Microprocesoarele sunt cei mai puternici consumatori de energie în computerele moderne. Consumul curent al unui microprocesor modern poate ajunge la câteva zeci de amperi. În același timp, calitatea tensiunii de alimentare a microprocesorului este cel mai important factor care determină stabilitatea întregului sistem. Despre modul în care producătorii de plăci de bază rezolva problema de a oferi un microprocesor puternic și alimente de înaltă calitate, se spune în articol în atenția dumneavoastră.
Frecvența ceasului microprocesoarelor crește constant și atinge acum mai multe GHz. Creșterea frecvenței ceasului microprocesorului este însoțită de o creștere semnificativă a puterii pe care o consumă și, în consecință, conduce la o creștere a temperaturii cipului procesorului. În plus, consumul de energie al microprocesoarelor este afectat de creșterea numărului de tranzistori pe cipul său (cu cât procesorul este mai modern, cu atât are mai multă integrare). Deși tranzistori CMOS care formează baza de microprocesoare consumă curenți minusculi închise, dar când vorbim despre mai multe milioane de tranzistori situate pe matrița procesorului, apoi neglijați nu mai este necesară. Principalul consum de energie al tranzistorilor CMOS se află la momentul pornirii și, desigur, cu cât tranzistoarele se schimbă, cu atât mai multă energie consumă. Ca rezultat, milioane de tranzistori sunt comutate la o frecvență ridicată, capabilă să asigure o astfel de consum curent al unui microprocesor, a cărui valoare este deja până la 50 amperi sau mai mult. Astfel, cristalul procesorului începe să se încălzească puternic, ceea ce duce la o deteriorare semnificativă a proceselor de comutare ale tranzistorilor și le poate dezactiva. În același timp, este imposibilă rezolvarea problemei exclusiv prin intermediul unui radiator.
Toate acestea obligă producătorii să reducă tensiunea de alimentare a microprocesoarelor, mai precis alimentarea cu tensiune a miezului său. Reducerea tensiunii de alimentare poate rezolva problema puterii disipate pe cipul microprocesorului și reducerea temperaturii acestuia. În cazul în care prima familie microprocesor 80x86 a avut o tensiune de alimentare de + 5V (pentru prima dată și scad tensiunea la + 3.3V a fost aplicată în I80486), cele mai recente microprocesoare generație deja poate funcționa la o tensiune de alimentare de + 0,5V (a se vedea. Caietul de sarcini VR11 de la Intel).
Dar este adevărat că astfel de tensiuni joase nu sunt produse de o sursă de alimentare a sistemului. Amintiți-vă că ieșirea sa este formată numai de tensiune + 3.3V, + 5V și + 12V. Astfel, propriul regulator de tensiune trebuie să apară de pe placa de sistem, capabil de a reduce aceste tensiune „mare“ la nivelul necesar pentru alimentarea procesorului de bază, adică la o valoare de 0,5 - 1,6 V (figura 1).
Deoarece acest regulator oferă o conversie DC + 12V la o tensiune DC, dar mai mică decât valoarea nominală, regulatorul este denumit DC-DC Converter (convertor DC-DC). Aș dori să atrag atenția tuturor profesioniștilor, că tensiunea core CPU este generată acum de tensiune + 12V, în loc de + 5V sau + 3.3V, așa cum ar fi putut părea mai logic. Faptul este că tensiunea canalului + 12V este cea mai mare și, prin urmare, poate crea mult mai multă putere la o valoare de curent mai mică. Astfel, în sistemele informatice moderne, tensiunea cea mai importantă este + 12V, iar în acest canal este cel mai mare flux de curent. Apropo, acest lucru se reflectă în standardele care descriu cerințele pentru unitățile de alimentare cu energie electrică, conform cărora capacitatea de încărcare a canalului + 12V este maximă. În plus, ieșirea unității de alimentare trebuie să aibă două canale de tensiune + 12V (+ 12V1 și + 12V2), iar comanda curentă în fiecare dintre aceste canale trebuie să fie efectuată independent. Unul dintre aceste canale, și anume, + 12V2, este utilizat ca timp pentru alimentarea cu nucleu CPU, precum și de a asigura cerințele rigide pentru stabilitate și cele mai mici toleranțe pentru abateri de la valoarea nominală.
