Merkmale der Verwendung von Oxidkondensatoren in Mikroprozessor-Leistungsschaltungen

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer

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Um die Zuverlässigkeit des Computerbetriebs zu erhöhen, werden stark erhitzte Komponenten (Prozessoren, Chipsatz, Netzteiltransistoren) mit Kühlkörpern ausgestattet und zusätzliche Lüfter in der Systemeinheit und auf Festplatten installiert. Es stellt sich jedoch heraus, dass die brennstofferzeugenden Elemente auch die Oxidkondensatoren der Leistungsfilter dieser Einheiten sind. Warum dies passiert und was getan werden muss, um eine Erwärmung zu verhindern, wird im Artikel beschrieben.

In einem Mikroprozessor sind Millionen von Transistoren digitaler Knoten an den Strombus angeschlossen und arbeiten nach von Programmen festgelegten Algorithmen, wobei der Gesamtstromverbrauch mehrere zehn Watt erreicht. In erster Näherung sind ihre Verbindungen zum Energiebus zufällig, daher werden wir sie in Zukunft zur Vereinfachung der Darstellung als Rauschen bezeichnen [1].

Die Dauer der Front der Zustandsänderung der Tasten im Mikroprozessor überschreitet nicht 10-8 s, daher können wir durch leichte Reduzierung der Breite des Spektrums des erzeugten Rauschens (Ströme) dessen Obergrenze frp als bestimmen mehr als 100 MHz (frp > 1/τph [2]) und die Bandbreitenfrequenzen – von 0 bis mehr als 100 MHz. 90 % der erzeugten Schallleistung sind in diesem Bereich konzentriert. Angesichts der zufälligen (rauschähnlichen) Natur der Prozesse ist dieser Bereich sogar noch größer.

Somit sind Mikroprozessoren komplexe Lasten für Stromversorgungen und erzeugen in Stromkreisen Ströme mit einer breiten spektralen Zusammensetzung (Hunderte Megahertz) und hoher Leistung (bis zu 5...20 W). Maximale Ströme werden bei 100 % Mikroprozessorauslastung erzeugt.

Betrachten wir als Beispiel den Stromkreisplan des Mikroprozessorkerns (Abb. 1) im BE6-II-Motherboard von Abit (es war als Board für Übertaktungsprozessoren angekündigt).

Über die Induktivität L2,05 und einen Filter aus drei Oxidkondensatoren C1-C1 mit einer Kapazität von 3 μF wird den Prozessor-Stromanschlüssen eine Versorgungsspannung von 1500 V zugeführt. Die Designkapazität Cm hat eine geringe Selbstinduktivität und überbrückt daher die hochfrequenten (mehr als 100 MHz) Leistungskomponenten des erzeugten Rauschens gut.

Als C1-C3 kommen hochwertige Gel-Oxid-Kondensatoren mit einer maximalen Betriebstemperatur von +105 °C und einer Verlustleistung von 0,5...5 W zum Einsatz. Vielleicht ermöglichte dies den Herstellern, nicht auf ihre Betriebsart zu achten.

Messungen zeigten, dass es im Langzeitbetrieb eines Computers, in dem zwei Gehäuselüfter (im Netzteil und ein zusätzlicher), ein Celeron-Prozessor mit Golden-Orb-Lüfter und eine Grafikkarte mit Lüfter verbaut waren, zu einer Erwärmung der Gehäuse kam der genannten Kondensatoren erreichten +60...80 °C. Bei hohen Außentemperaturen fielen zwei der drei Filterkondensatoren nacheinander aus: Zuerst wurde das Gehäuse eines von ihnen mechanisch zerstört, woraufhin der Computer während des Betriebs periodisch „einfrierte“, dann passierte dasselbe mit dem zweiten Kondensator und dem Das System begann bereits in der BIOS-Verarbeitungsphase auszufallen. Der Grund für das „Einfrieren“ ist das Auftreten von Spannungsspitzen in den Stromversorgungskreisen, die der Amplitude der Steuersignalimpulse entsprechen. Diese Überspannungen dringen in Steuer- oder Datenkreise ein und gefährden den Prozessorbetrieb und die Datenintegrität.

Aus der Temperatur der Gehäuse von Oxidkondensatoren lässt sich schließen, dass diese eine Verlustleistung von ca. 3...5 W haben. Was sind die Gründe für die Erwärmung? Wie bekannt ist, wird die Erwärmung eines Oxidkondensators durch die in seinem Volumen freigesetzte Leistung bestimmt, d. h. durch Verluste im Dielektrikum und in den Metallelementen. Verluste werden durch den Tangens des Verlustwinkels beschrieben: tan δс = Рп/Р = (Рм + Рд)/Р = tan δМ + tan δД, wobei Рп – Verlustleistung; Рм – Leistungsverlust im Metall; Рд – Leistungsverluste im Dielektrikum; tan δM und tan δD sind der Verlustfaktor für das Metall bzw. das Dielektrikum. Der typische Wert von tg δС eines Oxidkondensators beträgt (1000...2000)-10-4 bei einer Frequenz von 50 Hz. Bei diesen Werten werden 10 bis 20 % der Leistung niederfrequenter Ströme in Wärme umgewandelt, und da sich das Spektrum der gefilterten Ströme (Spannungen) auf mehrere zehn Megahertz erstreckt und tan δС mit zunehmender Frequenz zunimmt (tan δМ = Rп2πfС) , mehr als 80 % werden in Wärme umgewandelt, Rauschenergie, die vom Prozessor erzeugt und von Stromkreisen gefiltert wird.

Wie wirkt sich ein Temperaturanstieg auf den Betrieb eines Oxidkondensators aus?

Der Isolationswiderstand sinkt bei einem Temperaturanstieg um 10 °C um das 1,26...2-fache und bei einem Temperaturanstieg auf maximal +105 °C um das 7...350-fache (die Mindestwerte entsprechen anorganische Dielektrika und das Maximum auf organische). Die Spannungsfestigkeit des Kondensators verringert sich um das Dreifache, wenn die Frequenz der angelegten Spannung um das Zehnfache ansteigt (bei Nennleistungsverlusten) [10].

All dies deutet darauf hin, dass die Verwendung von Oxidkondensatoren in Prozessorstromkreisen ohne besondere Maßnahmen inakzeptabel ist. Die Nichteinhaltung dieser Bedingung führt zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit des Motherboards und kann selbst im Betriebstemperaturbereich zu deren Ausfall führen.

Eine einfache Lösung bietet sich an: Um das Eindringen hochfrequenter Komponenten (bis zu mehreren zehn Megahertz) in die Oxidkondensatoren zu verhindern, installieren Sie in unmittelbarer Nähe der Prozessoranschlüsse einen Open-Frame-Keramikkondensator mit einer Kapazität von 0,033 μF Als Barriere für niederfrequente Komponenten (bis zu Hunderten von Kilohertz) ist ein Keramikkondensator mit einer Kapazität von 3,3 ... 4,7 µF enthalten. Aufgrund der kleinen tg δС solcher Kondensatoren wird die abgeleitete Energie nicht in Wärme umgewandelt. Die Gesamtblindleistung dieser Kondensatoren beträgt 30 VAr.

Das modifizierte Schema des Stromkreises des Mikroprozessorkerns ist in Abb. 2 dargestellt. XNUMX.

Auf dieser Platine wurde die Modifikation durchgeführt, die zu einer Absenkung der Temperatur der Oxidkondensatorgehäuse auf +20...30°C führte. Die Tests im heißen Sommer 2002 bei einer Raumtemperatur von +40...50 °C hat die Platine erfolgreich bestanden. Darüber hinaus ist die Störaussendung des Computers gesunken.

Es empfiehlt sich, ähnliche Modifikationen an den Motherboards von Computern vorzunehmen, die als Server verwendet werden, anderen Computern, die mit 100 % Last arbeiten (z. B. in verteilten Computersystemen), sowie Grafikkarten, also allen Knoten, in denen Prozessoren mit maximaler Last arbeiten . Dies ist auch bei Computern sinnvoll, die nicht so intensiv genutzt werden: Eine Reduzierung der Wärmeentwicklung in der Systemeinheit um 10...25 W wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit des Systems aus.

Literatur

1. Ott Henry W. Rauschunterdrückungstechniken in elektronischen Systemen. - John Wiley & Sons, NY 1976.
2. Gonorovsky I. S. Funktechnische Schaltkreise und Signale. 4.1. - M.: Sowjetisches Radio, 1967.
3. Dulin V. Zh., Zhuk M. S. Handbuch zu Elementen radioelektronischer Geräte. - M.: Energie, 1977.

Autor: A.Sorokin, Raduzhny, Oblast Wladimir

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