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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 마이크로 프로세서 전원 회로에서 산화물 커패시터 사용의 특징
컴퓨터 작동의 신뢰성을 높이기 위해 발열이 심한 구성 요소(프로세서, 칩셋, 전원 공급 장치 트랜지스터)에는 방열판이 장착되어 있으며 시스템 장치와 하드 드라이브에 추가 팬이 설치되어 있습니다. 그러나 연료 생성 요소는 이러한 장치의 전력 필터의 산화물 커패시터이기도 한 것으로 밝혀졌습니다. 이런 일이 발생하는 이유와 가열을 방지하기 위해 수행해야 할 작업은 기사에 설명되어 있습니다. 마이크로프로세서에서는 수백만 개의 디지털 노드 트랜지스터가 전원 버스에 연결되어 프로그램에서 지정한 알고리즘에 따라 작동하며 총 전력 소비는 수십 와트에 이릅니다. 첫 번째 근사치에 따르면 전원 버스에 대한 연결은 무작위이므로 앞으로는 표현을 단순화하기 위해 이를 잡음이라고 부르겠습니다[1]. 마이크로프로세서의 키 상태 변화의 지속 시간은 10-8초를 초과하지 않으므로 생성된 노이즈(전류)의 스펙트럼 폭을 약간 줄임으로써 상한 frp를 다음과 같이 결정할 수 있습니다. 100MHz 이상(frp > 1/τph [2]), 대역폭 주파수 - 0에서 100MHz 이상. 생성된 노이즈 전력의 90%가 이 범위에 집중됩니다. 프로세스의 무작위(잡음과 같은) 특성을 고려하면 이 범위는 실제로 훨씬 더 넓습니다. 따라서 마이크로프로세서는 전원 공급 장치를 위한 복잡한 부하이며 전원 회로에서 넓은 스펙트럼 구성(수백 메가헤르츠) 및 고전력(최대 5~20W)의 전류를 생성합니다. 최대 전류는 100% 마이크로프로세서 로드에서 생성됩니다. 예를 들어 Abit의 BE1-II 마더보드(프로세서 오버클럭용 보드로 발표됨)의 마이크로프로세서 코어 전원 회로 다이어그램(그림 6)을 살펴보겠습니다.
2,05V의 공급 전압은 인덕터 L1과 1μF 용량의 3개 산화물 커패시터 C1500-C100 필터를 통해 프로세서 전원 핀에 공급됩니다. 설계 커패시턴스 Cm은 자체 인덕턴스가 낮으므로 생성된 잡음의 고주파수(XNUMXMHz 이상) 전력 성분을 잘 분류합니다. 최대 작동 온도가 +1°C이고 3~105W의 전력을 소비할 수 있는 고품질 산화겔 커패시터가 C0,5-C5으로 사용됩니다. 아마도 이로 인해 제조업체는 작동 모드에 주의를 기울이지 않게 되었을 것입니다. 측정 결과에 따르면 두 개의 케이스 팬(전원 공급 장치와 추가 팬)이 설치된 컴퓨터, Golden Orb 팬이 있는 Celeron 프로세서 및 팬이 있는 비디오 카드가 설치된 컴퓨터를 장기간 작동하는 동안 케이스가 가열되는 것으로 나타났습니다. 언급된 커패시터 중 +60...80 °C에 도달했습니다. 외부 온도가 높을 때 XNUMX개의 필터 커패시터 중 XNUMX개가 순차적으로 고장났습니다. 먼저 그 중 하나의 하우징이 기계적으로 파괴된 후 컴퓨터가 작동 중에 주기적으로 "정지"되기 시작한 다음 두 번째 커패시터와 동일한 현상이 발생했습니다. 시스템이 이미 BIOS 처리 단계에서 실패하기 시작했습니다. "동결"의 원인은 제어 신호 펄스의 진폭에 비례하는 전압 서지의 전원 공급 회로에 나타나기 때문입니다. 이러한 서지는 제어 또는 데이터 회로에 침투하여 프로세서 작동 및 데이터 무결성을 손상시킵니다. 산화물 커패시터 하우징의 온도를 기준으로 약 3~5W의 전력을 소비한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 가열의 원인은 무엇입니까? 알려진 바와 같이, 산화물 커패시터의 가열은 그 부피에서 방출되는 전력, 즉 유전체 및 금속 요소의 손실에 의해 결정됩니다. 손실은 손실 각도의 탄젠트로 설명됩니다. tan δс = Рп/Р = (Рм + Рд)/Р = tan δМ + tan δД, 여기서 Рп - 손실 전력; Рм - 금속의 전력 손실; Рд - 유전체의 전력 손실; tan δM과 tan δD는 각각 금속과 유전체의 손실 탄젠트입니다. 산화물 커패시터의 일반적인 tg δС 값은 1000Hz의 주파수에서 (2000...10)-4-50입니다. 이 값을 사용하면 저주파 전류 전력의 10~20%가 열로 변하고, 필터링된 전류(전압)의 스펙트럼이 수십 메가헤르츠로 확장되고 tan δС는 주파수가 증가함에 따라 증가합니다(tan δМ = Rп2πfС). , 80% 이상이 프로세서에 의해 생성되고 전력 회로에 의해 필터링되는 열 잡음 에너지로 전환됩니다. 온도 상승은 산화물 커패시터의 작동에 어떤 영향을 줍니까? 온도가 10°C 증가할 때 절연 저항은 1,26...2배 감소하고 최대 +105°C까지 온도가 증가하면 7...350배(최소값은 다음에 해당) 무기 유전체, 최대 유기 유전체). 인가 전압의 주파수가 10배(정격 전력 손실 시) 증가하면 커패시터의 전기적 강도는 3배 감소한다[XNUMX]. 위의 모든 내용은 특별한 조치를 취하지 않고 프로세서 전원 회로에 산화물 커패시터를 사용하는 것이 허용되지 않음을 시사합니다. 이 조건을 준수하지 않으면 마더보드의 신뢰성이 저하되고 작동 온도 범위에서도 오류가 발생할 수 있습니다. 간단한 해결책이 제시됩니다. 고주파 구성 요소(최대 수십 메가헤르츠)가 산화물 커패시터에 침투하는 것을 방지하려면 프로세서 터미널 바로 근처에 0,033μF 용량의 오픈 프레임 세라믹 커패시터를 설치하고 , 저주파 구성요소(최대 수백 킬로헤르츠)에 대한 장벽으로 3,3 ~4,7μF 용량의 세라믹 커패시터가 포함됩니다. 이러한 커패시터의 작은 tg δС로 인해 션트된 에너지는 열로 변하지 않습니다. 이 커패시터의 총 무효 전력은 30VAr입니다. 마이크로 프로세서 코어의 수정 된 전원 회로가 그림 2에 나와 있습니다. XNUMX.
이 보드에 수정이 수행되어 산화물 커패시터 하우징의 온도가 +20...30°C로 감소되었습니다. 보드는 2002년 더운 여름 +40...50 °C의 실내 온도에서 테스트를 성공적으로 통과했습니다. 또한 컴퓨터에서 방출되는 간섭 수준도 감소했습니다. 서버로 사용되는 컴퓨터, 100% 부하로 작동하는 기타 컴퓨터(예: 분산 컴퓨팅 시스템) 및 비디오 카드(즉, 프로세서가 최대 부하로 작동하는 모든 노드)의 마더보드도 유사한 수정을 거치는 것이 좋습니다. . 또한 집중적으로 사용되지 않는 컴퓨터에도 유용합니다. 시스템 장치의 열 발생을 10~25W 줄이면 시스템 신뢰성에 유익한 영향을 미칩니다. 문학
저자: A.Sorokin, Raduzhny, Vladimir 지역
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