De asemenea, este necesar să notăm următorul punct. Deoarece puterea consumată de procesoare este destul de mare (poate ajunge la aproape 100 W), atunci conversia tensiunii trebuie efectuată cu ajutorul unei metode pulsate. Conversia liniară nu este capabilă să ofere o eficiență suficient de ridicată la această putere și va duce la pierderi semnificative și, în consecință, la încălzirea elementelor de conversie. Până în prezent, numai conversia impulsurilor permite obținerea unei surse de energie eficiente și economice cu dimensiuni reduse și cu un cost acceptabil de performanță. Astfel, există un convertor DC-DC pe placa de bază, care este un convertor în jos (Step Down sau Trim).
Convertor DC-DC în jos
Circuitul de bază al convertizorului DC descrescător este prezentat în Fig. Trebuie remarcat faptul că autoritățile de reglementare de acest tip din literatura modernă importată au fost numite Buck Converter sau Buck Regulator. Tranzistorul Q1 din acest circuit este cheia, care, închizând / deschizând, creează o tensiune de impuls din tensiunea DC.
În acest caz, amplitudinea impulsurilor generate este de 12V. Pentru a îmbunătăți eficiența conversiei, Q1 trebuie să treacă la o frecvență înaltă (cu cât frecvența este mai mare, cu atât conversia este mai eficientă). În circuitele reale ale controlorilor plăcilor de bază, frecvența de comutare a tranzistorilor convertorului poate fi cuprinsă între 80 kHz și 2 MHz.
Mai mult, tensiunea de impuls rezultată este netezită de accelerația L1 și condensatorul electrolitic C1. Ca rezultat, C1 produce o tensiune constantă, dar o valoare mai mică. În acest caz, valoarea tensiunii DC create va fi proporțională cu lățimea impulsurilor primite la ieșirea Q1. În cazul în care Q1 este deschis pentru un timp mai lung, energia stocată în L1, va fi, de asemenea, mai mult că, în consecință, crește tensiunea pe C1. În consecință, și invers, cu o durată mai scurtă a stării deschise a tranzistorului Q1. tensiunea pe C1 scade. Această metodă de reglare a tensiunii DC se numește PWM (Pulse Width Modulation).
Un element foarte important al circuitului este dioda D1. Această diodă este susținută de curentul de sarcină generat de clapeta de accelerație L1, în momentele când tranzistorul Q1 este închis. Cu alte cuvinte, in Q1 deschis, curentul prin inductor și curentul de sarcină furnizat de sursa de alimentare, și în care bobina se acumulează energie. După închiderea tranzistorului Q1, curentul de sarcină este menținut de energia stocată pe accelerație. Acest curent curge prin D1, adică energia clapetei de accelerație este consumată pentru a menține curentul de sarcină (vezi figura 3).
Cu toate acestea, în schemele practice ale autorităților de reglementare în jos care creează curenți puternici, există unele probleme. Faptul este că majoritatea diodelor nu au viteză suficientă și au, de asemenea, o rezistență relativ mare la joncțiunea deschis pn. Toate acestea nu sunt critice pentru curenții de sarcină redusă. Dar, la curenți mari, toate acestea conduc la o pierdere semnificativă, încălzirea puternică a dioda D1, creșterea tensiunii la exploziile și invers curenții prin dioda când comutare tranzistorul Q1. De aceea, această schemă a fost modificată pentru a îmbunătăți performanța și pentru a reduce pierderile, ca urmare a faptului că în loc de dioda D1 a început să utilizeze un alt tranzistor - Q2 (figura 4).
Tranzistorul Q2, fiind un MOSFET, are o rezistență foarte mică la canalul deschis și are o viteză mare. Deoarece Q2 realizează o funcție diodă, funcționează în sincronizare cu Q1, dar strict în antifază, adică în momentul închiderii Q1, tranzistorul Q2 este deschis și, invers, când Q1 este deschis, tranzistorul Q2 este închis (vezi figura 5).
O astfel de soluție este posibilă numai pentru organizarea de convertoare de tensiune de placi de baza moderne, care, după cum am spus, necesită un curent foarte mare pentru un procesor.
După finalizarea procesului de revizuire a tehnologiilor de bază pentru organizarea regulatoarelor de tensiune în impuls, ne îndreptăm atenția asupra schemelor practice pentru implementarea acestora.
Fundamentele organizării regulatoarelor de tensiune ale procesorului
Este de menționat că, de foarte mult timp, producătorii elementului de bază au început producția de microcircuite specializate destinate construirii regulatoarelor impulsurilor de tensiune a plăcilor de bază ale computerelor personale. Utilizarea unor astfel de jetoane de specialitate face posibilă îmbunătățirea caracteristicilor autorităților de reglementare, asigurarea compactității lor ridicate și reducerea costurilor, atât a autorităților de reglementare, cât și a costului dezvoltării lor. Până în prezent, există trei tipuri de microcircuite folosite în regulatoarele de tensiune ale plăcilor de bază destinate alimentării nucleului procesorului:
- controlerul principal (controlerul principal), numit și un controler PWM (PWM-Controller) sau un regulator de tensiune (Regulator de tensiune);
- un driver pentru controlul MOSFET-urilor (Driver MOSFET sincron-redresor);
- un controler combinat care combină atât funcțiile controlerului PWM, cât și driverul MOSFET.
Având în vedere varietatea de chips-uri folosite in placi de baza moderne, putem găsi două opțiuni principale pentru construirea de regulatoare de tensiune impuls pentru alimentarea procesorului de bază.
I opțiune. Această opțiune este tipică pentru aplicațiile din plăcile de bază de la intrare, care diferă în ceea ce privește performanța scăzută, adică Acesta este cel mai adesea folosit pe plăcile de bază care nu utilizează procesoare de înaltă performanță și puternice. În această variantă, controlul tranzistorilor de putere ai convertizorului este implementat de către un microcircuit al controlerului combinat. Acest cip oferă următoarele funcții:
- citirea stării semnalelor de identificare a tensiunii procesorului (VIDn);
- generarea de semnale PWM pentru controlul sincron al tranzistorilor MOS de putere;
- monitorizarea valorii tensiunii de alimentare generate;
- implementarea protecției actuale a MOSFET-urilor de putere;
- generarea unui semnal care să confirme funcționarea corectă a regulatorului și prezența unei tensiuni corecte pe ieșirea sa pentru alimentarea miezului procesorului (semnal PGOOD).
Un exemplu de această versiune a regulatorului de tensiune este prezentat în Fig. În acest caz, după cum vedem, tranzistoarele de putere sunt conectate direct la ieșirile microcircuitului controlerului combinat. Ca un astfel de controler, chipul HIP6004 a fost adesea folosit.
II. Această opțiune este tipică pentru plăcile de bază proiectate să lucreze cu procesoare de înaltă performanță. Deoarece un procesor de înaltă performanță implică consumul de curenți mari, regulatorul de tensiune este realizat pe mai multe canale (figura 7).
Prezența mai multor canale permite reducerea valorii curente a fiecărui canal, adică reduceți curenții comutați de MOSFET. Aceasta, la rândul său, mărește fiabilitatea întregului circuit și permite utilizarea unor tranzistori mai puțin puternici, care afectează în mod pozitiv costul regulatorului în sine și al plăcii de bază ca întreg.
Această versiune a controlerului este caracterizată prin utilizarea a două tipuri de microcircuite: controlerul principal PWM și driverele MOSFET. Controlul sincron al MOSFET-urilor se realizează de către șoferi, fiecare dintre aceștia putând controla atât una, cât și două perechi de tranzistoare. Șoferul furnizează antifază de comutare tranzistori în conformitate cu un semnal de intrare (PWM de obicei notate), care definește frecvența de comutare și starea deschisă a tranzistoarelor. Numărul de chips-uri de șofer corespunde numărului de canale ale regulatorului de impulsuri.
Controlul tuturor driverelor este efectuat de controlerul principal (controlerul principal), ale cărui funcții principale includ:
- generarea de impulsuri pentru controlul driverelor MOSFET;
- modificarea lățimii acestor impulsuri de control în scopul stabilizării tensiunii de ieșire a regulatorului;
- controlul tensiunii de ieșire a regulatorului;
- asigurarea protecției actuale a MOSFET;
- citirea stării semnalelor de identificare a tensiunii procesorului (VIDn).
