Еще раз о конденсаторах и фильтрах.

26 ноября 2009, четверг 10:22
для раздела Блоги
Никогда не поздно оглянуться назад, особенно когда проблема не решена. По статье Я.Малова aka TerAbit "Оприменении керамических конденсаторов в цепях питания на системных (материнских) компьютерных платах"http://people.overclockers.ru/TerAbit/record5.


За 6 лет с появления первой публикации в журнале Радио [1] были и другие публикации и статьи в Internet [2], [3]. Проблема фильтров процессоров периодически всплывает в форумах. Схему фильтра в цепи распределения питания улучшают на шаг приближая ее к описанной в патенте. За это время в фильтрах применялись: оксидные конденсаторы с высокой рабочей температурой, OSCON, твердотельные (танталовые), с электролитом в виде геля. Сейчас модны новые супер конденсаторы с твердым электролитом. Но проблемы периодически всплывают снова и не в последнюю очередь на это результат освоение более тонких технологических процессов. Это происходит из-за недопонимания причин, следствий явления и просто принципа работы конденсаторов.

Далее приняты сокращения: КК — керамические конденсаторы, ОК — оксидные конденсаторы. Не смотря на то,что ОК сейчас текут только в случае разгона процессора, а при штатном режиме это явление не имеет место быть, нагрев корпусов ОК уже есть сигнал наличия проблемы в фильтре. Потому что ресурс ОК существенно зависит от температуры. См. Рис.2 [7].

Причина не в конденсаторах оксидных или керамических, а в оптимальном техническом решении для фильтра для конкретного источника помех, который включает в себя источник питания процессора и сам процессор.
В [3] с некоторыми упрощениями авторскими и даже рекомендованными Intel проведен анализ работы фильтра и применение в нем керамических конденсаторов для снижения тепловыделения на ОК.
Спасибо Ярославу Малову что он нашел возможность упомянуть о первой публикации на эту тему, дал подборку источников и привел конкретные цифры.
Статья, выкладки, и результаты приведенные в ней дают определенное представление о проблеме — все подтверждает правильность описанного еще в 2002 — 2003 году в [1] технического решения. Правда в той статье схематически описано техническое решение которое решало только единственную проблему — нагрев оксидных конденсаторов фильтра. И только в некоторой мере, решало проблему устойчивости работы процессора, поскольку это проблема более широкая и сложная в решении.
Жалко только что автор не читал всего пакета статей на эту тему (см. ссылки в конце статьи) и не знаком с патентом РФ № 2231899
В них проблема рассмотрена более широко и подробно, многое из рассмотренного Я. Маловым (aka TerAbit) давно нашло свое отражение.

Хочу отметить, что:
Первое
учитывая, что существующая система фильтрации, в силу не оптимальности, не может качественно отфильтровать помехи генерируемые процессором (о наличии которых: описано в различных статьях (Механизм генерации помех в СБИС процессоров, Некоторые особенности схем цепей распределения питания скоростных СБИС на МОП структурах.), статьях других авторов и косвенно подтверждает Intel в своих рекомендациях и автор [3] применение просто КК в любых видах может решить проблему нагрева ОК и только в некоторой мере проблему устойчивости работы процессора. Поскольку процессы носят более сложный характер. Практически оптимальное решение может дать только сложная система содержащая многозвенный фильтр оптимально расположенный на материнской плате, а в идеальном случае включающий и звенья расположенные на панели процессора и даже на кристалле. Или другими словами оптимальное решение доступно только проектировщикам — производителям материнских плат и процессоров, через оптимизацию фильтра как со стороны процессора так и инвертора. Прикидки показывают, что это многозвенный фильтр имеющий более 4 - 7 звеньев.
Второе
проведенное моделирование выявило возможность и подтверждает опасность резонансов в цепях и резкое увеличение пульсаций при не оптимальных характеристиках фильтров.
В третьих
мощность тепловыделения зарегистрированная в [1] многократно превышает приведенную в статье. Поскольку там измерения выполнялись через именно величину тепловыделения (правда рассчитанную (калориметрически) через температуру корпуса по известным формулам теплообемена дающим достаточно большую погрешность (до 30%)), но все равно это не укладывается в те единицы мкВт приведенные автором и многократно отличаются от реальных значений. (Реальная температура корпуса ОК в пиках тепловыделения превышала 100°С). Поэтому его модель и измерения нельзя считать корректными.

Пояснения по проблемам фильтрации помех в цепях питания процессора.
Сами по себе конденсаторы даже одного типа (но разного номинала) имеют разные рабочие частоты которые определяются параметрами самого конденсатора (C, Rs, Ls). Подробнее это описано в Свойства конденсатора и их влияние для применений. И применение в паре двух конденсаторов большой и меньшей емкости расширяет рабочий частотный диапазон сборки. Но наилучший результат можно получить при размещении их в строго определенных звеньях фильтров (точках подключения) поскольку даже незначительные индуктивности линий питания (подобные Ls конденсатора) существенно уменьшает его рабочую частоту. Или другими словами в определенных точках определяемых эквивалентными параметрами цепи.
А применение сборок керамических конденсаторов увеличивает допустимую для сборки реактивную мощность, которая равна сумме реактивных мощностей каждого элемента сборки.

Можно только повторить:
«… оптимальное решение может дать только сложная система содержащая многозвенный фильтр оптимально расположенный на материнской плате, а в идеальном случае включающий и звенья расположенные на панели процессора и даже на его кристалле. Или другими словами оптимальное решение доступно только проектировщикам — производителям материнских плат и процессоров, через оптимизацию фильтра как со стороны процессора так и инвертора.»
Но пока проектировщики довольствуются рекомендациями Intel, полученные методом подбора и направленными на решение проблем лежащих на поверхности (тепловыделения ОК), и как показывает практика, которые не являются оптимальными. Сами они занимаются только оптимизацией разводки на материнке.

Обратите Ваше внимание на помещенную в [3] п. 3.3.1, таблицу 7 и комментарии к ней. Можно отнести значения в графе «Суммарная рассеиваемая на ЭК мощность, мкВт», имеющая расчетную величину от 3 до 8,8 мкВт, к указанным в примечании допущениям и погрешности расчетов. Ведь тепловыделение на ОК фильтра легко рассчитывается исходя из температуры его (ОК) корпуса по тепловому балансу цепи. И эти цифры многократно превышают приведенные в таб.7 значения. Они подтверждаются и разрушением корпусов, применяемых на момент написания статей ОК. На основании этого можно оценить величину тепловыделения в ОК, что она имеет порядок единиц ватт, но никак не 8,8 мкВт! [1]
В [3] получено увеличение (см. табл. 7 и восемь) напряжения на ОК фильтра при подключении сборки керамических конденсаторов в определенных точках. Табл.7 напряжение (Размах пульсаций, от пика до пика, В) дает даже приближающееся к напряжению питания.
Подобное регистрировалось [4] (рис 1 Принципы построения фильтров для цепей питания сложных нагрузок.) и автором и только подтверждает возможность резонансных явлений в цепи питания и необходимость контроля напряжения в этой цепи после доработки «на авось». В этом плане решение приведенное в [1] более оптимально.

Хочу обратить Ваше внимание на возможность роста импульсного напряжения на ОК не только при неправильном подключении КК [3], это сейчас это может произойти и при работе процессора в определенных режимах вычислений (например применении некоторых циклических алгоритмов вычислений). На это не обращают внимание, но именно это иногда приводит к сбоям в работе процессора (в вычислениях) и зависанию системы. Наличие такого факта, когда без видимых причин система виснет, подтверждает не оптимальность применяемых фильтров или наличие областей, в полосе частот, где фильтрация не обеспечивается.
Заключение.
Имеются различные варианты решения проблемы тепловыделения на ОК и один из них вытекает из [1] и описана в [3].
Но в случае отсутствия опыта и соответствующей контрольно измерительной аппаратуры, я все еще могу посоветовать применить рекомендации изложенные в [1], [2] и [6], установленные по правилам изложенным в [5]. Это позволяет решить проблему нагрева ОК.
Доработка фильтра питания с целью повышения стабильности работы процессоров требует наличия опыта и контрольно измерительной аппаратуры. Но для решения проблемы я все равно необходимо использовать не только керамические конденсаторы [3] (единичные или группу), а набор SMD КК и ОК разной емкости установленные в соответствии с рекомендациями [1] и [5].
Простое применение КК не может полностью решить проблемы тепловыделения на ОК и проблему устойчивости работы процессора.
А полное решение этих проблем может дать только совместная работа разработчиков процессоров и системных (материнских) плат.

Ссылки.
1. Сорокин А. Особенности применения оксидных конденсаторов в цепях питания микропроцессоров. - Радио, 2003, №1, с. 20 (Особенности применения оксидных конденсаторов в цепи питания процессоров )http://www.electrosad.ru/Processor/OK.htm
2. А. Гришин, Уменьшение нагрева деталей фильтров в цепях питания процессора, Радио, №1, 2004г, стр. 23. (Уменьшение нагрева деталей фильтров в цепях питания процессора)http://www.electrosad.ru/Jornal/AGrizhin.htm
3. О ПРИМЕНЕНИИ КЕРАМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ В ЦЕПЯХ ПИТАНИЯ НА СИСТЕМНЫХ (МАТЕРИНСКИХ) КОМПЬЮТЕРНЫХ ПЛАТАХ, Ярослав Малов, http://people.overclockers.ru/TerAbit/record5
4. Power supply II, Serj, 28.05.2004, [url]www.overclockers.ru/lab/15731.shtml[/url],
5. Что можно сделать "на коленке"? http://www.electrosad.ru/Processor/P_why.htm
6. Свойства конденсатора и их влияние для применений.http://www.electrosad.ru/Jornal/CapProp.htm
7. Оксидные конденсаторы, некоторые особенности применения.http://www.electrosad.ru/Jornal/OCon.htm
8. Механизм генерации помех в СБИС процессоровhttp://www.electrosad.ru/Processor/P_Meh.htm,
9. Некоторые особенности схем цепей распределения питания скоростных СБИС на МОП структурах.
http://www.electrosad.ru/Processor/ProcNoi.htm
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают