Микропроцесорите са най-мощните енергийни консуматори в съвременните компютри. Консумация на ток на модерен микропроцесор може да достигне стойности от няколко десетки ампери. Качеството на захранващото напрежение на микропроцесора е най-важният фактор за определяне на устойчивостта на цялата система. За това как дънни платки производители решаване на проблема с осигуряването на мощен микропроцесор и висококачествена храна, се казва в статията на вашето внимание.

тактова честота на микропроцесори непрекъснато се разраства и сега достига няколко GHz. Увеличаването на честотата часовник на микропроцесора е придружено от значително увеличение в консумацията на енергия от тях, и, следователно, води до повишаване на температурата на матрицата на процесора. В допълнение, консумацията на енергия на микропроцесори влияние и увеличаване на броя на транзисторите й кристал (по-модерен процесор, по-високата степен на интеграция, тя има). Въпреки, че транзисторите CMOS, които формират основата на микропроцесори консумират затворени миниатюрни течения, но когато става дума за няколко милиона транзистора, разположени на надупчената процесор, а след това пренебрегване, вече не е необходимо. Главна консумация на енергия на CMOS транзистори се извършва в момента на създаването си, и, разбира се, че колкото повече транзистори са включени, толкова по-голямо количество енергия, която консумират. В резултат на това милиони транзистори са включени при висока честота, способни да предоставят такава консумация на ток на микропроцесор, която стойност е вече до 50 ампера или повече. По този начин, чип процесор започва да се загрява, което води до значително влошаване на процесите на включване на транзистора и може да ги повреди. В същото време да реши проблема единствено от радиатора не е възможно.

Всичко това принуждава производителите да намалят стойността на захранващото напрежение на микропроцесори, по-точно, на захранващото напрежение на неговото ядро. Намаляването на захранващото напрежение е в състояние да реши проблема с мощност разсейвана в чипа на микропроцесора и намаляване на неговата температура. Ако първия микропроцесор 80x86 Семейството има захранващо напрежение + 5V (за първи път и да се намали напрежението до + 3.3V се прилага в I80486), най-новите процесори поколение вече могат да работят при захранващо напрежение + 0.5V (вж. VR11 спецификация от Intel).

Но фактът, че такова ниско напрежение не се генерират от електрическата система на енергия. Припомнете си, че на изхода на напрежение генерира + 3.3V, + 5V и + 12V. По този начин, със собствен регулатор на напрежението трябва да се появи на дънната платка, успя да намали тези "високо" напрежение до нивото, необходимо за основната захранване на процесора, т.е. до стойност от 0.5 - 1.6 V (Фиг.1).

Тъй като този регулатор преобразува постоянното напрежение от 12 V в постоянно напрежение, но по-малка стойност, контролерът се нарича DC-DC конвертор (DC-DC конвертор за DC). Бих искал да привлече вниманието на всички специалисти, че ядрото на процесора напрежение се генерира сега от напрежение + 12V, вместо + 5V или + 3.3V, тъй като тя може да изглежда по-логично. Фактът, че напрежението канал + 12V е най-великият, и затова е възможно да се създаде значително по-голяма мощност с по-малка стойност на тока. По този начин, в съвременните компютърни системи става критична напрежение + 12V, и че най-големият ток в този канал. Това, между другото, също е отразено в стандартите, описващи изискванията за питание система, в съответствие с който канал товароносимост е + 12V максимум. В допълнение, на изхода на блока мощност трябва да бъде два + 12V канал (+ 12V1 и + 12V2), където текущия контрол във всеки от тези канали трябва да се извършва независимо. Един от тези канали, а именно + 12V2, се използва като време за сърцевина доставката на процесора, и за осигуряване на твърдите изисквания за стабилност и най-малките толеранси за отклонения от номиналната стойност.

Трябва да се отбележи също така в следващия момент. Тъй като мощността, консумирана от процесор, е достатъчно голям (може да достигне почти 100 W), е необходимо да се извършва преобразуване на напрежението по метод импулс. Линейната трансформация не може да осигури достатъчно висока ефективност за такава сила, и ще доведе до значителни загуби, и по този начин да се загрее елементи конвертора. Към днешна дата само вълничка трансформацията позволява да се получи ефективен и рентабилен захранване с малки размери и на разумна цена производителност. По този начин, съхранява DC-DC конвертор на дънната платка, която е вид надолу импулс конвертор (Фаза или Trim).

DC-DC конвертор надолу тип

Основна схема DC конвертор долар е показан на фигура 2. Трябва да се отбележи, че регулаторните органи от този тип в съвременната чужда литература са били наричани Buck Converter или Buck регулатор. Q1 на транзистора в тази схема е от ключово значение, което се ограничава / отваряне на позира на DC пулс напрежение.

Амплитудата на генерираните импулси е равна на 12V. За да се подобри ефективността на преобразуване, Q1 за превключване при висока честота (по-висока честота, по-ефективно превръщане). В реалните схеми дънна платка контролира честотата на инверторни транзистори превключване може да варира от 80 кHz до 2 MHz.

След това, полученият импулс напрежение се заглажда с индуктор L1 и електролитен кондензатор С1. В резултат на това C1sozdaetsya постоянно напрежение, но с по-малка величина. Големината на напрежение DC генерирани е пропорционална на ширината на импулса, получен на изхода Q1. Ако Q1 е отворена за по-дълъг срок, се съхранява в L1 енергия, също така ще бъде по-, че в резултат на това се увеличава напрежението на C1. В съответствие с това, от друга страна - с по-кратка продължителност отворен транзистор Q1. напрежение в С1 намалява. Този метод на постоянен контрол на напрежението се нарича ширина импулсна модулация - PWM (PWM - импулсния).

Много важен елемент схема е диод D1. Този диод е подкрепена от товара ток, произведен бобина L1 на, през периодите когато Q1 транзистор е затворена. С други думи, в отворено Q1, индуктор ток и ток на натоварване, предоставен от източника на захранване и където индуктор натрупва енергия. След затваряне на транзистора Q1, натоварване ток се поддържа от енергията, натрупана в дросела. Този ток протича през D1, т.е. дросел енергия се изразходват за поддържане на товарния ток (вж. Фигура 3).

Въпреки това, в практически схеми долар регулатори, образувайки мощна течения, има някои проблеми. Фактът, че повечето от диоди не разполага с достатъчна производителност, а също така има относително високо съпротивление р-н кръстовище. Всичко това не е от решаващо значение при ниски токове на натоварване. Но при високи токове, всичко това води до значителна загуба, силно нагряване на диод D1 на, покачването на напрежението до изблици и обратната течения през диода при превключване на транзистора Q1. Ето защо тази схема е модифициран за подобряване на производителността и намаляване на загубите, причинявайки диода D1 вместо започна да използва един транзистор - Q2 (Фигура 4).

Транзистор Q2, като МОС-транзистор, има много ниска на резистентност и е с висока производителност. Тъй Q2 изпълнява функцията на диод, тя работи в синхрон с Q1, но строго фаза опозиция, т.е. заключване точка Q1 на, Q2 транзистор отваря и обратно, когато отворен Q1, Q2 транзистор - затворен (виж фиг.5.).

Такова решение е възможно само за организиране на преобразуватели на напрежение на съвременните дънни платки, които, както казахме, изисква много висок ток за процесор.

След завършване на преглед на основните технологии на импулсни регулатори на напрежение, се обръщат към практическите схеми на тяхната реализация.

Основи на организацията на CPU ядро ​​напрежение регулатор

Веднага си струва да се спомене, че отдавна са първоначалните производители базови стартирахме специализирани чипове, предназначени за изграждането на импулсен регулатори на напрежението PC дънни платки. Използването на такива специализирани чипове може да се подобри ефективността на контролера, за да се осигури тяхната висока компактност и намаляване на разходите, както на регулаторните органи и на разходите за тяхното развитие. Към днешна дата, три вида чипове, използвани в регулатори на напрежение дънни платки могат да бъдат идентифицирани, предназначени за ядрото на процесора напрежение:

- основен регулатор (Главна Controller), който също се нарича контролер PWM (PWM-Controller) или регулатор на напрежение (напрежение регулатор);

- контрол на водача MOS транзистори (Synchronous-Rectifier MOSFET Driver);

- Комбиниран контролер съчетава функциите и контролера на PWM и шофьор MOS транзистори.

Като се има предвид разнообразието на чипове, използвани в съвременните дънни платки, можем да намерим два основни варианта за изграждане на регулаторите пулс напрежение за захранване на процесор ядро.

I изпълнение. Това изпълнение е типично за приложения в системните платки входно ниво различни ниска производителност, т.е. това е най-често се използва за дънни платки, които не разполагат с използването на високо-производителни, мощни процесори. В това изпълнение на мощност транзистори на инвертора се контролира от комбинацията на контролер IC. Този чип осигурява следните функции:

- Прочети статус сигнал идентифициране доставка процесор напрежение (VIDn);

- формиране на PWM сигнал за синхронно управление на MOSFET мощност;

- контрол стойност образува напрежение;

- изпълнение на настоящата защита на MOSFET мощност;

- образуване на сигнал потвърждава правилното функциониране на контролера и като на изхода на правилното напрежение за захранване на процесор сърцевина (PGOOD сигнал).

Пример за това изпълнение на регулатор на напрежение е представена на фиг.6. В този случай, както видяхме, че транзисторите електроцентрали са пряко свързани с изходите на комбинираната контролер чип. Като такива HIP6004 контролер чип се използва достатъчно често.

II вариант. Този вариант е типично за дъските на системата, предназначени за високопроизводителни процесори. Тъй като процесор висока производителност включва употребата на големи токове, регулатор на напрежение прави многоканална (Фигура 7).

Като множество канали намалява текущата стойност на всеки канал, т.е. намаляване на токовете включват MOSFETs. Това, от своя страна, подобрява надеждността на цялата верига, и ви позволява да използвате по-малко мощни транзистори, което има положителен ефект върху стойността на двата регулатора и на дънната платка като цяло.

Това изпълнение се характеризира с използване на два вида контролер ИС: майстор PWM контролер и водача MOS транзистори. Синхронно контрол на транзистори MOS се извършва шофьори, всеки от които може да се управлява като една и две двойки транзистори. Водачът осигурява antiphase превключване транзистори в съответствие с входен сигнал (обикновено означен PWM), който определя честотата на превключване и отворено положение на транзистори. Броят на ИС на драйвери съответства на броя на превключване регулатор канали.

Контролирайте всички драйвери носи основната контролер (Main Controller), към който основните функции са:

- пулс оформянето за контрол на MOSFET транзисторите за водач;

- промените в ширината на импулсите за управление, за да се стабилизира регулатора на изходното напрежение;

- контрол на изходния контролен напрежение;

- осигуряване на свръхток защита MOS транзистори;

- прочетете сигнал статус идентифициране доставка процесор напрежение (VIDn).

В допълнение към тези функции могат да се извършват и други допълнителни функции, чието присъствие се определя от вида на главния контролер.

Общата схема на такъв регулатор на напрежение е показано на Фигура 8. Повечето съвременни основните контролери са 4-канален, т.е. 4 са изход PWM сигнал за контрол на транзистора шофьор.

По този начин, в настоящия момент, регулатори за сърцевини процесорът може да бъде 2-канал, канал 3 и Канал 4.

Пример 2. изпълнение на регулатора на канал е представена на фигура 9. Този контрол е изградена с помощта на чипове тип Главна контролер HIP6301, която по принцип е четири канала, два канала, но остава неизползвана.

Като основен двигател в схема използва HIP6601B чип.

Пример 4 приложи връзка контролер се използва същата Главна Controller'a представена в Фиг.10.

HIP6301 контролер декодира процесор напрежение с 5-битов идентификационен код (VID0 - VID4) и генерира PWM изходни импулси с честота до 1,5 MHz. В допълнение, те образуват PGOOD сигнал (добра храна) в случай, че ядрото на процесора напрежение генерира напрежение регулатор съответства на стойността, определена чрез VIDn сигнали.

Характеристики контролери многоканални

При използване на многоканални регулатори могат да бъдат отбелязани няколко проблеми, които трябва да бъдат решени за разработчици на платки. Фактът, че всеки канал е регулатор превключване, което превключване на по-висока честота, генерира на изхода токови импулси. Тези импулси, разбира се, трябва да бъдат изгладени, а за тази цел, електролитни кондензатори и индуктори. Факт е обаче, че поради големия ток натоварване, кондензатори и индуктор, в края на краищата, не е достатъчно, за да се създаде един наистина постоянно напрежение, в резултат на пулсациите (фигура 11) се наблюдава в автобуса кухненски робот. И от тези колебания няма да спаси всяко увеличение в броя на кондензатори или повишаване на капацитета на кондензатор и индуктор, или увеличение на обменния курс (ако не е да се каже, увеличаване на честотата на няколко пъти). Естествено, тези пулсации може да доведе до нестабилна работа на процесора.

Няма проблем просто се намира в използването на многоканален архитектура на един регулатор на напрежение. Но само с помощта на множество паралелни канали, за да реши проблема, той все още не успяват. Необходимо е да се уверите, че различни канали ключове превключват с изместване на фазата, т.е. те трябва да се отвори един по един. Това ще го направи така, че всеки канал ще поддържа изходен ток на регулатора в строго определеното период от време. С други думи, кондензаторите на изглаждане се презареждат постоянно, но по различни канали по различно време. Например, ако контролер на 4-канален, изходните кондензатори се зареждат четири пъти на часовник период на контролера, т.е. импулсни токове на отделните канали са изместени по фаза една спрямо друга на 90 ° (вж. Фигура 12). Това съответства на увеличаване на конверсията на честота в 4 пъти, и ако честотата на транзистори на всеки канал превключване е 0,5 MHz, честотата на импулсите на кондензатор изглаждане вече ще бъде 2 MHz.

По този начин, PWM импулси се генерират на изхода на главния контролер верига (продукция PWM сигнали), трябва да следват определен фаза компенсира и фаза компенсира се определя от вътрешната архитектура на чипа и се дава обикновено в етапа на проектиране чипове. Въпреки това, някои контролери позволяват да ги конфигурирате за различни режими на работа: 2-фаза, фаза 3-или 4-фазов контрол (как се прави това може да се намери в описанията на самите контролери).