În plus față de aceste funcții pot fi efectuate și alte funcții auxiliare, prezența cărora se va determina de tipul de controler principal utilizat.
O diagramă generală a unui astfel de regulator de tensiune este prezentată în Fig. Majoritatea controlorilor principali moderni sunt 4 canale, adică au 4 semnale de ieșire PWM pentru controlul driverelor de tranzistori.
Deci, pentru moment, regulatoarele de tensiune pentru miezul procesorului pot fi 2 canale, 3 canale și 4 canale.
Un exemplu de implementare a unui controler cu 2 canale este prezentat în Fig. Acest regulator este construit folosind tipul de cip de controler principal HIP6301, care este de fapt un patru canale, dar cele două canale rămân neutilizate.
Ca șoferi cheie în această schemă, se folosesc chips-uri HIP6601B.
Un exemplu de implementare a unui controler cu 4 canale care utilizează același controler principal este prezentat în Fig.
controler HIP6301 decodează tensiunea core CPU cu codul de identificare de 5 biți (VID0 - VID4) și generează impulsuri de ieșire PWM cu o frecvență de până la 1,5 MHz. In plus, ei au format semnal PGOOD (mâncare bună), în cazul în care regulatorul de tensiune generat de tensiune de bază CPU corespunde valorii stabilite prin semnale VIDn.
Caracteristici ale controlorilor multi-canale
Atunci când se utilizează regulatori de tensiune multi-canal, există mai multe probleme care ar trebui rezolvate de dezvoltatorii plăcii de bază. Faptul este că fiecare canal este un regulator de impulsuri, care, atunci când este comutat la o frecvență înaltă, generează impulsuri de curent la ieșirea lui. Aceste impulsuri, firește, ar trebui să fie netezite, iar condensatoarele electrolitice și inductoarele sunt folosite pentru acest lucru. Dar de fapt este că, din cauza mari curentul de sarcină, condensatori și inductor, la urma urmei, nu este suficient pentru a crea o tensiune constantă într-adevăr, ca urmare, pulsația (Figura 11), se observă în autobuz procesor de alimente. Și din aceste fluctuații nu va salva nici o creștere a numărului de condensatoare sau creșterea capacității condensatorului și inductor, sau o creștere a ratei de conversie (dacă nu este de a spune o creștere a frecvenței de mai multe ori). Firește, aceste pulsații pot duce la funcționarea instabilă a procesorului.
Calea de rezolvare a problemei, găsită, este de a folosi arhitectura multi-canal a regulatorului de tensiune. Dar numai prin utilizarea mai multor canale paralele pentru a rezolva problema, la fel, nu va fi posibil. Este necesar să se facă astfel încât tastele diferitelor canale să treacă printr-un schimb de fază, adică ei trebuie să deschidă pe rând. Acest lucru va face ca fiecare canal să susțină curentul de ieșire al regulatorului într-un interval de timp strict definit. Cu alte cuvinte, condensatoarele de netezire vor fi reîncărcate în mod constant, dar din diferite canale în momente diferite. De exemplu, atunci când se utilizează un controler cu 4 canale, condensatoarele de ieșire sunt reîncărcate de patru ori într-un singur ciclu de ceas al controlerului, adică Curenții de impuls ai canalelor individuale sunt deplasați în fază unul față de celălalt cu 90 ° (vezi figura 12). Aceasta corespunde unei creșteri în conversie de frecvență de 4 ori, iar în cazul în care frecvența de comutare a tranzistoarelor fiecărui canal este de 0,5 MHz, frecvența impulsurilor la condensatorul de uniformizare va fi deja de 2 MHz.
Astfel, impulsurile PWM sunt generate la ieșirea circuitului principal controler (semnale de ieșire PWM), trebuie să urmeze o anumită fază offset și defazajul este determinată de arhitectura internă a cipului și este dat de obicei, în etapa de proiectare chips-uri. Dar unele controale vă permit să le configurați pentru diferite moduri de operare: control în 2 faze, 3 sau 4 faze (pentru modul în care acestea se regăsesc în descrierile controlorilor înșiși).
Trimiteți-le prietenilor: