Mikroprosesor adalah konsumen energi paling kuat di dunia. komputer modern. Konsumsi mikroprosesor modern saat ini bisa mencapai beberapa puluh ampere. Pada saat yang sama, kualitas tegangan suplai ke mikroprosesor merupakan faktor terpenting yang menentukan stabilitas keseluruhan sistem. Bagaimana produsen motherboard memecahkan masalah penyediaan mikroprosesor dengan daya yang kuat dan berkualitas tinggi dijelaskan dalam artikel yang kami sampaikan kepada Anda.
Pembukaan
Frekuensi clock mikroprosesor terus meningkat dan kini mencapai beberapa GHz. Promosi frekuensi jam mikroprosesor disertai dengan peningkatan konsumsi daya yang signifikan, dan karenanya, menyebabkan peningkatan suhu kristal prosesor. Selain itu konsumsi daya mikroprosesor juga dipengaruhi oleh bertambahnya jumlah transistor pada chipnya (semakin modern prosesor maka semakin banyak tingkat tinggi integrasi yang dimilikinya). Meskipun transistor CMOS, yang menjadi dasar mikroprosesor, mengkonsumsi sedikit arus ketika dimatikan, ketika kita berbicara tentang beberapa juta transistor yang terletak pada chip prosesor, hal ini tidak dapat diabaikan lagi. Konsumsi energi utama transistor CMOS terjadi pada saat transistor dihidupkan, dan tentu saja, semakin sering transistor berpindah, semakin banyak energi yang dikonsumsi. Akibatnya, jutaan transistor beralih dari frekuensi tinggi, mampu memastikan bahwa mikroprosesor mengkonsumsi arus yang nilainya sudah mencapai 50 ampere atau lebih. Dengan demikian, kristal prosesor mulai menjadi sangat panas, yang menyebabkan penurunan signifikan dalam proses peralihan transistor dan dapat merusaknya. Namun permasalahan ini tidak dapat diselesaikan hanya dengan menghilangkan panas saja.
Semua ini memaksa produsen untuk mengurangi tegangan suplai mikroprosesor, atau lebih tepatnya, tegangan suplai intinya. Mengurangi tegangan suplai dapat mengatasi masalah daya yang hilang pada chip mikroprosesor dan menurunkan suhunya. Jika mikroprosesor pertama dari keluarga 80x86 memiliki tegangan suplai +5V (dan pengurangan tegangan menjadi +3,3V pertama kali digunakan pada I80486), maka mikroprosesor generasi terbaru sudah dapat beroperasi dengan tegangan suplai +0,5V (lihat spesifikasi VR11 dari Intel).
Namun faktanya tegangan rendah seperti itu tidak dihasilkan oleh catu daya sistem. Ingatlah bahwa pada keluarannya hanya tegangan +3.3V, +5V dan +12V yang terbentuk. Oleh karena itu, motherboard harus memiliki pengatur tegangan sendiri yang mampu menurunkan tegangan “tegangan tinggi” ini ke tingkat yang diperlukan untuk memberi daya pada inti prosesor, yaitu. hingga nilai 0,5 – 1,6 V (Gbr.1).
Gambar.1
Karena regulator ini menyediakan konversi tegangan DC +12V menjadi tegangan DC, tetapi dengan nilai nominal yang lebih rendah, maka regulator tersebut disebut Konverter DC-DC. arus searah untuk mengarahkan arus). Saya ingin menarik perhatian semua ahli bahwa tegangan inti prosesor sekarang dihasilkan dari tegangan +12V, dan bukan dari +5V atau +3.3V, karena mungkin tampak lebih logis. Faktanya adalah tegangan saluran +12V adalah yang tertinggi, dan oleh karena itu dimungkinkan untuk menghasilkan daya yang jauh lebih besar dengan nilai arus yang lebih rendah. Jadi, di zaman modern sistem komputasi tegangan terpenting menjadi +12V, dan di saluran inilah arus terbesar mengalir. Hal ini tercermin dalam standar yang menjelaskan persyaratan untuk unit sistem catu daya, yang menurutnya kapasitas beban saluran +12V maksimum. Selain itu, keluaran catu daya harus memiliki dua saluran tegangan +12V (+12V1 dan +12V2), dan arus di masing-masing saluran ini harus dikontrol secara independen. Salah satu saluran ini, yaitu +12V2, dirancang khusus untuk memberi daya pada inti prosesor, dan tunduk pada persyaratan stabilitas paling ketat dan toleransi terkecil terhadap penyimpangan dari nilai nominal.
Hal berikut juga perlu diperhatikan. Karena daya yang dikonsumsi prosesor cukup besar (dapat mencapai hampir 100 W), konversi tegangan harus dilakukan dengan metode pulsa. Konversi linier tidak mampu memberikan efisiensi yang cukup tinggi pada daya tersebut, dan akan menyebabkan kerugian yang signifikan, dan karenanya menyebabkan pemanasan elemen konverter. Saat ini, hanya konversi pulsa yang memungkinkan diperolehnya sumber daya yang efisien dan ekonomis dengan dimensi kecil dan biaya implementasi yang dapat diterima. Jadi pada motherboard terdapat DC-DC Converter yang merupakan konverter pulsa step down (Step Down atau Trim).
Tipe Buck Konverter DC-DC
Rangkaian konverter buck DC-DC dasar ditunjukkan pada Gambar.2. Saya ingin mencatat bahwa regulator jenis ini dalam literatur impor modern disebut Buck Converter atau Buck Regulator. Transistor Q1 pada rangkaian ini merupakan saklar yang bila ditutup/dibuka akan menghasilkan tegangan pulsa dari tegangan searah.
Gambar.2
Dalam hal ini, amplitudo pulsa yang dihasilkan adalah 12V. Untuk meningkatkan efisiensi konversi, Q1 harus beralih pada frekuensi tinggi (semakin tinggi frekuensinya, semakin efisien konversinya). Pada rangkaian pengatur motherboard nyata, frekuensi switching transistor konverter dapat berkisar antara 80 kHz hingga 2 MHz.
Selanjutnya tegangan pulsa yang dihasilkan dihaluskan oleh induktor L1 dan kapasitor elektrolitik C1. Akibatnya, tegangan konstan tercipta pada C1, tetapi besarnya lebih kecil. Dalam hal ini besarnya tegangan DC yang dihasilkan akan sebanding dengan lebar pulsa yang diterima pada keluaran Q1. Jika Q1 dinyalakan lebih lama, maka energi yang tersimpan di L1 juga akan semakin besar, yang pada akhirnya menyebabkan tegangan pada C1 meningkat. Dengan demikian, dan sebaliknya - dengan durasi keadaan terbuka transistor Q1 yang lebih pendek, tegangan pada C1 berkurang. Metode pengaturan tegangan searah ini disebut modulasi lebar pulsa - PWM (Pulse Wide Modulation).
Elemen yang sangat penting dari rangkaian adalah dioda D1. Dioda ini mempertahankan arus beban yang dihasilkan oleh induktor L1 selama periode waktu ketika transistor Q1 ditutup. Dengan kata lain, ketika Q1 terbuka, arus induktor dan arus beban disediakan oleh sumber listrik, dan energi disimpan di induktor. Setelah transistor Q1 mati, arus beban dipertahankan oleh energi yang tersimpan di induktor. Arus ini mengalir melalui D1, mis. energi induktor dihabiskan untuk mempertahankan arus beban ( lihat gambar.3).
Gambar.3
Namun, di skema praktis Dengan adanya regulator step-down yang menghasilkan arus tinggi, beberapa masalah muncul. Faktanya adalah sebagian besar dioda tidak beroperasi cukup cepat, dan juga memiliki resistansi terbuka yang relatif tinggi persimpangan pn. Semua ini tidak menentukan pada arus beban rendah. Tetapi pada arus tinggi, semua ini menyebabkan kerugian yang signifikan, pemanasan yang kuat pada dioda D1, lonjakan tegangan dan terjadinya arus balik melalui dioda ketika mengganti transistor Q1. Itulah mengapa skema ini telah dimodifikasi untuk meningkatkan kinerja dan mengurangi kerugian, akibatnya transistor lain digunakan sebagai pengganti dioda D1 - Q2 (Gbr.4).
Gambar.4
Transistor Q2, sebagai MOSFET, memiliki resistansi yang sangat rendah dan kecepatan operasi yang tinggi. Karena Q2 menjalankan fungsi dioda, ia beroperasi secara sinkron dengan Q1, tetapi secara ketat dalam antifase, yaitu. pada saat Q1 tertutup, transistor Q2 terbuka, dan sebaliknya, ketika Q1 terbuka, transistor Q2 tertutup (lihat Gambar 5).
Gambar.5
Ini adalah satu-satunya solusi yang mungkin untuk mengatur konverter tegangan pada motherboard modern, di mana, seperti yang telah kami katakan, diperlukan arus yang sangat tinggi untuk memberi daya pada prosesor.
