0,1-1 МГц.

При этом уже на этих частотах tgδ (D) более 1-10% в зависимости от температуры. При этом преимущества в температуре имеют оксидные конденсаторы с большей площадью поверхности, как имеющие лучшую теплоотдачу.

Но элементы цепей распределения питания, даже самых лучших производителей уже по своему назначению не предназначены для работы в цепях с присутствием ВЧ помех и их гармоник такой мощности. На рис.6 показано фото оксидного конденсатора из фильтра питания процессора в системной плате BE6-II фирмы Adit с процессором Celeron 500, потерявшего герметичность в результате перегрева генерируемыми процессором помехами. Но данное решение является временным при малых мощностях генерируемых помех и при тенденции роста числа транзисторов его уже недостаточно. Поэтому необходимо снизить уровень помех в цепях распределения питания.

 

Распределение мощности генерируемых процессором шумов

Мощность генерируемых процессором шумов P гш распределяется в системе распределения питания и процессоре следующим образом.
 

P гш = P пот проц. + P пот mb; [Ф.14]

P пот проц. = P пот лрп + P пот диэл + P с св; [Ф.15]

P пот mb = P пот лрп + P пот диэл mb + P пот констр. эл. + Р пот изол. [Ф.16]
 

Доля сгенерированной процессором мощности теряемая в процессоре Pпот проц. дополнительно нагревает кристалл и выводится из него через охладительную систему. Причем Pпот лрп определяется целиком технологией его (процессора) производства, а именно толщиной линий распределения питания в процессоре. При принятых в текущей технологии толщинах токопроводящих элементов и их материалах основная составляющая потерь именно эта. Учитывая tg  применяемых диэлектриков, длины ЛРП в кристаллах современных процессоров, и частоту наиболее ВЧ составляющей генерируемого процессором шума – в настоящий момент P пот диэл, P с св составляют пренебрежимо малую величину. Но при увеличении частоты переключения они могут достигать весьма существенных значений, а P пот лрп наоборот несколько снизится при достижении толщины ЛРП равной или более 3.

Оставшаяся часть мощности шумов по линиям распределения питания поступает на ЛРП материнской платы компьютера и распределяется между:

• потерями в линиях распределения питания – P пот лрп,

• потерями в диэлектрике материнской платы – P пот диэл mb,

• потерями в конструктивных элементах линий распределения питания материнской платы – P пот констр. эл.,

• потерями на излучение в линиях распределения питания -Р пот изл.

P пот лрп для материнских плат малы, т.к. толщина ЛРП всегда больше 3.

P пот диэл mb при использовании качественных диэлектрика тоже малы.

А вот на Р пот изл и P пот констр. эл. следует обратить внимание, уже только потому что практически вся мощность генерируемых шумов распределяется между ними. Причем начиная с частот f > 100 МГц длина ЛРП на материнской плате становится соизмерима с /2 и они начинают эффективно излучать эти шумы и Р пот изл имеют достаточно большое значение.

P пот констр. эл. рассеивает оставшуюся ВЧ мощность шумов генерируемых процессором. Применяется способ снижения мощности рассеиваемых конструктивными элементами материнской платы (элементами фильтрации и регулирования напряжения) с помощью дросселя включенного в токовую цепь ЛРП между этими конструктивными элементами и процессором. Но этот способ нельзя считать решающим проблему т.к. дроссель по своей природе является заградительным элементом и незначительно снижает мощность шумов в ЛРП между процессором и им самим, а только защищает конструктивные элементы. В результате Р пот изл становится преобладающей и расширяется в НЧ область спектра, а это чревато помехами наведенными на шины данных и другие цепи материнской платы.

P пот констр. эл. по существу является мощность рассеиваемая на конденсаторах фильтра и определяется мощностью, выделяемой в его объеме, т. е. потерями в диэлектрике и металлических элементах. Потери описываются тангенсом угла потерь

 

tg _с = P_п/P_c = (P_м + P_д)/P = tg _м + tg _д,

 

где: P_п — мощность потерь,  P_c — мощность в конденсаторе (реактивная), P_м — мощность потерь в металле,  Р_д — мощность потерь в диэлектрике;  tg _м и tg _д — тангенс угла потерь для металла и диэлектрика соответственно.

 

Типовое значение tg _с для обычного оксидного конденсатора — (1000…2000)10^–4 на частоте 50 Гц, и в 3-4 раза ниже у конденсаторов с низким ESR . При таких его значениях до 0,1-0,2 % (для конденсаторов с низкими потерями до 0,03%) мощности протекающих токов в пределах рабочего частотного диапазона конденсатора переходят в тепло, а учитывая, что спектр фильтруемых токов (напряжений) простирается до десятков и сотен мегагерц и tg _c увеличивается с ростом частоты

(tg _м = R_п2fC),

в тепло переходит более 80% энергии шума, генерируемой процессором и фильтруемой цепями питания независимо от их конструктивного исполнения.

 

Действие 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.

 

Не вдаваясь в природу процессов стали считать, что температура фильтрующего оксидного конденсатора на уровне до 50-90°С, это нормально.

Так же зафиксированы «звучащие дросселя» (Л.2) и колебания среднего напряжения на источнике питания ядра в пределах 0,01- 0,04 в у процессора с не совсем удачной, с точки зрения генерации помех, архитектурой ядра «Barton». И эти напряжения то же на конденсаторах фильтра после фильтрующего дросселя. Я думаю не надо рассчитывать при каких импульсных, токах сердечник дросселя начнет насыщаться. И если читатели забыли или не знают, что ферритовые сердечники, работающие с выходом на уровни напряженности магнитного поля характерные для насыщения, всегда звучат. Звучат они так из-за явления магнитострикции, так и по причине механической вибрации витков катушки в вытесненном из магнитопровода магнитном поле. Реальна величина мощности помехи на дросселе 8-14 Вт.

 

«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), и здесь рисунок 9. Общее тепловыделение этого процессора составляет 103 Вт, или около 20 Вт мощности генерируемой помехи. Система охлаждения позволяет охлаждать не только микросхемы управления питанием, но и другие элементы фильтров.

 

С развитием вычислительной мощности процессоров, а так же в соответствии с пропагандируемым Intel законом Мура и вытекающим из этого дальнейшего наращивания числа транзисторов на кристалле, неуклонно нарастает мощность генерируемых помех и рассеиваемая кристаллом мощность. Еще одно следствие наращивания числа транзисторов – топология системных плат оказывает все большее влияние на мощность генерируемых помех.

Производители наиболее быстродействующих видео ускорителей, имеют 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 взаимопроникновение сигналов между каналами по цепям питания.

 

Современные модули памяти , на максимальных скоростях работы рассеивают 6,25 Вт на каждую сотню Мбайт емкости памяти. И соответственно генерируют до 3 Вт мощности помехи с той же емкости. Все описанные выше явления распространяются и на них.

 

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.

Кроме этого ВЧ нагрев оксидных конденсаторов снижает их срок службы.

Все выше перечисленное вынуждает ужесточать требования при проектировании МП и применять более дорогие детали и материалы.

 

Патент России №2231899
«Фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем»

Все проблемы связанные с подавлением широкополосных помех, генерируемых процессорами, контроллерами управлении, микросхемами памяти и другими современными СБИС, решает предложенный в патенте России №2231899 «Фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем». Схема, которого представляет собой многозвенный, адаптированный к спектральному составу помехи широкополосный фильтр.

Задачей изобретения является подавление мощных помех генерируемых высокоскоростными процессорами, видеопроцессорами, сборками микросхем памяти и другими большими цифровыми интегральными схемами, с мощность, превышающую несколько десятков ватт, и занимают полосу частот больше 100 мегагерц. То есть исключение сбоев процессоров и выход из строя элементов цепей распределения их питания.

Сущность изобретения состоит в том, что для осуществления задач изобретения применен фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем, содержащий регулятор напряжения и по крайней мере один оксидный конденсатор включённый параллельно нагрузке – большой цифровой интегральной схеме, являющуюся источником помех с эквивалентным внутренним сопротивлением источника помех Ri и сопротивлением нагрузки Rн, причем Ri больше Rн. При этом, фильтр содержит несколько RiCn звеньев, где Cn – конденсатор, звена фильтра нижних частот включенный параллельно в линию питания нагрузки с эквивалентным внутренним сопротивлением источника помех Ri, а n – номер звена фильтра нижних частот отсчитываемый от регулятора напряжения. При этом конденсаторы звеньев фильтра нижних частот расположены в порядке убывания их ёмкости от регулятора напряжения к нагрузке. При этом последний конденсатор минимальной ёмкости расположен на минимально возможном расстоянии от нагрузки и выполнен в виде безвыводного высокочастотного конденсатора, а конденсаторы центральных звеньев, между первым и последним конденсаторами звеньев фильтра нижних частот, выполнены не оксидными. Причем первый конденсатор выполнен в виде одного или нескольких оксидных конденсаторов. Для всех конденсаторов, кроме первого, их реактивное сопротивление Xc равно эквивалентному внутреннему сопротивлению нагрузки, как источника помех, с сопротивлением Ri, на частоте среза каждого звена фильтра нижних частот в которое входит данный конденсатор.

 

Рис.10

или

Рис. 10.1

Параллельные RiCn звенья ослабляют помехи генерируемые нагрузкой при их распространении в направлении регулятора напряжения. Причем ослабление основано на частотно-зависимом шунтировании (подавлении) конденсатором Cn звена фильтра высокочастотных составляющих спектра помех, а частота среза определяет низкочастотную границу рабочего диапазона этого звена. Высокочастотная граница рабочего диапазона звена (конденсатора) определяется его конструктивными параметрами. Набор n звеньев, с частотами среза расположенными во всем диапазоне частот генерируемых помех и обеспечивает шунтирование (подавление) помех во всем этом диапазоне, причем более высокочастотное звено защищает низкочастотное от попадания на него нежелательного высокочастотного участка спектра помехи.

Эквивалентная схема этого фильтра приведена на рисунке 11.

Применение фильтра для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем дает положительный технический результат, а именно позволяет подавить помехи, генерируемые этими нагрузками во всем диапазоне мощностей и частот. А также снизить тепловыделение в корпусе системного блока компьютера, повысить устойчивость работы процессора в режиме 100% загрузки, а так же позволяет снизить требования к топологии цепей питания процессоров на материнских платах, снизить емкость конденсатора фильтра.

Реализация фильтра по патенту России № 033419 позволяет полностью погасить генерируемые ВЧ помехи в цепях распределения питания и получить следующие преимущества:

• упрощение конструкции и удешевление материнских плат за счет применения более дешевых материалов, комплектующих, использование более дешевых оксидных конденсаторов фильтра в связи со снижением их температуры до 25-30°С (значение при использовании патента);
• снижается тепловыделение в системном блоке (особенно это важно в переносных компьютерах) на 15-20% от мощности потребляемой процессором (процессором + видеопроцессором + модулями памяти);
• полностью исключить излучаемую во внутренний объем мощности, в результате чего повысить устойчивость работы компьютера;
• повысить устойчивую скорость работы процессоров, контроллеров, памяти;
• снизить требования к топологии линий распределения питания МП;
• повысить качество работы видео ускорителей, за счет повышения их устойчивости, снижения перекрестных помех и снижения тепловыделения на 10-20%;
• снижается взаимное проникновение сигналов из канала в канал аудиокарт, по цепям распределения питания, уровень шума в части проникновения генерируемых процессором помех в выходные аналоговые цепи. Снижает нелинейные искажения в высокочастотной части рабочего диапазона, обусловленных синхронным с обрабатываемым сигналом, изменением напряжения питания.

 

Практический результат применения технического решения изложенного в патенте

МП фирмы Abit BE6-2, не совсем удачная с точки зрения надежности именно цепей питания процессора, имела в фильтре оксидные конденсаторы 1500,0х6,3v с рабочей температурой 105°С, имеющие площадь поверхности позволяющей рассеивать порядка 2-3 Вт при температуре корпуса порядка 100°С. Использовался процессор Celeron 500. В фильтре цепи питания ядра процессора всего 3 конденсаторов. До применения технического решения изложенного в патенте их, (конденсаторов) температура корпуса была порядка 70-80°С, при работе компьютера в длительном режиме 100% загрузки процессора и температуре наружного воздуха 38°С их температура поднялась выше 105°С и половина из них потеряла герметичность. Вместо них были поставлены конденсаторы с той же общей емкостью (1600,0х16v), но на более высокое напряжение. Эти конденсаторы имели почти в три раза большую площадь поверхности и соответственно способны рассеивать почти в три раза большую мощность. В результате их температура упала, до порядка 50-70°С. После внедрения запатентованной схемы температура корпуса оксидных конденсаторов фильтра упала до температуры окружающего воздуха.

Вывод:
Помеха генерируемая процессором Celeron 500 больше не доходит до конденсаторов фильтра или она отфильтрована.

 

Эквивалентный генератор помех и его характеристики

Как показано генерируемая элементом ключом (МОП инвертором) современного процессора мощность определяется по формуле:

P₁=f_пC_нЕ²

 

Где: f_{п –} частота переключения; C_{н –} емкость нагрузки инвертора; Е – напряжение питания инвертора.

Максимальная суммарная мощность определяется по правилу суммирования мощностей параллельных источников:

 

P_Σ = P₁+P₂ +…+Pn или P_Σ=N·Pi

 

здесь N – число элементарных ключей, Pi – мощность генерируемая одним ключом.

Поскольку в процессе работы процессора постоянно меняются частоты f_п и количество одновременно изменяющих состояние ключей изменяется и P_Σ.

Такой генератор имеет эквивалентную схему, приведенную на рис.6. Причем особенностью этой схемы является синхронно с изменением P_Σ изменение и Ri генератора.

Рисунок 11

 

на рис.6: Zф – импеданс фильтра, Ri – внутреннее сопротивление эквивалентного генератора, Pпом – мощность помех генерируемых процессором (эквивалентным генератором).

Суммарное Ri образуемое множеством одновременно включенных параллельно генераторов, каждый с Ri_n, определяется по правилу суммирования N проводимостей коммутируемых одновременно.

 

Ri = Ri_n/N

 

Ri тем меньше, чем больше ключей в процессоре (N) коммутируются в данный момент.

В условиях меняющегося Ri и его малой величины реальные характеристики фильтра существенно ухудшаются.

Именно учет Ri эквивалентного генератора помех и позволяет достичь оптимального подавления помех.

 

Рисунок 12

 

На рис.7 изображена зависимость импеданса от частоты для OS-CON 2200,0 мкФ и коэффициент подавления помех равный 1/Kосл для эквивалентной схемы изображенной на рис.6. Со снижением Ri наблюдается сужение рабочей полосы частот звена фильтра и снижение коэффициента подавления помех распространяющихся от процессора к источнику.

 

Аналогичная ситуация и с фильтром встроенным в процессор AthlonXP с ядром Thoroughbred-B. Снижение Ri приводит к снижению коэффициента подавления помех, сужению рабочей полосы каждого звена и в результате снижению эффективности фильтров.

 

Рисунок 13

В результате напрашивается решение, при проектировании фильтров помех распространяющихся от процессора-генератора помех в направлении источника его питания учитывать его (эквивалентного генератора помех) внутреннее сопротивление Ri. В соответствии с [Л.4]

Из изложенного видно, что минимальное число звеньев фильтра не может быть меньше 3 для больших Ri. Это определяется как максимальной реактивной мощностью приходящейся на каждое звено, так и полосой фильтрации. А необходимое количество звеньев фильтра определяется Pi, и как показывают расчеты для Ri большее 1 Ом только на процессоре их должно быть больше 4 звеньев.
 

В заключение можно сказать, что методы проектирования фильтров для цепей распределения питания современных процессоров требуют нового подхода. Патент России №2231899 и основанная на нем методика, учитывающая вычислительную нагрузку процессора, позволяют применить оптимальные фильтры. Имеется возможность математического моделирования и оптимизации фильтра с цель получения необходимой фильтрации при минимальных затратах.

Кроме того, совмещение описанного фильтра в одной цепи с фильтром ШИМ преобразователя питания облегчит работу источника питания процессора и позволит применить в нем более дешевые конденсаторы с сохранением характеристик источника питания.

 

Расчет широкополосных фильтров

Расчет многозвенного широкополосного фильтра может выполняться исходя из двух моделей генерируемых помех. Первая мощность помехи равномерно распределена во всем спектральном диапазоне помехи, как показано на рис 12. И вторая, оптимизированный фильтр, где известен усредненный по выполняемым процессором задачам, спектральный состав помехи по которому и выполняется расчет фильтра. Ниже рассмотрим первый вариант, как наиболее общий.

Мощность помехи, генерируемая процессором, Pп и напряжение помехи Uп может быть измерена опытным путем на конкретном образце системной платы по отдельной методике. На разных моделях системных плат, или при разной разводке печатных проводников линий распределения питания, для одного и того же процессора они могут быть различны.

R_iC фильтр в цепи питания процессоров, представляет собой многозвенный ФНЧ. Его задача отфильтровать (удалить) из спектральных составляющих частоты за пределами полосы пропускания.

Эквивалентная схема штатного фильтра для северной линии питания процессора Intel® Xeon™ Processor MP с 2-MB L3 Кэш выполненный по 0.13 микронному тех. процессу изображена на рис.11. Данный фильтр расположен на корпусе процессора (носителя чипа).

 

Рисунок 11

 

Но этот фильтр не может полностью подавить помеху.

 

Причины видны из таблицы 4.

Причина в том, что частоты собственного резонанса конденсаторов фильтра изображенного на рис. 11 не только ниже высокочастотной границы генерируемого процессором спектра, и рабочие частоты звеньев фильтра расположены в НЧ участке спектрального диапазона.

 

А как мы уже говорили выше, конденсатор перестает им быть на частотах выше собственного резонанса. Распределение звеньев по частоте очень специфическое. Можно сказать, что оно направлено скорее на защиту внешних цепей от помехи генерируемой процессором.

Это при тактовых частотах процессора 1,6 ГГц!

Конечно хотелось бы разобрать здесь фильтр более нового процессора, но увы это пока тайна Intel.

Хотя , судя по характеристикам процессоров, маловероятно что за это время что-то изменилось.

 

Но это не все.

Еще более сложная схема внутри чипа.

Правда величина индуктивностей там небольшая, но важно не только величина индуктивности, а спектральный состав помехи или скорость переключения транзисторов. На тех. процессах 45 и 32 нм или при высоких частотах генерируемых помех даже очень малая индуктивность может стать проблемой.

Те кто знаком с СВЧ техникой, это хорошо знают.

 

Фильтр, изображенный на Рис. 10 и 10.1, содержит C1, C2, Cn-1, Cn конденсаторы звеньев фильтра нижних частот образующих фильтр из звеньев C_nR_i. Причем используемое в расчетах значение Ri и Pг берется при тестировании при 100% загрузке процессора и ПО алгоритмы исполнения которого дают максимум помех.

Так должно быть

 

Рисунок 12

 

K - коэффициент подавления помехи.

Фильтр подключен параллельно процессору (CPU) на его контакты питания Vcc (+ напряжения питания) и GND (общий вывод). Причем конденсатор C1(Сф) – обеспечивает фильтрацию питающего напряжения, а величина конденсатора C1 определяется из условия обеспечения фильтрации (коэффициента фильтрации) питающего напряжения. В то же время звено C1R_i можно рассматривать и как звено фильтра нижних частот, участвующее в подавлении низкочастотных составляющих помехи. Причем R_i – эквивалентное внутреннее сопротивление генератора помех всегда больше Rн – сопротивления нагрузки процессора по постоянному току. Звено CnR_i где конденсатор расположен на минимальном расстоянии от нагрузки обеспечивает подавление помех генерируемых в верхнем участке спектра, а центральные звенья от C2R_i (Нч звено) до Cn-1R_i (Сч звено) обеспечивают подавление помех в диапазоне частот от максимальной рабочей частоты C1 до частоты среза высокочастотного звена фильтра CnR_i. Причем C2R_i – низкочастотное звено широкополосного фильтра работает еще и как высокочастотное звено фильтра питания см. рис.9.

Число звеньев n определяется максимальной мощностью помех, и допустимой реактивной мощностью на каждый конденсатор звена фильтра.

 

n = 2Pгп / Pn

 

Где: n – число звеньев; Pгп - мощность генерируемая БЦИС; Pn – реактивная мощность конденсатора звена n (вар): 2 – коэффициент запаса мощности.

 

Если реактивная мощность выделяемая на звене фильтра превышает допустимую реактивную мощность конденсатора фильтра, то число конденсаторов в звене определяется из условия:

 

Pгп.зв = 2 n Pn,

 

где: Pгп.зв – мощность помехи приходящаяся на звено.

 

Остальные обозначения см. выше.

Ёмкость конденсатора звена фильтра нижних частот определяется по формуле полученной из равенства эквивалентного внутреннего сопротивления источника помех Ri и реактивного сопротивления конденсатора фильтра Xc. Это условие обеспечивает падение напряжения помехи на 6 дБ на частоте среза звена фильтра.

 

Cn=1/2 f_ср R_i

 

Где: Cn – емкость конденсатора n-го звена фильтра (Ф); R_i – эквивалентное внутренне сопротивление источника помех (Ом); f_ср- частота среза звена (Гц).

 

С учетом паразитной индуктивности линий распределения питания Lпар n емкость конденсатора фильтра вычисляется из условия:

 

X_Lпар = Xc_n,

 

Это условие обеспечивает падение напряжения помехи на 12 дБ на частоте среза звена фильтра, причем, если полученная индуктивность настолько мала, что её невозможно учесть, её значение принимается равным нулю и это звено работает только как RiCn звено фильтра нижних частот.

 

 

Литература:

редакция:   1999 - Механизм генерации помех, 2002 - Расчеты и патент № 2231899, 2004 - примеры, другие свидетельства, 2009 - подготовка данной публикации.

 

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь: