عالم الأجهزة الطرفية للكمبيوتر الشخصي. استقرار الجهد الناتج ووظائف تحكم PWM

المعالجات الدقيقة هي أقوى مستهلكين للطاقة في أجهزة الكمبيوتر الحديثة. يمكن أن يصل الاستهلاك الحالي للمعالج الدقيق الحديث إلى عدة عشرات من الأمبيرات. في الوقت نفسه ، تعد جودة جهد إمداد المعالجات الدقيقة هي العامل الأكثر أهمية في تحديد استقرار النظام بأكمله. تم وصف كيفية حل الشركات المصنعة للوحات الأم مشكلة تزويد المعالجات الدقيقة بقوة قوية وعالية الجودة في المقالة التي لفتت انتباهك إليها.

الديباجة

يتزايد تردد ساعة المعالجات الدقيقة بشكل مطرد ويصل الآن إلى عدة جيجاهرتز. يرفع تردد الساعةيرافق المعالج الدقيق زيادة كبيرة في الطاقة التي يستهلكها ، وبالتالي يؤدي إلى زيادة درجة حرارة شريحة المعالج. بالإضافة إلى ذلك ، يتأثر استهلاك الطاقة للمعالجات الدقيقة أيضًا بزيادة عدد الترانزستورات الموجودة على رقاقاتها (كلما كان المعالج أكثر حداثة ، زاد عدد بدرجة عاليةلديه تكامل. على الرغم من أن ترانزستورات CMOS ، التي تشكل أساس المعالجات الدقيقة ، تستهلك تيارات هزيلة في الحالة المغلقة ، ولكن عندما نتحدث عن عدة ملايين من الترانزستورات الموجودة على شريحة معالج ، لم يعد من الضروري إهمال ذلك. يتم تنفيذ استهلاك الطاقة الرئيسي لترانزستورات CMOS في لحظة إدراجها ، وبطبيعة الحال ، كلما تحولت الترانزستورات في كثير من الأحيان ، زادت الطاقة التي تستهلكها. نتيجة لذلك ، تتحول ملايين الترانزستورات من تردد عالي، قادرة على ضمان استهلاك مثل هذا التيار بواسطة المعالج الدقيق ، الذي تصل قيمته بالفعل إلى 50 أمبير أو أكثر. وهكذا تبدأ بلورة المعالج في التسخين بقوة مما يؤدي إلى تدهور كبير في عمليات تبديل الترانزستورات ويمكن أن يعطلها. في الوقت نفسه ، لا يمكن حل المشكلة فقط عن طريق إزالة الحرارة.

كل هذا يجبر الشركات المصنعة على تقليل جهد إمداد المعالجات الدقيقة ، وبصورة أدق ، جهد إمداد قلبها. يمكن أن يؤدي تقليل جهد الإمداد إلى حل مشكلة الطاقة المشتتة على شريحة المعالج الدقيق وخفض درجة حرارتها. إذا كان لدى المعالجات الدقيقة الأولى من عائلة 80x86 جهد إمداد + 5 فولت (ولأول مرة تم تطبيق خفض الجهد إلى + 3.3 فولت في I80486) ، فيمكن لأحدث جيل من المعالجات الدقيقة العمل بالفعل بجهد إمداد + 0.5 فولت (راجع مواصفات VR11 من Intel).

لكن الحقيقة هي أن مثل هذه الفولتية المنخفضة لا ينتجها مصدر طاقة النظام. تذكر أنه يتم تشكيل الفولتية فقط + 3.3V و + 5V و + 12V عند خرجها. وبالتالي ، يجب أن تحتوي اللوحة الأم على منظم جهد خاص بها قادر على خفض الفولتية "عالية الجهد" هذه إلى المستوى اللازم لتشغيل قلب المعالج ، أي. يصل إلى 0.5 - 1.6 فولت (رسم بياني 1).

رسم بياني 1

نظرًا لأن هذا المنظم يوفر تحويل جهد ثابت قدره + 12V إلى جهد ثابت ، ولكن بمعدل أقل ، فقد أطلق على المنظم اسم محول DC-DC (محول التيار المباشرفي تيار مباشر). أود أن ألفت انتباه جميع المتخصصين إلى حقيقة أن الجهد الأساسي للمعالج يتم إنشاؤه الآن من جهد + 12V ، وليس من + 5V أو + 3.3V ، لأنه قد يبدو أكثر منطقية. الحقيقة هي أن جهد قناة + 12V هو الأعلى ، وبالتالي من الممكن إنشاء المزيد من الطاقة فيه بقيمة تيار أقل. وهكذا في العصر الحديث أنظمة الحوسبة+ 12V يصبح الجهد الأكثر أهمية ، وفي هذه القناة تتدفق أكبر التيارات. بالمناسبة ، ينعكس هذا أيضًا في المعايير التي تصف متطلبات كتل النظاممزود الطاقة ، وفقًا لذلك ، تكون سعة تحميل قناة + 12V كحد أقصى. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يحتوي خرج مصدر الطاقة على قناتين للجهد + 12 فولت (+ 12 فولت 1 و + 12 فولت 2) ، ويجب تنفيذ التحكم الحالي في كل من هذه القنوات بشكل مستقل. إحدى هذه القنوات ، وهي + 12V2 ، مخصصة فقط لتشغيل قلب المعالج ، وهي تخضع لمتطلبات الاستقرار الأكثر صرامة وأقل تفاوتات للانحرافات عن القيمة الاسمية.

من الضروري أيضًا ملاحظة النقطة التالية. نظرًا لأن الطاقة التي تستهلكها المعالجات كبيرة جدًا (يمكن أن تصل إلى 100 واط تقريبًا) ، يجب إجراء تحويل الجهد بواسطة طريقة النبض. التحول الخطيغير قادر على توفير كفاءة عالية بما فيه الكفاية في مثل هذه الطاقة ، وسوف يؤدي إلى خسائر كبيرة ، وبالتالي إلى تسخين عناصر المحول. حتى الآن ، فقط تحويل النبض يجعل من الممكن الحصول على مصدر طاقة فعال واقتصادي بأبعاد صغيرة وبتكلفة مقبولة للتنفيذ. وبالتالي ، يوجد على لوحة النظام محول DC-DC ، وهو محول تنحي من نوع التنحي (Step Down أو Trim).

DC-DC Step Down Converter

تظهر الدائرة الأساسية لمحول تيار مستمر في الصورة 2.أود أن أشير إلى أن المنظمين من هذا النوع في الأدبيات المستوردة الحديثة تسمى Buck Converter أو Buck Regulator. يعتبر الترانزستور Q1 في هذه الدائرة مفتاحًا ، عن طريق الإغلاق / الفتح ، ينتج جهدًا نابضًا من جهد ثابت.

الصورة 2

في هذه الحالة ، سعة النبضات المتولدة هي 12 فولت. لتحسين كفاءة التحويل ، يجب أن يتم التبديل Q1 بتردد عالٍ (كلما زاد التردد ، زادت كفاءة التحويل). في دوائر منظم اللوحة الأم الحقيقية ، يمكن أن يتراوح تردد التبديل لترانزستورات المحول من 80 كيلو هرتز إلى 2 ميجا هرتز.

علاوة على ذلك ، يتم تنعيم الجهد الدافع الناتج بواسطة المحرِّض L1 والمكثف الكهربائي C1. نتيجة لذلك ، يتم إنشاء جهد ثابت على C1 ، ولكن بحجم أصغر. في هذه الحالة ، سيكون حجم جهد التيار المستمر الناتج متناسبًا مع عرض النبضات المتلقاة عند خرج Q1. إذا تم فتح الترانزستور Q1 لفترة أطول ، فستكون الطاقة المخزنة في L1 أكبر أيضًا ، مما يؤدي ، نتيجة لذلك ، إلى زيادة الجهد على C1. وفقًا لذلك ، والعكس صحيح - مع مدة أقصر للحالة المفتوحة للترانزستور Q1 ، ينخفض ​​الجهد عبر C1. هذه الطريقة لتنظيم الجهد المباشر تسمى تعديل عرض النبضة - PWM (PWM - تعديل عرض النبضة).

عنصر مهم جدًا في الدائرة هو الصمام الثنائي D1. يحافظ هذا الصمام الثنائي على تيار الحمل الناتج عن المحرِّض L1 خلال تلك الفترات الزمنية عندما يكون الترانزستور Q1 مغلقًا. بمعنى آخر ، عندما يكون Q1 مفتوحًا ، يتم توفير تيار الحث وتيار الحمل من خلال مزود الطاقة ، بينما يتم تخزين الطاقة في المحرِّض. بعد إيقاف تشغيل Q1 ، يتم الحفاظ على تيار الحمل بواسطة الطاقة المخزنة في المحرِّض. يتدفق هذا التيار عبر D1 ، أي يتم إنفاق طاقة المحرِّض على الحفاظ على تيار الحمل ( انظر الشكل 3).

تين. 3

ومع ذلك، في مخططات عمليةآه ، المنظمين الذين يولدون تيارات عالية ، هناك بعض المشاكل. الحقيقة هي أن معظم الثنائيات ليس لديها سرعة كافية ، ولديها أيضًا مقاومة مفتوحة كبيرة نسبيًا. السندات الإذنية تقاطع. كل هذا ليس ذا أهمية حاسمة في التيارات منخفضة الحمولة. ولكن في التيارات العالية ، يؤدي كل هذا إلى خسائر كبيرة ، وتسخين قوي للديود D1 ، وزيادة في الجهد ، وحدوث تيارات عكسية عبر الصمام الثنائي عند تبديل الترانزستور Q1. ذلك هو السبب هذا المخططتم الانتهاء منه من أجل زيادة الأداء وتقليل الخسائر ، ونتيجة لذلك ، بدلاً من الصمام الثنائي D1 ، تم استخدام ترانزستور آخر - Q2 (الشكل 4).

الشكل 4

الترانزستور Q2 ، كونه MOSFET ، لديه مقاومة منخفضة جدًا وسريع جدًا. نظرًا لأن Q2 يؤدي وظيفة الصمام الثنائي ، فإنه يعمل بشكل متزامن مع Q1 ، ولكن بشكل صارم في الطور المضاد ، أي في لحظة قفل Q1 ، يفتح الترانزستور Q2 ، وعلى العكس من ذلك ، عندما يكون Q1 مفتوحًا ، يتم إغلاق الترانزستور Q2 (انظر الشكل 5).

الشكل 5

هذا هو الحل الوحيد الممكن لتنظيم محولات الجهد على اللوحات الأم الحديثة ، حيث ، كما قلنا بالفعل ، تتطلب تيارات عالية جدًا لتشغيل المعالج.

بعد الانتهاء من مراجعة التقنيات الأساسية لتنظيم تبديل منظمات الجهد ، ننتقل إلى النظر في المخططات العملية لتنفيذها.

أساسيات تنظيم منظمات الجهد الأساسية للمعالج

من الجدير بالذكر على الفور أنه لفترة طويلة جدًا ، بدأ مصنعو قاعدة العناصر في إنتاج دوائر دقيقة متخصصة مصممة لبناء منظمات الجهد التحويل للوحات الأم. حواسيب شخصية. إن استخدام مثل هذه الدوائر الدقيقة المتخصصة يجعل من الممكن تحسين خصائص المنظمين ، وضمان انضغاطهم العالي وتقليل تكلفة كل من المنظمين أنفسهم وتكلفة تطويرهم. حتى الآن ، هناك ثلاثة أنواع من الدوائر الدقيقة المستخدمة في منظمات جهد اللوحة الأم المصممة لتشغيل قلب المعالج:

- وحدة التحكم الرئيسية (وحدة التحكم الرئيسية) ، والتي تسمى أيضًا وحدة التحكم PWM (وحدة التحكم PWM) أو منظم الجهد (منظم الجهد) ؛

- سائق التحكم في الترانزستور MOS (برنامج تشغيل MOSFET المتزامن المعدل) ؛

- وحدة تحكم مدمجة تجمع بين وظائف كل من وحدة التحكم PWM وبرنامج تشغيل MOSFET.

مع الأخذ في الاعتبار تنوع الدوائر الدقيقة المستخدمة ، في اللوحات الأم الحديثة ، يمكننا العثور على خيارين رئيسيين لبناء منظمات الجهد الكهربي المحولة لتشغيل قلب المعالج.

أنا الخيار. يعتبر هذا الخيار نموذجيًا للوحات الأم للمبتدئين ذات الأداء المنخفض ، أي غالبًا ما يتم استخدامه على اللوحات الأم التي لا توفر استخدامًا عالي الأداء و معالجات قوية. في هذا الإصدار ، يتم التحكم في ترانزستورات الطاقة الخاصة بالمحول بواسطة دائرة كهربائية صغيرة لوحدة التحكم المدمجة. توفر هذه الشريحة الوظائف التالية:

- قراءة حالة إشارات تعريف جهد إمداد المعالج (VIDn) ؛

- توليد إشارات PWM للتحكم المتزامن في دوائر MOSFETs للطاقة ؛

- التحكم في قيمة جهد الإمداد المتولد ؛

- تنفيذ الحماية الحالية لدوائر MOSFETs الكهربائية ؛

- توليد إشارة تؤكد التشغيل الصحيح للمنظم ووجود الجهد الصحيح عند خرجه لتشغيل قلب المعالج (إشارة PGOOD).

يظهر مثال على مثل هذا المتغير لمنظم الجهد في شكل 6. في هذه الحالة ، كما نرى ، ترتبط ترانزستورات الطاقة مباشرة بمخرجات شريحة وحدة التحكم المدمجة. غالبًا ما تستخدم شريحة HIP6004 كوحدة تحكم.

الشكل 6

الثاني الخيار. هذا الخيار نموذجي للوحات الأم المصممة للعمل مع المعالجات عالية الأداء. نظرًا لأن المعالج عالي الأداء يعني استهلاك التيارات العالية ، فإن منظم الجهد يكون متعدد القنوات (الشكل 7).

الشكل 7

يسمح لك وجود عدة قنوات بتقليل مقدار التيار لكل قناة ، أي تقليل التيارات المحولة بواسطة MOSFETs. وهذا بدوره يزيد من موثوقية الدائرة بأكملها ويسمح باستخدام ترانزستورات أقل قوة ، مما له تأثير إيجابي على تكلفة كل من المنظم نفسه واللوحة الأم ككل.

يتميز هذا الإصدار من المنظم باستخدام نوعين من الدوائر الدقيقة: وحدة التحكم PWM الرئيسية ومحركات الترانزستور MOS. يتم تنفيذ التحكم المتزامن في MOSFET بواسطة السائقين ، حيث يمكن لكل منها التحكم في زوج واحد أو اثنين من الترانزستورات. يوفر السائق التبديل المضاد للطور للترانزستورات وفقًا لـ اشارة ادخال(يشار إليها غالبًا باسم PWM) ، والتي تحدد تردد التبديل والحالة المفتوحة للترانزستورات. يتوافق عدد شرائح المحرك مع عدد تحويل قنوات المنظم.

تتم إدارة جميع السائقين بواسطة وحدة التحكم الرئيسية (وحدة التحكم الرئيسية) ، وتشمل وظائفها الرئيسية ما يلي:

-تشكيل النبض للتحكم في محركات MOSFET ؛

- تغيير عرض نبضات التحكم هذه من أجل تثبيت جهد الخرج للمنظم ؛

- التحكم في جهد الخرج للمنظم ؛

- توفير الحماية الحالية للـ MOSFETs ؛

- قراءة حالة تزويد المعالج بإشارات تعريف الجهد (VIDn).

بالإضافة إلى هذه الوظائف ، يمكن إجراء وظائف مساعدة أخرى ، وسيتم تحديد وجودها حسب نوع وحدة التحكم الرئيسية المستخدمة.

يظهر المخطط العام لمنظم الجهد هذا في شكل 8. معظم وحدات التحكم الرئيسية الحديثة هي 4 قنوات ، أي لديك 4 إشارات خرج PWM لقيادة مشغلات الترانزستور.

الشكل 8

لذلك ، في الوقت الحالي ، يمكن أن تكون منظمات الجهد لنواة المعالج ثنائية القناة و 3 قنوات و 4 قنوات.

يتم تقديم مثال على تنفيذ منظم ثنائي القناة في شكل 9. تم تصميم هذا المنظم باستخدام شريحة وحدة التحكم الرئيسية من نوع HIP6301 ، والتي ، من حيث المبدأ ، عبارة عن أربع قنوات ، ولكن تم ترك قناتين غير مستخدمين.

الشكل 9

تستخدم رقائق HIP6601B كمحركات رئيسية في هذا المخطط.

يتم تقديم مثال على تنفيذ وحدة تحكم ذات 4 قنوات باستخدام نفس وحدة التحكم الرئيسية في شكل 10.

الشكل 10

تقوم وحدة التحكم HIP6301 بفك تشفير الجهد الأساسي للمعالج بناءً على رمز تعريف 5 بت (VID0 - VID4) وتولد نبضات PWM خرج بتردد يصل إلى 1.5 ميجاهرتز. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يولد إشارة PGOOD (طاقة جيدة) إذا كان الجهد الأساسي للمعالج الناتج عن منظم الجهد يطابق القيمة المحددة باستخدام إشارات VIDn.

ميزات المنظمين متعدد القنوات

عند استخدام منظمات الجهد متعددة القنوات ، هناك العديد من المشكلات التي يتعين على مصممي اللوحات الأم حلها. الحقيقة هي أن كل قناة عبارة عن منظم تبديل ، والذي ، بالتبديل بتردد عالٍ ، ينتج نبضات حالية عند خرجها. هذه النبضات ، بالطبع ، يجب أن يتم تنعيمها ، واستخدام المكثفات الإلكتروليتية والمختنق لهذا الغرض. لكن الحقيقة هي أنه نظرًا للحمل الحالي الكبير ، فإن سعة المكثفات ومحاثة المحاثات لا تكفي لإنشاء جهد ثابت حقًا ، ونتيجة لذلك يتم ملاحظة التموجات على ناقل طاقة المعالج (الشكل 11). علاوة على ذلك ، لا زيادة في عدد المكثفات ، ولا زيادة في سعة المكثفات وتحريض المحاثات ، ولا زيادة في تردد التحويل (ما لم نتحدث عن زيادة التردد عدة مرات) يحفظ من هذه التموجات. وبطبيعة الحال ، يمكن أن تؤدي هذه التموجات إلى تشغيل غير مستقر للمعالج.

الشكل 11

طريقة الخروج من المشكلة ، وجدت للتو في استخدام بنية متعددة القنوات لمنظم الجهد. لكن استخدام عدة قنوات متوازية فقط لحل المشكلة ، على أي حال ، لن ينجح. من الضروري التأكد من تبديل مفاتيح القنوات المختلفة بتغيير الطور ، أي يجب أن يفتحوا واحدًا تلو الآخر. سيؤدي هذا إلى التأكد من أن كل قناة ستحافظ على تيار الإخراج للجهة المنظمة لفترة زمنية محددة بدقة. بمعنى آخر ، سيتم شحن مكثفات التنعيم باستمرار ، ولكن من قنوات مختلفة في أوقات مختلفة. لذلك ، على سبيل المثال ، عند استخدام منظم 4 قنوات ، يتم إعادة شحن مكثفات الإخراج أربع مرات في دورة ساعة واحدة لوحدة التحكم ، أي التيارات النبضية للقنوات الفردية خارجة عن الطور فيما يتعلق ببعضها البعض بمقدار 90 درجة (انظر الشكل 12). هذا يتوافق مع زيادة بمقدار 4 أضعاف في تردد التحويل ، وإذا كان تردد التبديل للترانزستورات لكل قناة هو 0.5 ميجا هرتز ، فإن تردد النبض على مكثف التنعيم سيكون بالفعل 2 ميجا هرتز.

الشكل 12

وبالتالي ، يجب أن تتبع نبضات PWM التي يتم إنشاؤها عند خرج شريحة وحدة التحكم الرئيسية (إشارات خرج PWM) مع تحول طور معين ، ويتم تحديد تحول الطور هذا من خلال البنية الداخلية للرقاقة وعادة ما يتم ضبطه بالفعل في المرحلة من تصميم الرقاقة. لكن بعض وحدات التحكم تسمح لك بتكوينها وفقًا لـ أوضاع مختلفةالتشغيل: تحكم على مرحلتين أو 3 أطوار أو 4 مراحل (يمكن العثور على كيفية القيام بذلك في أوصاف وحدات التحكم نفسها).

من خلال هذا الدرس ، أبدأ سلسلة من المقالات حول تبديل المنظمين ، والمنظمين الرقميين ، وأجهزة التحكم في طاقة الخرج.

الهدف الذي حددته هو تطوير وحدة تحكم للثلاجة على عنصر بلتيير.

سنفعل تناظريًا لتطويري ، ويتم تنفيذه فقط على أساس لوحة Arduino.

• أثار هذا التطور اهتمام الكثيرين ، وتساقطت الرسائل علي مع طلبات لتنفيذه على Arduino.
• يعد التطوير مثاليًا لدراسة الأجهزة والبرامج الخاصة بوحدات التحكم الرقمية. بالإضافة إلى ذلك ، فهو يجمع بين العديد من المهام التي تمت دراستها في الدروس السابقة:
  • قياس الإشارات التناظرية
  • العمل مع الأزرار
  • اتصال أنظمة الإشارة ؛
  • قياس الحرارة؛
  • العمل مع EEPROM ؛
  • اتصال بجهاز كمبيوتر
  • عمليات موازية
  • وأكثر بكثير.

سأقوم بتطوير التطوير بالتسلسل ، خطوة بخطوة ، موضحًا أفعالي. ماذا ستكون النتيجة - لا أعرف. آمل في مشروع عمل كامل لوحدة تحكم الثلاجة.

ليس لدي مشروع منتهي. سأكتب دروسًا وفقًا للحالة الحالية ، لذلك قد يتبين أنني ارتكبت خطأ في مرحلة ما أثناء الاختبارات. سأصحح. هذا أفضل مني في تصحيح أخطاء التطوير وإصدار الحلول الجاهزة.

الاختلافات بين التطوير والنموذج الأولي.

الاختلاف الوظيفي الوحيد عن تطوير النموذج الأولي على وحدة التحكم PIC هو عدم وجود منظم جهد سريع يعوض عن تموج جهد الإمداد.

أولئك. يجب أن يكون هذا الإصدار من الجهاز مدعومًا بمصدر طاقة مستقر بمستوى منخفض من التموج (لا يزيد عن 5٪). يتم تلبية هذه المتطلبات من قبل كل الحديث كتل الدافعتَغذِيَة.

ويتم استبعاد خيار مصدر الطاقة من مصدر طاقة غير مستقر (محول ، مقوم ، مرشح سعوي). لا تسمح سرعة نظام Arduino بمنظم الجهد السريع. أوصي بالقراءة عن متطلبات الطاقة لعنصر بلتيير.

تطوير الهيكل العامالأجهزة.

في هذه المرحلة ، عليك أن تفهم بشكل عام:

• ما هي العناصر التي يتكون منها النظام ؛
• على أي وحدة تحكم لتنفيذه ؛
• هل هناك ما يكفي من الاستنتاجات و وظائفمراقب.

أتخيل وحدة التحكم على أنها "صندوق أسود" أو "حفرة قمامة" وقم بتوصيل كل ما أحتاج إليه. ثم أبحث ، على سبيل المثال ، عما إذا كانت لوحة Arduino UNO R3 مناسبة لهذه الأغراض.

في تفسيري يبدو مثل هذا.

قمت برسم مستطيل - وحدة التحكم وجميع الإشارات اللازمة لتوصيل عناصر النظام.

قررت أنني بحاجة للاتصال باللوحة:

• مؤشر LCD (لعرض النتائج والأوضاع) ؛
• 3 أزرار (للتحكم) ؛
• مؤشر LED للخطأ ؛
• مفتاح التحكم في المروحة (لتشغيل مروحة المبرد الجانبية الساخنة) ؛
• تبديل مفتاح التثبيت (لضبط قوة عنصر بلتيير) ؛
• المدخلات التناظرية لقياس الحمل الحالي ؛
• المدخلات التناظرية لقياس جهد الحمل ؛
• مستشعر درجة الحرارة في الغرفة (مستشعر دقيق بسلك واحد DS18B20) ؛
• مستشعر درجة حرارة المبرد (لم يقرر بعد أي مستشعر ، بدلاً من DS18B20 أيضًا) ؛
• إشارات اتصال الكمبيوتر.

كان هناك 18 إشارة في المجموع. تحتوي لوحة Arduino UNO R3 أو Arduino NANO على 20 دبوسًا. لا يزال هناك استنتاجان متبقيان في الاحتياط. ربما تريد توصيل زر آخر ، أو مصباح LED ، أو مستشعر رطوبة ، أو مروحة جانبية باردة ... نحتاج إلى 2 أو 3 مدخلات تناظرية ، واللوحة بها 6. وهذا هو. كل شيء يناسبنا.

يمكنك تعيين أرقام التعريف الشخصي على الفور ، يمكنك أثناء التطوير. عينت على الفور. يحدث الاتصال من خلال الموصلات ، يمكنك دائمًا التغيير. ضع في اعتبارك أن تعيينات الدبوس ليست نهائية.

مثبتات النبض.

من أجل تثبيت درجة الحرارة بدقة وتشغيل عنصر بلتيير في الوضع الأمثل ، من الضروري ضبط الطاقة عليه. المنظمين التناظرية (الخطية) والنبض (مفتاح).

المنظمات التناظرية هي عنصر منظم وحمل متصل في سلسلة بمصدر طاقة. عن طريق تغيير مقاومة عنصر التنظيم ، يتم ضبط الجهد أو التيار على الحمل. كعنصر منظم ، كقاعدة عامة ، يتم استخدام ترانزستور ثنائي القطب.

يعمل عنصر التحكم في الوضع الخطي. يتم تخصيص قوة "إضافية". في التيارات العالية ، تكون المثبتات من هذا النوع شديدة الحرارة وذات كفاءة منخفضة. منظم الجهد الخطي النموذجي هو رقاقة 7805.

هذا الخيار لا يناسبنا. سنقوم بعمل مثبت نبض (مفتاح).

تبديل المثبتات مختلفة. نحن بحاجة إلى منظم تبديل تنحي. دائمًا ما يكون جهد الحمل في هذه الأجهزة أقل من جهد الإمداد. تبدو دائرة منظم التبديل التنحي هكذا.

وهذا رسم تخطيطي للمنظم.

يعمل Transistor VT في الوضع الرئيسي ، أي يمكن أن يكون لها حالتان فقط: مفتوحة أو مغلقة. جهاز التحكم ، في حالتنا ، المتحكم الدقيق ، يقوم بتبديل الترانزستور بتردد معين ودورة عمل.

• عندما يكون الترانزستور مفتوحًا ، يتدفق التيار عبر الدائرة: مصدر الطاقة ، ومفتاح الترانزستور VT ، والمحث L ، والحمل.
• عندما يكون المفتاح مفتوحًا ، يتم توفير الطاقة المخزنة في المحرِّض للحمل. يتدفق التيار عبر الدائرة: الحث ، الصمام الثنائي VD ، الحمل.

وبالتالي ، فإن الجهد الثابت عند خرج المنظم يعتمد على نسبة وقت الفتح (أعلى) و مفتاح سري(tclose) ، أي في دورة عمل نبضات التحكم. عن طريق تغيير دورة العمل ، يمكن للميكروكونترولر تغيير الجهد عند الحمل. يقوم مكثف C بتنعيم تموج جهد الخرج.

الميزة الرئيسية لطريقة التنظيم هذه هي الكفاءة العالية. الترانزستور دائمًا في وضع التشغيل أو الإيقاف. لذلك ، يتم تبديد القليل من الطاقة عليه - دائمًا إما يكون الجهد عبر الترانزستور قريبًا من الصفر ، أو التيار هو 0.

هذا المخطط الكلاسيكيمنظم تنحي. في ذلك ، يتم قطع الترانزستور الرئيسي من السلك المشترك. يصعب قيادة الترانزستور ، مما يتطلب دوائر تحيز خاصة إلى سكة جهد الإمداد.

لذلك قمت بتغيير المخطط. في ذلك ، يتم فصل الحمل عن السلك المشترك ، ولكن يتم توصيل مفتاح بالسلك المشترك. يتيح لك هذا الحل التحكم في مفتاح الترانزستور من إشارة وحدة التحكم الدقيقة باستخدام مضخم تيار بسيط.

• عندما يكون المفتاح مغلقًا ، يدخل التيار الحمل عبر الدائرة: مزود الطاقة ، المحث L ، المفتاح VT (يظهر المسار الحالي باللون الأحمر).
• عندما يكون المفتاح مفتوحًا ، يتم إرجاع الطاقة المتراكمة في المحرِّض إلى الحمل من خلال الصمام الثنائي التجديدي VD (يظهر المسار الحالي باللون الأزرق).

التنفيذ العملي للمنظم الرئيسي.

نحتاج إلى تنفيذ عقدة منظم التبديل بالوظائف التالية:

• وحدة تحكم المفتاح الفعلية (المفتاح ، الخانق ، الصمام الثنائي المتجدد ، مكثف التنعيم) ؛
• دائرة قياس جهد الحمل ؛
• دائرة قياس التيار المنظم ؛
• حماية التيار الزائد للأجهزة.

أنا ، مع عدم وجود تغييرات تقريبًا ، أخذت دائرة المنظم من.

مخطط منظم التبديل للعمل مع لوحة Arduino.

لقد استخدمت ترانزستورات MOSFET IRF7313 كمفتاح طاقة. في مقال عن زيادة قوة وحدة التحكم في عنصر بلتيير ، كتبت بالتفصيل عن هذه الترانزستورات وحول بديل محتمل ومتطلبات الترانزستورات الرئيسية لهذه الدائرة. هنا رابط للوثائق الفنية.

على الترانزستورات VT1 و VT2 ، يتم تجميع محرك ترانزستور MOSFET رئيسي. هذا مجرد مضخم تيار ، من حيث الجهد حتى أنه يخفف الإشارة إلى حوالي 4.3 فولت ، لذلك ، يجب أن يكون الترانزستور الرئيسي منخفض العتبة. هناك طرق مختلفة لتنفيذ برامج تشغيل MOSFET. بما في ذلك استخدام برامج تشغيل متكاملة. هذا الخيار هو الأسهل والأرخص.

لقياس الجهد عند الحمل ، يتم استخدام مقسم R1 ، R2. مع قيم المقاوم هذه ومصدر جهد مرجعي 1.1 فولت ، يكون نطاق القياس 0 ... 17.2 فولت. تسمح لك الدائرة بقياس الجهد عند طرف التحميل الثاني بالنسبة للسلك الشائع. نحسب الجهد عند الحمل ، مع معرفة جهد مصدر الطاقة:

Uload = الاستخدام - غير محسوب.

من الواضح أن دقة القياس ستعتمد على ثبات الحفاظ على جهد مصدر الطاقة. لكننا لا نحتاج إلى دقة عالية في قياس الجهد والتيار وقوة الحمل. نحن بحاجة إلى قياس درجة الحرارة بدقة والحفاظ عليها فقط. سنقوم بقياسه بدقة عالية. وإذا أظهر النظام أن عنصر بلتيير يتمتع بقوة 10 وات ، لكنه في الحقيقة سيكون 10.5 وات ، فلن يؤثر ذلك على تشغيل الجهاز بأي شكل من الأشكال. هذا ينطبق على جميع معلمات الطاقة الأخرى.

يتم قياس التيار باستخدام مستشعر تيار المقاوم R8. يشكل المكونان R6 و C2 مرشح تمرير منخفض بسيط.

يتم تجميع أبسط حماية للأجهزة على عناصر R7 و VT3. إذا تجاوز التيار في الدائرة 12 أ ، فإن الجهد عبر المقاوم R8 سيصل إلى عتبة فتح الترانزستور البالغة 0.6 فولت. سيفتح الترانزستور ويغلق دبوس RES (إعادة الضبط) للمتحكم الدقيق على الأرض. كل شيء يجب أن ينطفئ. لسوء الحظ ، يتم تحديد عتبة هذه الحماية بواسطة جهد الباعث الأساسي للترانزستور ثنائي القطب (0.6 فولت). لهذا السبب ، لا تعمل الحماية إلا في التيارات الكبيرة. يمكنك استخدام المقارنة التناظرية ، ولكن هذا سيعقد الدائرة.

سيتم قياس التيار بشكل أكثر دقة مع زيادة مقاومة المستشعر الحالي R8. لكن هذا سيؤدي إلى إطلاق قوة كبيرة عليها. حتى مع وجود مقاومة تبلغ 0.05 أوم وتيار 5 أ ، يتبدد 5 * 5 * 0.05 = 1.25 واط على المقاوم R8. لاحظ أن المقاوم R8 بقوة 2 واط.

الآن ، ما هو التيار الذي نقيسه. نقيس الاستهلاك الحالي لمنظم التحويل من مصدر الطاقة. دائرة قياس هذه المعلمة أبسط بكثير من الدائرة لقياس تيار الحمل. حمولتنا "غير مقيدة" من السلك المشترك. لكي يعمل النظام ، من الضروري قياس الطاقة الكهربائية لعنصر بلتيير. نحسب الطاقة التي يستهلكها المنظم بضرب جهد إمداد الطاقة بالتيار المرسوم. لنفترض أن منظمنا لديه كفاءة بنسبة 100٪ ونقرر أن هذه هي القوة الموجودة على عنصر بلتيير. في الواقع ، ستكون كفاءة المنظم 90-95٪ ، لكن هذا الخطأ لن يؤثر على تشغيل النظام بأي شكل من الأشكال.

المكونات L2 و L3 و C5 عبارة عن مرشح RFI بسيط. قد لا يكون ضروريا.

حساب خنق مفتاح التثبيت.

يحتوي الخانق على معلمتين مهمتين بالنسبة لنا:

• الحث.
• تيار التشبع.

يتم تحديد الحث المطلوب للمحث بواسطة تردد PWM وتموج تيار المحرِّض المسموح به. هناك الكثير من المعلومات حول هذا الموضوع. سأقدم أبسط الحسابات.

طبقنا الجهد على المحرِّض وبدأ التيار من خلاله في زيادة التيار. زيادة ، لكنها لم تظهر ، لأن بعض التيار كان يتدفق بالفعل من خلال المحرِّض في اللحظة التي تم تشغيلي فيها).

الترانزستور مفتوح. الجهد متصل بالصمام الخانق:

Uchoke = Usupply - Uload.

بدأ التيار عبر المحرِّض في الزيادة وفقًا للقانون:

Ichoke = Uchoke * topen / L.

• Topen - مدة نبض المفتاح العام ؛
• L - الحث.

أولئك. يتم تحديد قيمة تيار التموج للمحث أو مقدار زيادة التيار خلال وقت المفتاح المفتوح من خلال التعبير:

Ioff - Ion = Uchoke * topen / L.

قد يتغير جهد الحمل. ويحدد الجهد عند الخانق. هناك صيغ تأخذ هذا في الاعتبار. لكن في حالتنا ، سأأخذ القيم التالية:

• إمداد الجهد 12 فولت ؛
• الحد الأدنى من الجهد على عنصر بلتيير 5 فولت ؛
• وسائل أقصى جهدعلى دواسة الوقود 12-5 = 7 فولت.

يتم تحديد مدة نبضة المفتاح العمومي topen حسب تواتر فترة PWM. كلما زاد ارتفاعه ، قل الحث الذي يحتاجه المحرِّض. الحد الأقصى لتردد PWM للوحة Arduino هو 62.5 كيلو هرتز. سأخبرك بكيفية الحصول على مثل هذا التردد في الدرس التالي. سوف نستخدمه.

لنأخذ الحالة الأسوأ - مفاتيح PWM بالضبط في منتصف الفترة.

• مدة الفترة 1/62500 هرتز = 0.000016 ثانية = 16 ميكرو ثانية ؛
• مدة المفتاح العمومي = 8 µs.

عادة ما يتم ضبط التموج الحالي في مثل هذه الدوائر على 20 ٪ من متوسط ​​التيار. لا ينبغي الخلط بينه وبين تموج الجهد الناتج. يتم تنعيمها بواسطة المكثفات عند خرج الدائرة.

إذا سمحنا بتيار قدره 5 أ ، فإننا نأخذ تموجًا حاليًّا بنسبة 10٪ أو 0.5 أ.

L = Uchoke * topen / Ipulsation = 7 * 8 / 0.5 = 112 μH.

تيار تشبع المحرِّض.

كل شيء في العالم له حدود. والخانق أيضًا. في بعض التيار ، يتوقف عن أن يكون محاثة. هذا هو تيار التشبع للمحث.

في حالتنا ، يتم تعريف الحد الأقصى لتيار الحث على أنه متوسط ​​التيار بالإضافة إلى تموج ، أي 5.5 أ. لكن من الأفضل اختيار تيار التشبع بهامش. إذا أردنا أن تعمل حماية الأجهزة في هذا الإصدار من الدائرة ، فيجب أن تكون 12 أ على الأقل.

يتم تحديد تيار التشبع من خلال فجوة الهواء في النواة المغناطيسية للمحث. في مقالات حول وحدات التحكم في عنصر بلتيير ، تحدثت عن تصميم دواسة الوقود. إذا بدأت في توسيع هذا الموضوع بالتفصيل ، فسنترك Arduino ، البرمجة ، ولا أعرف متى سنعود.

خنق بلدي يشبه هذا.

بطبيعة الحال ، يجب أن يكون سلك لف المحرِّض ذا مقطع عرضي كافٍ. الحساب بسيط - تحديد خسائر الحرارة بسبب المقاومة النشطة لللف.

مقاومة اللف النشطة:

رع = ρ * l / S ،

• Ra هي المقاومة النشطة لللف ؛
• Ρ - مقاومة المواد للنحاس 0.0175 أوم مم 2 / م ؛
• l طول اللف ؛
• S هو المقطع العرضي لسلك اللف.

الخسائر الحرارية على المقاومة النشطة للمحث:

يسحب المنظم الرئيسي تيارًا لائقًا من مصدر الطاقة ولا ينبغي السماح لهذا التيار بالمرور عبر لوحة Arduino. يوضح الرسم التخطيطي أن الأسلاك من مصدر الطاقة متصلة مباشرة بمكثفات الحجب C6 و C7.

تمر التيارات النبضية الرئيسية للدائرة عبر الدائرة C6 ، الحمل ، L1 ، D2 ، R8. يجب إغلاق هذه السلسلة بواسطة روابط ذات طول أدنى.

يتم توصيل السلك الشائع وناقل الطاقة للوحة Arduino بمكثف الحجب C6.

يجب أن تكون أسلاك الإشارة بين لوحة Arduino ووحدة منظم المفاتيح ذات الحد الأدنى للطول. من الأفضل وضع المكثفات C1 و C2 على الموصلات باللوحة.

لقد قمت بتجميع لوحة الدوائر. ملحوم فقط المكونات الضرورية. تبدو دائري المجمعة هكذا.

قمت بضبط PWM على 50٪ وفحصت تشغيل الدائرة.

• عند تشغيله من جهاز كمبيوتر ، شكلت اللوحة PWM معينة.
• بفضل الطاقة المستقلة من مصدر طاقة خارجي ، كان كل شيء يعمل بشكل رائع. تم تشكيل نبضات ذات جبهات جيدة على دواسة الوقود ، وكان هناك جهد ثابت عند الخرج.
• عندما قمت بتشغيل الطاقة من كل من الكمبيوتر ومصدر الطاقة الخارجي في نفس الوقت ، احترقت لوحة Arduino.

خطأي الغبي. دعني أخبرك حتى لا يكررها أحد. بشكل عام ، عند توصيل مصدر طاقة خارجي ، يجب أن تكون حذرًا ، ورن جميع التوصيلات.

ما يلي حدث لي. لم يكن هناك صمام ثنائي VD2 في الدائرة. أضفتها بعد هذه المشكلة. اعتقدت أنه يمكن تشغيل اللوحة من مصدر خارجي من خلال دبوس Vin. هو نفسه كتب في الدرس 2 أنه يمكن تشغيل اللوحة من مصدر خارجي عبر الموصل (إشارة RWRIN). لكنني اعتقدت أنها نفس الإشارة ، فقط على موصلات مختلفة.

0 فئة: . يمكنك المرجعية.

الجهاز يحتوي على قائمة. يتم الدخول إلى القائمة والانتقال إليها والخروج عن طريق الضغط في نفس الوقت على زري "H" و "B". في عملية هذا ، تظهر الذاكرة المقابلة على المؤشر ، "H-U" ، "B-U" (حدود الجهد المنخفض والعليا) ، "H-I" ، "B-I" (حدود التيار المنخفضة والعليا) ، "P-0" ، "P-1" - الوضع اليدوي أو التلقائي ، وتشغيل المرحل بعد عودة الجهد أو التيار ضمن الحدود المحددة. تشير "-З-" إلى أن المعلمات المحددة مكتوبة في ذاكرة غير متطايرة وأن وضع القائمة قد تم الخروج منه. في وضع القائمة ، يسمح لك الأزرار "H" و "B" بتغيير المعلمات في اتجاه أو آخر ، والضغط على الزر لمدة 3 ثوانٍ تقريبًا يسرع من تغيير المعلمة. يحدث التغيير في دائرة ، 99.8-99.9-0.0-0.01 ، إلخ. عندما يتم تجاوز الحدود المحددة ، يتم إيقاف تشغيل المرحل ، ويبدأ المؤشر في الوميض ، مما يشير إلى وقوع حادث. الذي - التي. يسمح الجهاز بشحن وتفريغ البطارية لجهد معين. علاوة على ذلك، نظام آلييسمح لك بالحفاظ على البطارية مشحونة باستمرار ، ويدويًا ، للتحكم في سعة البطارية ، في A / ساعة.

بعض الملاحظات. لا تنسى تشغيل 74HC595 ، 16n- + 5V ، 8n-ground. على الأزرار ، من الأفضل استخدام زوج من المقاومات 3K3 و 10K. لا يهم قطبية المؤشر ، يتم تحديده بواسطة المقاوم في الجزء الحادي عشر من وحدة التحكم (كما في الرسم التخطيطي).

مثال على تطبيق الشحن / التفريغ AB:

ملف Hex لـ PIC16F676 متحكم ، مع وظائف التحكم.
ليس لديك حق الوصول لتنزيل الملفات من خادمنا- ملف البرامج الثابتة لفولتميتر مع المعلمات Umax = 99.9V ؛ إيماكس = 9.99 أ ؛ Pmax = 99.9 / 999 واط ؛ Cmax = 9.99 أمبير / ساعة.
ليس لديك حق الوصول لتنزيل الملفات من خادمنا- ملف سداسي الفولتميتر مع وظائف مبتورة ، فقط Umax = 99.9V و Imax = 9.99A

خلق اللوحات الأممع زيادة عدد مراحل طاقة المعالج ، أصبح تدريجياً نوعًا من المنافسة بين الشركات المصنعة للوحات الأم. على سبيل المثال ، في الآونة الأخيرة ، أنتجت Gigabyte لوحات مزودة بإمدادات طاقة للمعالج 12 مرحلة ، ولكن في اللوحات التي تنتجها حاليًا ، زاد عدد المراحل إلى 24. ولكن هل من الضروري حقًا استخدام مثل هذا العدد الكبير من مراحل الطاقة ولماذا بعض الشركات المصنعة تزيدها باستمرار ، في محاولة لإثبات أنه كلما كان ذلك أفضل ، بينما البعض الآخر يكتفي بعدد صغير من مراحل الطاقة؟ ربما لا يكون عدد كبير من مراحل طاقة المعالج أكثر من وسيلة للتحايل التسويقية مصممة لجذب انتباه المستهلكين إلى منتجاتهم؟ في هذه المقالة ، سنحاول تقديم إجابة محفزة على هذا السؤال ، وننظر أيضًا بالتفصيل في مبادئ تشغيل مزودات الطاقة التحويلية متعددة المراحل للمعالجات وعناصر أخرى من اللوحات الأم (شرائح ، ذاكرة ، إلخ).

القليل من التاريخ

كما تعلم ، يتم تشغيل جميع مكونات اللوحات الأم (المعالج ، مجموعة الشرائح ، وحدات الذاكرة ، إلخ) بواسطة مصدر طاقة متصل بموصل خاص على اللوحة الأم. تذكر أنه يوجد على أي لوحة أم حديثة موصل طاقة ATX ذي 24 سنًا ، بالإضافة إلى موصل طاقة إضافي رباعي السنون (ATX12V) أو 8 سنون (EPS12V).

تولد جميع مصادر الطاقة جهدًا ثابتًا يبلغ ± 12 و ± 5 و +3.3 فولت ، ومع ذلك ، من الواضح أن الدوائر الدقيقة المختلفة للوحة الأم تتطلب جهدًا ثابتًا من الفئات الأخرى (علاوة على ذلك ، تتطلب الدوائر الدقيقة المختلفة جهد إمداد مختلف) ، وبالتالي تنشأ المشكلة لتحويل وتثبيت الجهد الثابت المستلم من مصدر الطاقة إلى جهد التيار المستمر المطلوب لتشغيل شريحة لوحة أم معينة (تحويل DC-DC). للقيام بذلك ، تستخدم اللوحات الأم محولات الجهد المناسبة (المحولات) ، والتي تخفض الجهد الاسمي لمصدر الطاقة إلى القيمة المطلوبة.

هناك نوعان من محولات DC-DC: الخطية (التناظرية) والنبضية. لم تعد محولات الجهد الخطي على اللوحات الأم موجودة اليوم. في هذه المحولات ، يتم تقليل الجهد عن طريق إسقاط جزء من الجهد على العناصر المقاومة وتبديد جزء من الطاقة المستهلكة على شكل حرارة. تم تزويد هذه المحولات بمشعات قوية وكانت ساخنة جدًا. ومع ذلك ، مع نمو الطاقة (وبالتالي ، التيارات) التي تستهلكها مكونات اللوحة الأم ، تم إجبار محولات الجهد الخطي على التخلي ، نظرًا لوجود مشكلة في تبريدها. تستخدم جميع اللوحات الأم الحديثة محولات DC-DC ، والتي تسخن بدرجة أقل بكثير من المحولات الخطية.

غالبًا ما يشار إلى محول DC / DC المتدرج لتشغيل المعالج على أنه VRM (وحدة تنظيم الجهد) أو VRD (انخفاض منظم الجهد). الفرق بين VRM و VRD هو أن وحدة VRD موجودة مباشرة على اللوحة الأم ، بينما VRM هي وحدة خارجية مثبتة في فتحة خاصة على اللوحة الأم. حاليًا ، لا يتم العثور على وحدات VRM الخارجية عمليًا ، وتستخدم جميع الشركات المصنعة وحدات VRD. ومع ذلك ، فإن اسم VRM نفسه قد ترسخ كثيرًا لدرجة أنه أصبح شائعًا والآن يستخدم للإشارة إلى وحدات VRD.

تبديل منظمات الجهد المستخدمة في الشرائح والذاكرة والدوائر الدقيقة الأخرى للوحات الأم ليس لها اسم محدد خاص بها ، ومع ذلك ، فهي لا تختلف من حيث المبدأ عن VRD. الفرق هو فقط في عدد مراحل الطاقة والجهد الناتج.

كما تعلم ، فإن أي محول جهد يتميز بجهد إمداد الدخل والإخراج. بالنسبة لجهد إمداد الخرج ، يتم تحديده بواسطة الدائرة الدقيقة المحددة التي يستخدم فيها منظم الجهد. لكن جهد الدخل يمكن أن يكون إما 5 أو 12 فولت.

سابقا (خلال معالجات إنتل Pentium III) استخدم جهد إدخال 5 فولت لتبديل منظمات الجهد ، ولكن بعد ذلك بدأ مصنعو اللوحات الأم في استخدام جهد إدخال 12 فولت في كثير من الأحيان ، والآن تستخدم جميع اللوحات جهد إمداد 12 فولت كجهد إدخال لتبديل منظمات الجهد.

مبدأ تشغيل منظم الجهد الكهربائي أحادي الطور

قبل الشروع في النظر في منظمات جهد إمداد التحويل متعدد المراحل ، دعنا نفكر في مبدأ تشغيل أبسط منظم جهد تبديل أحادي الطور.

تبديل مكونات منظم الجهد

يحتوي محول باك جهد إمداد الطاقة المحول بشكل أساسي على وحدة تحكم PWM (وحدة تحكم PWM) - مفتاح إلكتروني يتم التحكم فيه بواسطة وحدة تحكم PWM ويربط وفصل الحمل بشكل دوري عن خط جهد الدخل ، بالإضافة إلى مرشح LC بالسعة الاستقرائي إلى تهدئة تموجات الجهد الناتج. PWM هو اختصار لـ Pulse Wide Modulation (تعديل عرض النبضة ، PWM). مبدأ تشغيل محول الجهد التنحي النبضي على النحو التالي. ينشئ جهاز التحكم PWM سلسلة من نبضات جهد التحكم. إشارة PWM هي سلسلة من نبضات الجهد المستطيلة التي تتميز بالاتساع والتردد ودورة العمل (الشكل 1).

أرز. 1. إشارة PWM وخصائصها الرئيسية

دورة عمل إشارة PWM هي نسبة الفاصل الزمني الذي تكون فيه الإشارة مستوى عال، إلى فترة إشارة PWM: = / تي.

يتم استخدام الإشارة التي تم إنشاؤها بواسطة وحدة التحكم PWM للتحكم في المفتاح الإلكتروني ، والذي يقوم بشكل دوري ، عند تردد إشارة PWM ، بتوصيل وفصل الحمل إلى خط الطاقة 12 فولت. يجب أن يكون اتساع إشارة PWM بهذه السهولة تستخدم للتحكم في المفتاح الإلكتروني.

تبعا لذلك ، الإخراج مفتاح الكترونيهناك تسلسل من النبضات المستطيلة بسعة 12 فولت ومعدل تكرار يساوي تردد نبضات PWM. من المعروف من مسار الرياضيات أن أي إشارة دورية يمكن تمثيلها على أنها سلسلة توافقية (سلسلة فورييه). على وجه الخصوص ، فإن التسلسل الدوري للنبضات المستطيلة لنفس المدة ، عندما يتم تقديمه كسلسلة ، سيكون له مكون ثابت يتناسب عكسياً مع دورة عمل النبضات ، أي يتناسب طرديًا مع مدتها. من خلال تمرير النبضات المستلمة عبر مرشح تمرير منخفض (LPF) بتردد قطع أقل بكثير من معدل تكرار النبض ، يمكن عزل هذا المكون الثابت بسهولة ، والحصول على جهد ثابت ثابت. لذلك ، تحتوي محولات الجهد النبضي أيضًا على مرشح منخفض التردد يعمل على تنعيم (تصحيح) سلسلة من نبضات الجهد المستطيلة. مخطط كتلة الهيكليةيظهر محول الجهد التنحي النبضي في الشكل. 2.

أرز. 2. مخطط كتلة هيكلية لمثل هذا التنحي النبضي
محول الجهد

حسنًا ، دعنا الآن نلقي نظرة على عناصر محول جهد الإمداد النبضي باك بمزيد من التفصيل.

مفتاح إلكتروني وسائق تحكم

يتم دائمًا استخدام زوج من MOSFETs ذات القنوات n (MOSFETs) كمفتاح إلكتروني لتبديل محولات جهد إمداد الطاقة لمكونات اللوحة الأم ، متصلة بطريقة يتم فيها توصيل تصريف ترانزستور واحد بخط إمداد 12 فولت ، وهو مصدر هذا الترانزستور متصل بنقطة الإخراج واستنزاف ترانزستور آخر ، ومصدر الترانزستور الثاني مؤرض. تعمل ترانزستورات هذا المفتاح الإلكتروني (تسمى أحيانًا مفتاح الطاقة) بطريقة تجعل أحد الترانزستورات دائمًا في حالة مفتوحة ، والآخر في حالة مغلقة.

للتحكم في تبديل MOSFETs ، يتم تطبيق إشارات التحكم على بوابات هذه الترانزستورات. تُستخدم إشارة التحكم لوحدة التحكم PWM لتبديل MOSFETs ، ومع ذلك ، لا يتم تغذية هذه الإشارة مباشرة إلى بوابات الترانزستورات ، ولكن من خلال شريحة خاصة تسمى محرك MOSFET أو محرك طور الطاقة. هذا السائقيتحكم في تبديل MOSFETs بتردد محدد بواسطة وحدة التحكم PWM ، مع تطبيق الفولتية التحويلية المطلوبة على بوابات الترانزستورات.

عندما يتم تشغيل الترانزستور المتصل بخط الإمداد 12 فولت ، يتم إيقاف تشغيل الترانزستور الثاني ، المتصل من خلال استنزافه بمصدر الترانزستور الأول. في هذه الحالة ، يتم توصيل خط الإمداد 12 فولت بالحمل من خلال مرشح تنعيم. عندما يتم إغلاق الترانزستور المتصل بخط الإمداد بجهد 12 فولت ، يتم تشغيل الترانزستور الثاني وفصل خط إمداد 12 فولت عن الحمل ، ولكن الحمل متصل بالأرض من خلال مرشح تنعيم في هذه اللحظة.

مرشح تمرير منخفض LC

مرشح التمرير أو التمرير المنخفض هو مرشح LC ، أي محاثة متصلة في سلسلة بالحمل والسعة المتصلة بالتوازي مع الحمل (الشكل 3).

أرز. 3. مخطط محول الجهد النبضي أحادي الطور

كما هو معروف من دورة الفيزياء ، إذا تم تطبيق إشارة توافقية بتردد معين على مدخلات مرشح LC يو في (و)، ثم الجهد عند خرج المرشح يو خارج (و)يعتمد على تفاعلات الحث (Z L = j2fc)ومكثف ض ج = 1 / (ي 2fc). معامل النقل لمثل هذا المرشح ك (و) =(U out (f)) / (U in (f))يمكن حسابها من خلال النظر في مقسم الجهد المتكون من مقاومات تعتمد على التردد. للحصول على مرشح غير محمل ، نحصل على:

ك (و) = Z ج / (Z ج + Z L)= 1/(1 – (2 و) 2LC)

أو ، إذا قدمنا ​​الترميز f0 = 2/ ، ثم نحصل على:

ك (و) = 1 / (1 - (f / f0) 2)

يمكن أن نرى من هذه الصيغة أن معامل النقل لمرشح LC المثالي غير المحمل يزداد إلى أجل غير مسمى مع اقتراب التردد f0، ثم في و> و 0، ينخفض ​​بشكل متناسب 1 / f2. بترددات منخفضة (F معامل النقل قريب من الوحدة وعلى ارتفاع (و> و 0)- إلى الصفر. لذلك ، التردد و 0يسمى تردد القطع للمرشح.

كما لوحظ بالفعل ، فإن تنعيم نبضات الجهد باستخدام مرشح LC ضروري حتى يتم قطع تردد المرشح و 0 = 2/ كان أقل بكثير من معدل تكرار نبضات الجهد. هذا الشرطيسمح لك باختيار السعة والحث اللازمين للمرشح. ومع ذلك ، دعنا نستطرد من الصيغ ونحاول شرح مبدأ المرشح بلغة أبسط.

في اللحظة التي يكون فيها مفتاح الطاقة مفتوحًا (الترانزستور T 1 مفتوحًا ، الترانزستور T 2 مغلق) ، يتم نقل الطاقة من مصدر الإدخال إلى الحمل عبر المحاثة إلحيث يتم تخزين الطاقة. لا يتغير التيار المتدفق عبر الدائرة على الفور ، ولكن بشكل تدريجي ، لأن EMF الذي يحدث في المحاثة يمنع التيار من التغيير. في الوقت نفسه ، يتم أيضًا شحن المكثف المثبت بالتوازي مع الحمل.

بعد إغلاق مفتاح الطاقة (الترانزستور T 1 مغلق ، الترانزستور T 2 مفتوح) ، لا يتدفق التيار من خط جهد الدخل إلى المحاثة ، ولكن وفقًا لقوانين الفيزياء ، فإن الحث الناشئ EMF يحافظ على الاتجاه الحالي. أي خلال هذه الفترة ، يتم توفير التيار للحمل من العنصر الاستقرائي. لكي تغلق الدائرة ويتدفق التيار إلى مكثف التنعيم وإلى الحمل ، يفتح الترانزستور T 2 ، مما يوفر دائرة مغلقة وتدفق التيار على طول محاثة المسار - السعة والحمل - الترانزستور T 2 - الحث.

كما لوحظ بالفعل ، باستخدام مرشح التنعيم هذا ، يمكنك الحصول على جهد عند الحمل يتناسب مع دورة عمل نبضات التحكم في PWM. ومع ذلك ، من الواضح أنه باستخدام طريقة التنعيم هذه ، سيكون لجهد الخرج تموجات لجهد الإمداد بالنسبة لبعض القيمة المتوسطة (جهد الخرج) - شكل. 4. يعتمد حجم تموج الجهد عند الخرج على تردد التبديل للترانزستورات وقيمة السعة والحث.

أرز. 4. تموج الجهد بعد التنعيم باستخدام مرشح LC

استقرار الجهد الناتج ووظائف تحكم PWM

كما لوحظ بالفعل ، يعتمد جهد الخرج (لحمل معين ، وتردد ، ومحاثة ، وسعة) على دورة عمل نبضات PWM. نظرًا لأن التيار خلال الحمل يتغير ديناميكيًا ، تنشأ مشكلة استقرار جهد الخرج. ويتم ذلك بالطريقة التالية. يتم توصيل جهاز التحكم PWM الذي يولد إشارات تبديل الترانزستور بالحمل في حلقة تعليقويراقب باستمرار جهد الخرج عند التحميل. داخل وحدة التحكم PWM ، يتم إنشاء جهد إمداد مرجعي ، والذي يجب أن يكون على الحمل. تقارن وحدة التحكم PWM باستمرار جهد الخرج مع الجهد المرجعي ، وفي حالة حدوث عدم تطابق يو، ثم يتم استخدام إشارة الخطأ هذه لتغيير (تصحيح) دورة عمل نبضات PWM ، أي التغيير في دورة عمل النبضات ~ يو. وبالتالي ، يتحقق استقرار جهد الخرج.

بطبيعة الحال ، السؤال الذي يطرح نفسه: كيف تعرف وحدة التحكم PWM بجهد الإمداد المطلوب؟ على سبيل المثال ، إذا تحدثنا عن المعالجات ، إذن ، كما تعلم ، جهد الإمداد نماذج مختلفةقد يكون المعالج مختلفًا. بالإضافة إلى ذلك ، حتى بالنسبة لنفس المعالج ، يمكن أن يتغير جهد الإمداد ديناميكيًا اعتمادًا على حمله الحالي.

تتعرف وحدة التحكم PWM على جهد الإمداد الاسمي المطلوب عن طريق إشارة VID (معرف الجهد). للمعالجات الحديثة إنتل كورمعالجات i7 التي تدعم مواصفات طاقة VR 11.1 ، تكون إشارة VID 8 بت ، وبالنسبة للمعالجات القديمة المتوافقة مع مواصفات VR 10.0 ، كانت إشارة VID 6 بت. تتيح لك إشارة 8 بت VID (مزيج من 0 و 1) تعيين 256 مستوى مختلفًا من جهد المعالج.

حدود منظم الجهد الكهربائي أحادي الطور

تعتبر الدائرة أحادية الطور لمنظم جهد التبديل الذي نعتبره بسيطة في التنفيذ ، ولكنها تحتوي على عدد من القيود والعيوب.

إذا تحدثنا عن قيود منظم جهد إمداد التبديل أحادي الطور ، فإنه يكمن في حقيقة أن MOSFETs ، والمحثات (الإختناقات) ، والسعة لها حدود على الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن يمر من خلالها. على سبيل المثال ، بالنسبة لمعظم ترانزستورات MOSFET المستخدمة في منظمات الجهد للوحة الأم ، فإن الحد الحالي هو 30 A. أكثر من 100 ألف من الواضح أنه إذا تم استخدام منظم جهد إمداد أحادي الطور عند هذه القوة الحالية ، فإن عناصره ببساطة "تحترق".

إذا تحدثنا عن عيب منظم جهد إمداد التبديل أحادي الطور ، فإنه يكمن في حقيقة أن جهد إمداد الخرج له تموجات ، وهو أمر غير مرغوب فيه للغاية.

من أجل التغلب على القيود الحالية لتبديل منظمات الجهد ، وكذلك لتقليل تموج جهد الخرج ، يتم استخدام منظمات جهد التبديل متعددة الأطوار.

منظمات الجهد التحويل متعددة المراحل

في منظمات الجهد متعددة الأطوار ، يتم تشكيل كل مرحلة بواسطة محرك تبديل MOSFET ، وزوج من MOSFETs نفسها ، ومرشح تنعيم LC. في هذه الحالة ، يتم استخدام جهاز تحكم PWM متعدد القنوات ، حيث يتم توصيل العديد من أطوار الطاقة بالتوازي (الشكل 5).

أرز. 5. مخطط هيكليمتعدد الأطوار تحويل منظم الجهد العرض

طلب منظم المرحلة Nيسمح لك جهد الإمداد بتوزيع التيار على جميع المراحل ، وبالتالي ، سيكون التيار المتدفق عبر كل مرحلة في نمرات أقل من تيار الحمل (على وجه الخصوص ، المعالج). على سبيل المثال ، إذا كنت تستخدم منظم جهد مزود بمعالج رباعي الأطوار بحد حالي يبلغ 30 أمبير في كل مرحلة ، فسيكون الحد الأقصى للتيار عبر المعالج 120 أمبير ، وهو ما يكفي تمامًا لمعظم المعالجات الحديثة. ومع ذلك ، إذا تم استخدام المعالجات التي تحتوي على TDP من 130 واط أو كان من المتوقع أن يتم رفع تردد التشغيل عن المعالج ، فمن المستحسن عدم استخدام منظم جهد مزود بتبديل مكون من 6 مراحل أو استخدام الإختناقات والمكثفات و تم تصميم MOSFETs لتيار أعلى في كل مرحلة من مراحل الإمداد.

لتقليل تموج جهد الخرج في منظمات الجهد متعددة الأطوار ، تعمل جميع المراحل بالتزامن مع الوقت سم التحول بالنسبة لبعضها البعض. إذا كانت T هي فترة تبديل MOSFETs (فترة إشارة PWM) ويتم استخدامها نمراحل ، ثم سيكون التحول الزمني لكل مرحلة تي / ن(الشكل 6). جهاز التحكم PWM مسؤول عن مزامنة إشارات PWM لكل مرحلة مع تحول الوقت.

أرز. 6. تحولات التوقيت لإشارات PWM في منظم الجهد متعدد الأطوار

نتيجة لكون كل المراحل تعمل مع الوقت س m تحول بالنسبة لبعضها البعض ، كما سيتم تحويل تموج جهد الخرج والتيار لكل مرحلة على طول محور الوقت بالنسبة لبعضهما البعض. سيكون إجمالي التيار المار خلال الحمل هو مجموع التيارات في كل مرحلة ، وسيكون تموج التيار الناتج أقل من تموج التيار في كل مرحلة (الشكل 7).

أرز. 7. الحالية لكل مرحلة
والتيار الناتج عن الحمل
في منظم جهد ثلاثي الأطوار

لذا ، فإن الميزة الرئيسية لمنظمات جهد الإمداد بالتبديل متعدد الأطوار هي أنها تسمح ، أولاً ، بالتغلب على الحد الحالي ، وثانيًا ، لتقليل تموج جهد الخرج بنفس السعة والتحريض لمرشح التنعيم.

منظمات الجهد المنفصلة متعددة المراحل وتكنولوجيا DrMOS

كما أشرنا بالفعل ، يتم تشكيل كل مرحلة من مراحل الطاقة بواسطة محرك تحكم ، واثنين من MOSFET ، وخنق ومكثف. في نفس الوقت ، تتحكم وحدة تحكم PWM في عدة مراحل للطاقة في نفس الوقت. من الناحية الهيكلية ، على اللوحات الأم ، يمكن فصل جميع مكونات الطور ، أي أن هناك شريحة محرك منفصلة ، وترانزستورين MOSFET منفصلين ، ومحث منفصل وسعة. يتم استخدام هذا الأسلوب المنفصل من قبل معظم مصنعي اللوحات الأم (ASUS ، Gigabyte ، ECS ، AsRock ، إلخ). ومع ذلك ، هناك نهج مختلف قليلاً ، فعند استخدام شريحة واحدة تجمع بين ترانزستورات الطاقة والمحرك بدلاً من استخدام شريحة تشغيل منفصلة واثنين من ترانزستورات MOSFET. تم تطوير هذه التقنية بواسطة Intel وسميت DrMOS ، والتي تعني حرفياً Driver + MOSFETs. وبطبيعة الحال ، تُستخدم أيضًا الإختناقات والمكثفات المنفصلة في هذه الحالة ، ويتم استخدام وحدة تحكم PWM متعددة القنوات للتحكم في جميع المراحل.

حاليًا ، تُستخدم تقنية DrMOS فقط على اللوحات الأم MSI. من الصعب التحدث عن مزايا تقنية DrMOS مقارنة بالطريقة التقليدية المنفصلة لتنظيم مراحل الطاقة. هنا ، بدلاً من ذلك ، كل شيء يعتمد على شريحة DrMOS المحددة وخصائصها. على سبيل المثال ، إذا تحدثنا عن لوحات MSI جديدة للمعالجات من عائلة Intel Core i7 ، فإنهم يستخدمون شريحة Renesas R2J20602 DrMOS (الشكل 8). على سبيل المثال ، في لوحة MSIيستخدم Eclipse Plus منظم جهد معالج ذو 6 مراحل (الشكل 9) يعتمد على وحدة تحكم Intersil ISL6336A 6 قنوات PWM (الشكل 10) ورقائق Renesas R2J20602 DrMOS.

أرز. 8. DrMOS Chip Renesas R2J20602

أرز. 9. منظم جهد معالج سداسي الأطوار
على أساس 6 قنوات تحكم PWM Intersil ISL6336A
و DrMOS ICs Renesas R2J20602 على لوحة MSI Eclipse Plus

أرز. 10. ستة قنوات تحكم PWM
إنترسيل ISL6336A

Renesas R2J20602 DrMOS IC يدعم ترددات تحويل MOSFET حتى 2 ميجا هرتز وهو فعال للغاية. بجهد دخل 12 فولت ، ومخرج 1.3 فولت وتردد تحويل 1 ميجاهرتز ، تبلغ كفاءته 89٪. الحد الحالي هو 40 A. ومن الواضح أنه مع مزود طاقة المعالج سداسي الأطوار ، يتم توفير احتياطي تيار مزدوج على الأقل للدائرة الدقيقة DrMOS. مع القيمة الحالية الحقيقية البالغة 25 أ ، فإن استهلاك الطاقة (المنطلق كحرارة) لشريحة DrMOS نفسها هو 4.4 واط فقط. من الواضح أيضًا أنه عند استخدام شرائح Renesas R2J20602 DrMOS ، لا داعي لاستخدام أكثر من ست مراحل في منظمات جهد المعالج.

تعتمد Intel في اللوحة الأم Intel DX58S0 على شرائح إنتليستخدم X58 لمعالجات Intel Core i7 أيضًا منظم جهد معالج مكون من 6 مراحل ، ولكنه منفصل. يتم استخدام وحدة تحكم PWM ذات 6 قنوات ADP4000 من On Semiconductor للتحكم في مراحل الطاقة ، ويتم استخدام الدوائر الدقيقة ADP3121 كسائقين MOSFET (الشكل 11). تدعم وحدة التحكم ADP4000 PWM واجهة PMBus (ناقل إدارة الطاقة) وهي قابلة للبرمجة للتشغيل في مراحل 1 و 2 و 3 و 4 و 5 و 6 مع القدرة على تبديل عدد المراحل في الوقت الفعلي. بالإضافة إلى ذلك ، باستخدام واجهة PMBus ، يمكنك قراءة القيم الحالية لتيار المعالج والجهد واستهلاك الطاقة. يمكن للمرء أن يأسف فقط لأن Intel لم تنفذ هذه الميزات الخاصة بشريحة ADP4000 في الأداة المساعدة لمراقبة حالة المعالج.

أرز. 11. منظم جهد معالج سداسي الأطوار
استنادًا إلى وحدة تحكم ADP4000 PWM وبرامج تشغيل ADP3121 MOSFET
على لوحة Intel DX58S0 (تظهر مرحلتان للطاقة)

لاحظ أيضًا أن كل مرحلة طاقة تستخدم في ترانزستورات الطاقة NTMFS4834N MOSFET لأشباه الموصلات بحد حالي يبلغ 130 ألفًا. في هذه الحالة ، يفرض الحد الحالي لمرحلة العرض اختناقًا. في دائرة منظم الجهد قيد النظر ، يتم استخدام ملفات PULSE PA2080.161NL بحد حالي يبلغ 40 أمبير ، ولكن من الواضح أنه حتى مع هذا الحد الحالي ، تكفي ست مراحل من إمداد طاقة المعالج وهناك هامش كبير لرفع تردد التشغيل عن المعالج.

تقنية تبديل الطور الديناميكي

تستخدم جميع الشركات المصنعة للوحات الأم تقريبًا هذه التقنية التبديل الديناميكيعدد مراحل طاقة المعالج (نحن نتحدث عن لوحات لمعالجات Intel). في الحقيقة، هذه التكنولوجياليس جديدًا بأي حال من الأحوال وقد تم تطويره بواسطة Intel منذ وقت طويل. ومع ذلك ، كما يحدث في كثير من الأحيان ، بعد أن ظهرت ، تبين أن هذه التكنولوجيا لم يطالب بها السوق ولفترة طويلة في "المستودعات". وفقط عندما استحوذت فكرة تقليل استهلاك الطاقة لأجهزة الكمبيوتر على عقول المطورين ، تذكروا التبديل الديناميكي لمراحل طاقة المعالج. يحاول مصنعو اللوحات الأم تمرير هذه التكنولوجيا على أنها خاصة بهم والتوصل إلى أسماء مختلفة لها. على سبيل المثال ، يطلق عليه Gigabyte اسم Advanced Energy Saver (AES) ، ويطلق عليه ASRock اسم توفير الطاقة الذكي (IES) ، ويطلق عليه ASUS اسم EPU ، ويطلق عليه MSI تبديل المرحلة النشطة (APS). ومع ذلك ، على الرغم من تنوع الأسماء ، يتم تنفيذ كل هذه التقنيات بنفس الطريقة تمامًا ، وبالطبع ليست ملكية. علاوة على ذلك ، فإن القدرة على تبديل مراحل طاقة المعالج مدمجة في مواصفات Intel VR 11.1 ، وتدعمها جميع وحدات التحكم PWM المتوافقة مع مواصفات VR 11.1. في الواقع ، الشركات المصنعة للوحات الأم لديها القليل من الخيارات هنا. هذه إما وحدات تحكم PWM من Intersil (على سبيل المثال ، وحدة تحكم PWM ذات 6 قنوات Intersil ISL6336A) ، أو وحدات تحكم PWM من On Semiconductor (على سبيل المثال ، وحدة تحكم PWM ذات 6 قنوات ADP4000). يتم استخدام وحدات التحكم من الشركات الأخرى بشكل أقل. تدعم كل من وحدات التحكم المتوافقة مع Intersil و On Semiconductor VR 11.1 التبديل الديناميكي لمرحلة الطاقة. السؤال الوحيد هو كيف تستخدم الشركة المصنعة للوحة الأم قدرات وحدة التحكم PWM.

