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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Características do uso de capacitores de óxido em circuitos de potência de microprocessadores
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / informática Para aumentar a confiabilidade da operação do computador, componentes altamente aquecidos (processadores, chipset, transistores de alimentação) são equipados com dissipadores de calor e ventiladores adicionais são instalados na unidade do sistema e nos discos rígidos. Mas acontece que os elementos geradores de combustível também são os capacitores de óxido dos filtros de potência dessas unidades. Por que isso acontece e o que precisa ser feito para evitar o aquecimento está descrito no artigo. Em um microprocessador, milhões de transistores de nós digitais são conectados ao barramento de potência, operando de acordo com algoritmos especificados por programas, com consumo total de energia atingindo várias dezenas de watts. Numa primeira aproximação, suas conexões com o barramento de potência são aleatórias, então futuramente, para simplificar a apresentação, iremos chamá-los de ruído [1]. A duração da frente da mudança no estado das teclas no microprocessador não ultrapassa 10-8 s, portanto, reduzindo ligeiramente a largura do espectro de ruído gerado (correntes), podemos determinar seu limite superior frp como mais de 100 MHz (frp > 1/τph [2]), e as frequências de largura de banda - de 0 a mais de 100 MHz. 90% da potência do ruído gerado está concentrada nesta faixa. Considerando a natureza aleatória (semelhante ao ruído) dos processos, esta gama é na verdade ainda mais ampla. Assim, os microprocessadores são cargas complexas para fontes de alimentação e geram correntes de ampla composição espectral (centenas de megahertz) e alta potência (até 5...20 W) em circuitos de potência. As correntes máximas são geradas com 100% da carga do microprocessador. Consideremos, como exemplo, o diagrama do circuito de alimentação do núcleo do microprocessador (Fig. 1) da placa-mãe BE6-II da Abit (foi anunciada como uma placa para overclock de processadores).
Uma tensão de alimentação de 2,05 V é fornecida aos pinos de alimentação do processador através do indutor L1 e um filtro de três capacitores de óxido C1-C3 com capacidade de 1500 μF. A capacitância de projeto Cm possui baixa autoindutância e, portanto, desvia bem os componentes de potência de alta frequência (mais de 100 MHz) do ruído gerado. Capacitores de óxido de gel de alta qualidade com temperatura operacional máxima de +1 °C, capazes de dissipar potência de 3...105 W, são usados como C0,5-C5. Talvez isso tenha permitido que os fabricantes não prestassem atenção ao seu modo de operação. As medições mostraram que durante a operação de longo prazo de um computador no qual foram instaladas duas ventoinhas de gabinete (na fonte de alimentação e uma adicional), um processador Celeron com ventoinha Golden Orb e uma placa de vídeo com ventoinha, o aquecimento dos gabinetes dos capacitores mencionados atingiram +60...80 °C. Em altas temperaturas externas, dois dos três capacitores do filtro falharam sequencialmente: primeiro, a carcaça de um deles foi destruída mecanicamente, após o que o computador começou a “congelar” periodicamente durante a operação, depois o mesmo aconteceu com o segundo capacitor e o sistema começou a falhar já estágio de processamento do BIOS. A razão para os “congelamentos” é o aparecimento nos circuitos de alimentação de surtos de tensão proporcionais à amplitude dos pulsos do sinal de controle. Esses surtos penetram nos circuitos de controle ou de dados e comprometem a operação do processador e a integridade dos dados. Com base na temperatura das carcaças dos capacitores de óxido, podemos concluir que eles dissipam uma potência de cerca de 3...5 W. Quais são as causas do aquecimento? Como se sabe, o aquecimento de um capacitor de óxido é determinado pela potência liberada em seu volume, ou seja, perdas nos elementos dielétricos e metálicos. As perdas são descritas pela tangente do ângulo de perda: tan δс = Рп/Р = (Рм + Рд)/Р = tan δМ + tan δД, onde Рп - potência de perda; Рм - perda de potência no metal; Рд - perdas de potência no dielétrico; tan δM e tan δD são a tangente de perda para o metal e dielétrico, respectivamente. O valor típico de tg δС de um capacitor de óxido é (1000...2000)-10-4 a uma frequência de 50 Hz. Com esses valores, de 10 a 20% da potência das correntes de baixa frequência se transforma em calor, e dado que o espectro de correntes filtradas (tensões) se estende a dezenas de megahertz e tan δС aumenta com o aumento da frequência (tan δМ = Rп2πfС) , mais de 80% se transforma em energia de ruído térmico gerada pelo processador e filtrada pelos circuitos de alimentação. Como um aumento na temperatura afeta a operação de um capacitor de óxido? A resistência de isolamento com um aumento de temperatura em 10 °C cai 1,26...2 vezes, e com um aumento de temperatura até o máximo +105 °C - em 7...350 vezes (os valores mínimos correspondem a dielétricos inorgânicos e o máximo para orgânicos). A rigidez elétrica do capacitor diminui três vezes quando a frequência da tensão aplicada aumenta 10 vezes (com perdas de potência nominais) [3]. Todos os itens acima sugerem que o uso de capacitores de óxido em circuitos de potência do processador sem tomar medidas especiais é inaceitável. O não cumprimento desta condição leva à diminuição da confiabilidade da placa-mãe e pode causar sua falha mesmo na faixa de temperatura operacional. Uma solução simples se sugere: para evitar a penetração de componentes de alta frequência (até dezenas de megahertz) nos capacitores de óxido, instale um capacitor cerâmico de estrutura aberta com capacidade de 0,033 μF nas imediações dos terminais do processador, e , como barreira para componentes de baixa frequência (até centenas de quilohertz), inclui um capacitor cerâmico com capacidade de 3,3 ...4,7 µF. Devido ao pequeno tg δС de tais capacitores, a energia desviada não se transforma em calor. A potência reativa total desses capacitores é de 30 VAr. O esquema modificado do circuito de potência do núcleo do microprocessador é mostrado na fig. 2.
A modificação foi realizada nesta placa, o que levou a uma diminuição da temperatura das carcaças dos capacitores de óxido para +20...30°C. A placa passou com sucesso nos testes no quente verão de 2002 a uma temperatura ambiente de +40...50 °C. Além disso, o nível de interferência emitido pelo computador diminuiu. É aconselhável passar por modificações semelhantes nas placas-mãe dos computadores utilizados como servidores, outros computadores operando com 100% de carga (por exemplo, em sistemas de computação distribuídos), bem como nas placas de vídeo, ou seja, todos os nós nos quais os processadores operam com carga máxima . Também é útil em computadores que não são usados tão intensamente: reduzir a geração de calor na unidade do sistema em 10...25 W terá um efeito benéfico na confiabilidade do sistema. Literatura
Autor: A.Sorokin, Raduzhny, Região de Vladimir
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