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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Caractéristiques de l'utilisation de condensateurs à oxyde dans les circuits de puissance des microprocesseurs
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / ordinateurs Pour augmenter la fiabilité de l'ordinateur, les composants hautement chauffés (processeurs, chipset, transistors d'alimentation) sont équipés de dissipateurs de chaleur, des ventilateurs supplémentaires sont installés dans l'unité centrale et sur les disques durs. Mais il s'avère que les condensateurs à oxyde des filtres de puissance de ces unités sont aussi des éléments combustibles. Pourquoi cela se produit et ce qui doit être fait pour empêcher leur échauffement est décrit dans l'article. Dans le microprocesseur, des millions de transistors de nœuds numériques sont connectés au bus de puissance, fonctionnant selon les algorithmes spécifiés par les programmes, avec une consommation électrique totale atteignant plusieurs dizaines de watts. En première approximation, leurs connexions au bus de puissance sont aléatoires, donc dans le futur, pour simplifier la présentation, nous les appellerons bruit [1]. La durée du front de changement d'état clé dans le microprocesseur ne dépasse pas 10-8 s, par conséquent, en sous-estimant légèrement la largeur du spectre de bruit généré (courants), il est possible de déterminer sa limite supérieure frp à plus de 100 MHz ( frp > 1/τf [2]), et les fréquences de la bande passante - de 0 à plus de 100 MHz. 90% de la puissance de bruit générée est concentrée dans cette plage. Compte tenu de la nature aléatoire (de type bruit) des processus, cette plage est en réalité encore plus large. Ainsi, les microprocesseurs sont des charges complexes pour les alimentations et génèrent des courants d'une large composition spectrale (des centaines de mégahertz) et d'une puissance élevée (jusqu'à 5 ... 20 W) dans les circuits de puissance. Les courants maximum sont générés à 100 % de charge du microprocesseur. À titre d'exemple, considérons le schéma du circuit d'alimentation du cœur du microprocesseur (Fig. 1) de la carte mère Abit BE6-II (elle a été annoncée comme une carte d'overclocking du processeur).
La tension d'alimentation de 2,05 V à travers l'inductance L1 et un filtre de trois condensateurs à oxyde C1-C3 d'une capacité de 1500 microfarads est fournie aux sorties de puissance du processeur. La capacité constructive Сm a une faible auto-inductance et dérive donc bien les composants de puissance haute fréquence (plus de 100 MHz) du bruit généré. En tant que C1-C3, des condensateurs à oxyde de gel de haute qualité avec une température de fonctionnement maximale de +105 ° C sont utilisés, capables de dissiper une puissance de 0,5 ... 5 W. Cela a peut-être permis aux fabricants d'ignorer leur mode de fonctionnement. Les mesures ont montré que pendant le fonctionnement à long terme d'un ordinateur dans lequel deux ventilateurs de boîtier (dans l'alimentation et un supplémentaire), un processeur Celeron avec un ventilateur Golden Orb et une carte vidéo avec un ventilateur sont installés, le chauffage de les cas des condensateurs mentionnés ont atteint +60...80 °C. À des températures extérieures élevées, deux des trois condensateurs de filtrage sont tombés en panne successivement: d'abord, le boîtier de l'un d'eux a été détruit mécaniquement, après quoi l'ordinateur a commencé à "geler" périodiquement pendant le fonctionnement, puis la même chose s'est produite avec le deuxième condensateur et le système a commencé à tomber en panne dès l'étape de traitement du BIOS. La raison des "gels" est l'apparition dans les circuits de puissance de surtensions proportionnelles à l'amplitude des impulsions du signal de commande. Ces problèmes pénètrent dans les circuits de contrôle ou de données et compromettent les performances du processeur et l'intégrité des données. Selon la température des boîtiers des condensateurs à oxyde, on peut en conclure qu'ils dissipent une puissance d'environ 3 ... 5 W. Quelles sont les causes de l'échauffement ? Comme on le sait, l'échauffement d'un condensateur à oxyde est déterminé par la puissance dégagée dans son volume, c'est-à-dire les pertes dans les éléments diélectriques et métalliques. Les pertes sont décrites par la tangente de l'angle de perte : tg δc = Rp/P = (Pm + Rd)/P = tg δM + tg δD, où Pp est la puissance de perte ; Pm - perte de puissance dans le métal; Rd est la puissance dissipée dans le diélectrique ; tg δM et tg δD - tangente d'angle de perte pour le métal et le diélectrique, respectivement. La valeur typique de tg δС d'un condensateur à oxyde est (1000...2000)-10-4 à une fréquence de 50 Hz. Avec de telles valeurs, de 10 à 20% de la puissance des courants basse fréquence passent en chaleur, et étant donné que le spectre des courants filtrés (tensions) s'étend jusqu'à des dizaines de mégahertz et que tg δС augmente avec l'augmentation de la fréquence (tg δM = Rп2πfС ), plus de 80% d'énergie sonore générée par le processeur et filtrée par les circuits de puissance. Comment une augmentation de la température affecte-t-elle le fonctionnement d'un condensateur à oxyde ? La résistance d'isolement diminue de 10 à 1,26 fois lorsque la température augmente de 2 °C, et lorsque la température atteint la limite de +105 °C - de 7 à 350 fois (les valeurs minimales correspondent aux diélectriques inorganiques, et les valeurs maximales correspondent aux diélectriques organiques) . La rigidité diélectrique du condensateur diminue trois fois avec une augmentation de la fréquence de la tension appliquée d'un facteur 10 (à la perte de puissance nominale) [3]. Tout ce qui précède suggère qu'il est inacceptable d'utiliser des condensateurs à oxyde dans les circuits de puissance du processeur sans prendre de mesures particulières. Le non-respect de cette condition entraîne une diminution de la fiabilité de la carte mère et peut entraîner leur défaillance même dans la plage de température de fonctionnement. Une solution simple s'impose : pour empêcher la pénétration de composants haute fréquence (jusqu'à des dizaines de mégahertz) dans les condensateurs à oxyde, installez un condensateur céramique sans boîtier d'une capacité de 0,033 μF à proximité immédiate des broches du processeur et, comme un obstacle aux composants basse fréquence (jusqu'à des centaines de kilohertz), allumez un condensateur céramique d'une capacité de 3,3 ... 4,7 uF. En raison du petit tg δС de ces condensateurs, l'énergie shuntée ne se transforme pas en chaleur. La puissance réactive totale de ces condensateurs est de 30 VAr. Le schéma modifié du circuit d'alimentation du noyau du microprocesseur est illustré à la fig. 2.
La révision a été effectuée sur cette carte, ce qui a conduit à une diminution de la température des boîtiers des condensateurs à oxyde à +20...30°C. La carte a passé avec succès les tests pendant la période chaude de l'été 2002 à une température de l'air dans la pièce de +40...50 °C. De plus, le niveau de bruit émis par l'ordinateur a été réduit. Il est conseillé de soumettre les cartes système des ordinateurs utilisés comme serveurs, d'autres ordinateurs fonctionnant à 100% de charge (par exemple, dans les systèmes informatiques distribués), ainsi que les cartes vidéo, c'est-à-dire tous les nœuds dans lesquels les processeurs fonctionnent avec une charge maximale, à un tel raffinement. . Il est également utile dans les ordinateurs qui ne sont pas utilisés de manière aussi intensive: une diminution de la dissipation thermique dans l'unité centrale de 10 ... 25 W affectera favorablement la fiabilité du système. littérature
Auteur: A.Sorokin, Raduzhny, région de Vladimir
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