بطبيعة الحال ، السؤال الذي يطرح نفسه: لماذا تسمى تقنية التبديل الديناميكي لمراحل الطاقة بتوفير الطاقة وما هي كفاءة تطبيقها؟

ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، لوحة أم بها منظم جهد معالج سداسي الأطوار. إذا لم يكن المعالج محملاً بكثافة ، مما يعني أن التيار الذي يستهلكه صغير ، فمن الممكن تمامًا الحصول على مرحلتين للطاقة ، وتنشأ الحاجة إلى ست مراحل عندما يكون المعالج محملاً بكثافة ، عندما يستهلك التيار يصل إلى قيمته القصوى. في الواقع ، من الممكن جعل عدد مراحل الطاقة المتضمنة تتوافق مع التيار الذي يستهلكه المعالج ، أي بحيث يتم تبديل مراحل الطاقة ديناميكيًا اعتمادًا على حمل المعالج. لكن أليس من الأسهل استخدام جميع مراحل الطاقة الست في أي تيار معالج؟ للإجابة على هذا السؤال ، يجب أن تأخذ في الاعتبار أن أي منظم جهد نفسه يستهلك جزءًا من الكهرباء التي يحولها ، والتي يتم إطلاقها على شكل حرارة. لذلك ، فإن إحدى خصائص محول الجهد هي كفاءته ، أو كفاءة الطاقة ، أي نسبة الطاقة المنقولة إلى الحمل (إلى المعالج) إلى الطاقة التي يستهلكها المنظم ، وهي مجموع الطاقة التي يستهلكها الحمل والطاقة التي يستهلكها المنظم نفسه. تعتمد كفاءة الطاقة لمنظم الجهد على القيمة الحالية لتيار المعالج (حمله) وعدد مراحل الطاقة المعنية (الشكل 12).

أرز. 12. اعتماد كفاءة الطاقة (الكفاءة) لمنظم الجهد
على تيار المعالج مع عدد مختلف من مراحل الطاقة

فيما يلي اعتماد كفاءة الطاقة لمنظم الجهد على تيار المعالج بعدد ثابت من أطوار الطاقة. في البداية ، مع زيادة تيار الحمل (المعالج) ، تزداد كفاءة منظم الجهد بشكل خطي. علاوة على ذلك ، يتم الوصول إلى أقصى قيمة للكفاءة ، ومع زيادة أخرى في تيار الحمل ، تنخفض الكفاءة تدريجياً. الشيء الرئيسي هو أن قيمة تيار الحمل ، حيث يتم الوصول إلى أقصى قيمة للكفاءة ، تعتمد على عدد مراحل التوريد ، وبالتالي ، إذا تم استخدام تقنية التبديل الديناميكي لمراحل التوريد ، فإن كفاءة يمكن دائمًا الحفاظ على منظم جهد الإمداد على أعلى مستوى ممكن.

بمقارنة تبعيات كفاءة الطاقة لمنظم الجهد على تيار المعالج لعدد مختلف من مراحل الطاقة ، يمكننا أن نستنتج: في تيار معالج منخفض (مع حمل طفيف للمعالج) ، يكون من الأفضل استخدام عدد أقل من مراحل الطاقة. في هذه الحالة ، سوف يستهلك منظم الجهد نفسه طاقة أقل ويتم إطلاقها كحرارة. في التيارات العالية للمعالج ، يؤدي استخدام عدد صغير من مراحل الطاقة إلى انخفاض كفاءة الطاقة لمنظم الجهد. لذلك ، في هذه الحالة ، من الأفضل استخدام عدد أكبر من مراحل الطاقة.

من الناحية النظرية ، يجب أن يقلل استخدام تقنية التبديل الديناميكي لمراحل طاقة المعالج ، أولاً ، من إجمالي استهلاك الطاقة للنظام ، وثانيًا ، تبديد الحرارة على منظم جهد الإمداد نفسه. علاوة على ذلك ، وفقًا لمصنعي اللوحات الأم ، يمكن أن تقلل هذه التقنية من استهلاك طاقة النظام بنسبة تصل إلى 30٪. طبعا 30٪ رقم مأخوذ من السقف. في الواقع ، يمكن لتقنية التبديل الديناميكي لمراحل الطاقة أن تقلل من إجمالي استهلاك الطاقة للنظام بما لا يزيد عن 3-5٪. الحقيقة هي أن هذه التقنية تسمح لك بتوفير الكهرباء التي يستهلكها منظم الجهد نفسه فقط. ومع ذلك ، فإن المستهلكين الرئيسيين للكهرباء في الكمبيوتر هم المعالج وبطاقة الفيديو ومجموعة الشرائح والذاكرة ، وعلى خلفية إجمالي استهلاك الطاقة لهذه المكونات ، فإن استهلاك الطاقة لمنظم الجهد نفسه صغير جدًا. لذلك ، بغض النظر عن كيفية تحسين استهلاك الطاقة لمنظم الجهد ، فمن المستحيل ببساطة تحقيق وفورات كبيرة.

تسويق "رقائق" الشركات المصنعة

يبذل مصنعو اللوحات الأم جهودًا كبيرة لجذب انتباه المشترين إلى منتجاتهم وإثبات أنهم أفضل من منتجات المنافسين! إحدى هذه "الرقائق" التسويقية هي الزيادة في مراحل طاقة منظم جهد المعالج. إذا تم استخدام منظمات جهد سداسية المراحل سابقة على اللوحات الأم العليا ، فإنها تستخدم الآن 10 و 12 و 16 و 18 وحتى 24 مرحلة. هل تحتاج حقًا إلى الكثير من مراحل الطاقة ، أم أن هذه مجرد وسيلة للتحايل التسويقي؟

بالطبع ، تتمتع منظمات الجهد متعددة الأطوار بمزاياها التي لا يمكن إنكارها ، ولكن هناك حدًا معقولًا لكل شيء. على سبيل المثال ، كما أشرنا بالفعل ، يسمح عدد كبير من أطوار الطاقة باستخدام مكونات التيار المنخفض (MOSFETs ، الإختناقات والسعة) في كل مرحلة طاقة ، والتي ، بالطبع ، أرخص من مكونات الحد الحالية العالية. ومع ذلك ، تستخدم جميع الشركات المصنعة للوحات الأم الآن مكثفات بوليمر صلبة وخنق قلب حديدي ، والتي لها حد حالي لا يقل عن 40 ألفًا. الحد الحالي 75 أ). من الواضح أنه مع مثل هذه القيود الحالية ، يكفي استخدام ست مراحل للطاقة في كل مرحلة من مراحل الموجة. منظم الجهد هذا قادر نظريًا على توفير تيار معالج يزيد عن 200 أمبير ، وبالتالي استهلاك طاقة يزيد عن 200 واط. من الواضح أنه حتى في وضع رفع تردد التشغيل الشديد ، يكاد يكون من المستحيل تحقيق مثل هذه القيم الحالية واستهلاك الطاقة. فلماذا يصنع المصنعون منظمات جهد ذات 12 مرحلة أو أكثر ، إذا كان منظم الجهد سداسي الأطوار يمكنه أيضًا توفير الطاقة للمعالج في أي وضع من أوضاع تشغيله؟

إذا قارنا منظمات الجهد ذات 6 و 12 طور ، فمن الناحية النظرية ، عند استخدام تقنية تبديل طور الطاقة الديناميكي ، ستكون كفاءة الطاقة لمنظم الجهد 12 طورًا أعلى. ومع ذلك ، سيتم ملاحظة الاختلاف في كفاءة الطاقة فقط في التيارات العالية للمعالج ، والتي لا يمكن تحقيقها من الناحية العملية. ولكن حتى لو كان من الممكن تحقيق مثل هذه القيمة الحالية المرتفعة التي ستختلف عندها كفاءة الطاقة لمنظمات الجهد ذات 6 و 12 طورًا ، فسيكون هذا الاختلاف صغيرًا جدًا بحيث يمكن تجاهله. لذلك ، بالنسبة لجميع المعالجات الحديثة التي تستهلك طاقة 130 واط ، حتى في وضع رفع تردد التشغيل الشديد ، فإن منظم الجهد المكون من 6 مراحل يكفي للموجة. لا يوفر استخدام منظم الجهد 12 مرحلة أي مزايا حتى مع تقنية تبديل الطور الديناميكي. لماذا بدأ المصنعون في صنع منظمات الجهد ذات 24 مرحلة هو تخمين أي شخص. لا يوجد منطق منطقي في هذا ، على ما يبدو ، إنهم يتوقعون إثارة إعجاب المستخدمين الأميين تقنيًا ، والذين "بالنسبة لهم كلما كان ذلك أفضل".

بالمناسبة ، سيكون من المفيد ملاحظة أنه لا يوجد اليوم وحدات تحكم PWM ذات 12 قناة بل وأكثر من 24 قناة تتحكم في مراحل الطاقة. الحد الأقصى للمبلغالقنوات في وحدات تحكم PWM ستة. لذلك ، عند استخدام منظمات الجهد ذات أكثر من ست مراحل ، يضطر المصنعون إلى تثبيت العديد من وحدات التحكم PWM التي تعمل بشكل متزامن. تذكر أن إشارة التحكم PWM في كل قناة لها تأخير معين بالنسبة لإشارة PWM في القناة الأخرى ، ولكن يتم تنفيذ إزاحات توقيت الإشارة هذه داخل نفس وحدة التحكم. اتضح أنه عند استخدام ، على سبيل المثال ، جهازي تحكم PWM من 6 قنوات لتنظيم منظم جهد 12 مرحلة ، يتم دمج مراحل الإمداد التي يتم التحكم فيها بواسطة وحدة تحكم واحدة في أزواج مع مراحل الإمداد التي يتم التحكم فيها بواسطة وحدة تحكم أخرى. بمعنى ، ستعمل مرحلة الطاقة الأولى لوحدة التحكم الأولى بشكل متزامن (بدون تغيير الوقت) مع طور الطاقة الأول لوحدة التحكم الثانية. سيتم تبديل المراحل ديناميكيًا ، على الأرجح ، أيضًا في أزواج. بشكل عام ، هذا ليس منظم جهد 12 طور "صادق" ، ولكنه نسخة هجينة من منظم 6 مراحل مع قناتين في كل مرحلة.