マイクロプロセッサ電源回路での酸化物コンデンサの使用の特徴。スキーム、説明

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マイクロプロセッサ電源回路での酸化物コンデンサの使用の特徴

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コンピューターの信頼性を高めるために、高熱のコンポーネント (プロセッサー、チップセット、電源トランジスター) にはヒートシンクが取り付けられ、システムユニットとハードドライブには追加のファンが取り付けられます。しかし、これらのユニットのパワーフィルターの酸化物コンデンサーも燃料要素であることが判明しました。なぜこれが起こるのか、そしてその加熱を防ぐために何をする必要があるかについては、この記事で説明されています。

マイクロプロセッサでは、デジタルノードの数百万個のトランジスタが電源バスに接続され、プログラムで指定されたアルゴリズムに従って動作し、総消費電力は数十ワットに達します。最初の近似では、電力バスへの接続はランダムであるため、将来的には、プレゼンテーションを簡略化するために、それらをノイズと呼ぶことにします [1]。

マイクロプロセッサのキー状態変化フロントの持続時間は 10-8 秒を超えないため、生成されるノイズ (電流) のスペクトルの幅をわずかに過小評価すると、その上限 frp を 100 MHz 以上と決定することができます ( frp > 1/τf [2])、帯域幅周波数は 0 から 100 MHz 以上です。生成されるノイズ電力の 90% がこの範囲に集中します。プロセスのランダム (ノイズのような) 性質を考慮すると、実際にはこの範囲はさらに広くなります。

したがって、マイクロプロセッサは電源にとって複雑な負荷であり、電源回路内で広いスペクトル構成 (数百メガヘルツ) と高電力 (最大 5 ... 20 W) の電流を生成します。最大電流はマイクロプロセッサ負荷 100% で生成されます。

例として、Abit BE1-II マザーボード (プロセッサオーバークロックボードとして発表されました) のマイクロプロセッサコア電源回路図 (図 6) を考えてみましょう。

マイクロプロセッサ電源回路での酸化物コンデンサの使用の特徴

インダクタ L2,05 と容量 1 マイクロファラッドの 1 つの酸化物コンデンサ C3 ～ C1500 のフィルタを介した 100 V の電源電圧が、プロセッサの電源出力に供給されます。建設静電容量Сm は自己インダクタンスが低いため、生成されたノイズの高周波 (XNUMX MHz 以上) 電力成分を十分に分路します。

C1 ～ C3 として、最大動作温度 +105 °C の高品質ゲル酸化物コンデンサが使用されており、0,5 ... 5 W の電力を消費できます。おそらくこれにより、メーカーは自社の動作モードを無視できるようになったのでしょう。

測定の結果、60 つのケースファン (電源装置内と追加の 80 つ)、Golden Orb ファンを備えた Celeron プロセッサ、およびファンを備えたビデオカードが取り付けられたコンピュータを長期間動作させると、コンピュータの発熱が発生することがわかりました。前述のコンデンサの場合は +XNUMX ～ XNUMX °C に達しました。高い屋外温度では、XNUMX つのフィルタコンデンサのうち XNUMX つが連続して故障しました。まず、そのうち XNUMX つのケースが機械的に破壊され、その後コンピュータが動作中に定期的に「フリーズ」し始め、次に同じことが XNUMX 番目のコンデンサでも発生し、システムはすでに BIOS 処理段階で障害を起こし始めていました。「フリーズ」の原因は、制御信号パルスの振幅に応じた電圧サージが電源回路に現れることです。このようなグリッチは制御回路またはデータ回路に侵入し、プロセッサのパフォーマンスとデータの完全性を侵害します。

酸化物コンデンサのケースの温度によると、酸化物コンデンサは約 3 ～ 5 W の電力を消費すると結論付けることができます。発熱の原因は何ですか? 知られているように、酸化物コンデンサの発熱は、その体積内で放出される電力、つまり誘電体および金属要素での損失によって決まります。損失は損失角正接によって表されます。 tg δc = Rp/P = (Pm + Rd)/P = tg δM + tg δD、ここで Pp は損失電力です。 Pm - 金属における電力損失。 Rd は誘電体における電力損失です。 tg δM および tg δD - それぞれ金属と誘電体の損失角正接。酸化物コンデンサの tg δС の標準値は、周波数 1000 Hz で (2000...10)-4-50 です。このような値では、低周波電流の電力の 10 ～ 20% が熱に変換され、フィルタリングされた電流 (電圧) のスペクトルが数十メガヘルツに広がり、tg δС が周波数の増加とともに増加すると仮定します (tg δМ = Rп2πfС)。 )、80% 以上のノイズエネルギーがプロセッサによって生成され、電源回路によってフィルタリングされます。

温度の上昇は酸化物コンデンサの動作にどのように影響しますか？

絶縁抵抗は、温度が10°C上昇すると1,26...2倍減少し、温度が+105°Cの限界まで上昇すると7...350倍減少します（最小値は無機誘電体に対応し、最大値は有機誘電体に対応します）。コンデンサの耐電圧は、印加電圧の周波数が 10 倍増加すると 3 倍減少します (定格電力損失時) [XNUMX]。

上記のすべては、特別な措置を講じずにプロセッサの電源回路に酸化物コンデンサを使用することは受け入れられないことを示唆しています。この条件を守らないとマザーボードの信頼性が低下し、動作温度範囲内であってもマザーボードが故障する可能性があります。

簡単な解決策は次のとおりです。酸化物コンデンサへの高周波成分 (最大数十メガヘルツ) の侵入を防ぐために、容量 0,033 μF のパッケージレスセラミックコンデンサをプロセッサピンのすぐ近くに取り付けます。低周波コンポーネント (最大数百 kHz) への障害となる場合は、容量 3,3 ...4,7 uF のセラミックコンデンサをオンにしてください。このようなコンデンサの tg δС は小さいため、分流されたエネルギーは熱に変わりません。これらのコンデンサの無効電力の合計は 30 VAr です。

マイクロプロセッサコアの電源回路の変更されたスキームを図2に示します。 XNUMX。

マイクロプロセッサ電源回路での酸化物コンデンサの使用の特徴

このボードで改訂が行われたため、酸化物コンデンサのケースの温度が +20 ～ 30°C に低下しました。このボードは、2002 年の夏の暑い時期、室内気温 +40 ～ 50 °C でのテストに合格しました。さらに、コンピューターから発せられるノイズのレベルも低減されました。

サーバーとして使用されるコンピュータのシステムボード、100% の負荷で動作する他のコンピュータ (分散コンピューティングシステムなど)、ビデオカード、つまりプロセッサが最大負荷で動作するすべてのノードを、このような影響にさらすことをお勧めします。洗練されています。これは、あまり集中的に使用されないコンピュータにも役立ちます。システムユニットの熱放散が 10 ～ 25 W 減少すると、システムの信頼性に好影響を与えます。

文学

オット・ヘンリー・W. 電子システムにおけるノイズ低減技術。 - ジョン・ワイリー＆サンズ、ニューヨーク州、1976年。
ゴノロフスキー IS 無線エンジニアリング回路と信号。 4.1. - M.: ソビエトのラジオ、1967 年。
Dulin V. Zh.、Zhuk M. S. 無線電子機器の要素に関するハンドブック。 - M.: エネルギー、1977 年。

著者：A.Sorokin、Raduzhny、ウラジミール州

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