Setelah menyelesaikan tinjauan teknologi dasar untuk mengatur pengatur tegangan switching, kami melanjutkan untuk mempertimbangkan skema praktis untuk implementasinya.
Dasar-dasar pengorganisasian pengatur tegangan inti prosesor
Perlu segera disebutkan bahwa beberapa waktu yang lalu, produsen komponen mulai memproduksi sirkuit mikro khusus yang dirancang untuk membuat pengatur tegangan switching pada motherboard. komputer pribadi. Penggunaan sirkuit mikro khusus tersebut memungkinkan untuk meningkatkan karakteristik regulator, memastikan kekompakannya yang tinggi dan mengurangi biaya regulator itu sendiri dan biaya pengembangannya. Saat ini, ada tiga jenis sirkuit mikro yang digunakan dalam pengatur tegangan pada motherboard yang dirancang untuk memberi daya pada inti prosesor:
- pengontrol utama (Main Controller), disebut juga pengontrol PWM (PWM-Controller) atau pengatur tegangan (Voltage Regulator);
- driver untuk mengendalikan transistor MOS (Synchronous-Rectifier MOSFET Driver);
- pengontrol gabungan yang menggabungkan fungsi pengontrol PWM dan driver transistor MOS.
Mempertimbangkan keragaman sirkuit mikro yang digunakan, pada motherboard modern kita dapat menemukan dua opsi utama untuk membangun pengatur tegangan switching untuk memberi daya pada inti prosesor.
saya pilihan. Opsi ini khas untuk digunakan pada motherboard entry-level yang ditandai dengan kinerja rendah, mis. ini paling sering digunakan pada motherboard yang tidak menyediakan penggunaan kinerja tinggi dan prosesor yang kuat. Dalam perwujudan ini, transistor daya konverter dikendalikan oleh rangkaian mikro pengontrol gabungan. Chip ini menyediakan fungsi-fungsi berikut:
- membaca keadaan sinyal identifikasi tegangan suplai prosesor (VIDn);
- pembangkitan sinyal PWM untuk kontrol sinkron transistor MOS daya;
- kontrol nilai tegangan suplai yang dihasilkan;
- penerapan proteksi arus transistor MOS daya;
- pembangkitan sinyal yang mengonfirmasi pengoperasian regulator yang benar dan adanya tegangan yang benar pada outputnya untuk memberi daya pada inti prosesor (sinyal PGOOD).
Contoh opsi pengatur tegangan disajikan pada Gambar.6. Dalam hal ini, seperti yang bisa kita lihat, transistor daya dihubungkan langsung ke output dari chip pengontrol gabungan. Chip HIP6004 sering digunakan sebagai pengontrol.
Gambar.6
pilihan II. Opsi ini khas untuk motherboard yang dirancang untuk bekerja dengan prosesor berperforma tinggi. Karena prosesor berperforma tinggi memerlukan konsumsi arus yang tinggi, pengatur tegangan dibuat multi-saluran (Gbr. 7).
Gambar.7
Kehadiran beberapa saluran memungkinkan Anda untuk mengurangi nilai saat ini dari setiap saluran, yaitu. mengurangi arus yang dialihkan oleh transistor MOS. Hal ini, pada gilirannya, meningkatkan keandalan seluruh rangkaian dan memungkinkan penggunaan transistor yang kurang kuat, yang berdampak positif pada biaya regulator itu sendiri dan motherboard secara keseluruhan.
Versi regulator ini ditandai dengan penggunaan dua jenis sirkuit mikro: pengontrol PWM utama dan driver transistor MOS. Kontrol sinkron transistor MOS dilakukan oleh driver, yang masing-masing dapat mengontrol satu atau dua pasang transistor. Pengemudi menyediakan peralihan antifase transistor sesuai dengan sinyal masukan(paling sering dilambangkan PWM), yang menentukan frekuensi switching dan ketepatan waktu transistor. Jumlah chip driver sesuai dengan jumlah saluran pengatur switching.
Semua driver dikendalikan oleh Pengendali Utama, yang fungsi utamanya meliputi:
-menghasilkan pulsa untuk mengontrol driver transistor MOS;
- mengubah lebar pulsa kontrol ini untuk menstabilkan tegangan keluaran regulator;
- kontrol tegangan keluaran regulator;
- memastikan perlindungan arus transistor MOS;
- membaca keadaan sinyal identifikasi tegangan suplai prosesor (VIDn).
Selain fungsi-fungsi tersebut, fungsi tambahan lainnya dapat dilakukan, yang keberadaannya akan ditentukan oleh jenis pengontrol utama yang digunakan.
Diagram umum pengatur tegangan disajikan pada Gambar.8. Kebanyakan pengontrol utama modern adalah 4 saluran, yaitu. memiliki 4 sinyal keluaran PWM untuk mengontrol driver transistor.
Gambar.8
Jadi saat ini pengatur tegangan untuk inti prosesor bisa 2 saluran, 3 saluran, dan 4 saluran.
Contoh penerapan regulator 2 saluran disajikan pada Gambar.9. Regulator ini dibuat dengan menggunakan chip Pengendali Utama tipe HIP6301 yang pada prinsipnya berbentuk empat saluran, namun masih ada dua saluran yang tidak terpakai.
Gambar.9
Chip HIP6601B digunakan sebagai penggerak utama di sirkuit ini.
Contoh implementasi regulator 4 saluran dengan menggunakan Kontroler Utama yang sama disajikan pada Gambar 10.
Gambar 10
Pengontrol HIP6301 menerjemahkan tegangan inti prosesor dengan mempertimbangkan kode identifikasi 5-bit (VID0 - VID4) dan menghasilkan pulsa keluaran PWM dengan frekuensi hingga 1,5 MHz. Selain itu, menghasilkan sinyal PGOOD (daya baik) jika tegangan inti prosesor yang dihasilkan oleh pengatur tegangan sesuai dengan nilai yang ditetapkan menggunakan sinyal VIDn.
Fitur regulator multi-saluran
Saat menggunakan pengatur tegangan multisaluran, ada beberapa masalah yang harus dipecahkan oleh pengembang motherboard. Faktanya adalah bahwa setiap saluran adalah pengatur pulsa, yang, jika dialihkan pada frekuensi tinggi, menghasilkan pulsa arus pada keluarannya. Pulsa ini, tentu saja, harus dihaluskan, dan kapasitor elektrolitik serta tersedak digunakan untuk ini. Tetapi faktanya adalah karena beban arus yang tinggi, kapasitansi kapasitor dan induktansi tersedak masih belum cukup untuk menciptakan tegangan yang benar-benar konstan, akibatnya riak diamati pada bus daya prosesor. (Gbr. 11). Selain itu, baik peningkatan jumlah kapasitor, peningkatan kapasitas kapasitor dan induktansi tersedak, maupun peningkatan frekuensi konversi (kecuali kita berbicara tentang peningkatan frekuensi beberapa kali) tidak dapat menyelamatkan Anda dari riak-riak ini. Tentu saja, riak-riak ini dapat menyebabkan pengoperasian prosesor tidak stabil.
Gambar 11
Jalan keluar dari masalah tersebut ditemukan dengan penggunaan arsitektur pengatur tegangan multisaluran. Namun masalah tersebut tetap tidak dapat diselesaikan hanya dengan menggunakan beberapa saluran paralel. Penting untuk memastikan bahwa tombol saluran yang berbeda beralih dengan pergeseran fasa, mis. mereka harus membuka satu demi satu. Ini akan memungkinkan setiap saluran untuk mempertahankan arus keluaran regulator untuk jangka waktu yang ditentukan secara ketat. Dengan kata lain, kapasitor penghalusan akan diisi ulang secara konstan, tetapi dari saluran yang berbeda pada waktu yang berbeda. Jadi, misalnya, ketika menggunakan regulator 4 saluran, kapasitor keluaran diisi ulang empat kali selama satu periode jam pengontrol, yaitu. arus pulsa saluran individu digeser dalam fase relatif satu sama lain sebesar 90° (lihat Gambar 12). Hal ini sesuai dengan peningkatan frekuensi konversi sebanyak 4 kali lipat, dan jika frekuensi switching transistor setiap saluran adalah 0,5 MHz, maka frekuensi pulsa pada kapasitor penghalusan sudah menjadi 2 MHz.
Gambar 12
Dengan demikian, pulsa PWM yang dihasilkan pada keluaran dari rangkaian mikro pengontrol utama (sinyal keluaran PWM) harus mengikuti pergeseran fasa tertentu dan pergeseran fasa ini ditentukan oleh arsitektur internal rangkaian mikro dan diatur, sebagai suatu peraturan, sudah pada tahap desain sirkuit mikro. Namun beberapa pengontrol mengizinkan Anda mengonfigurasinya mode yang berbeda pengoperasian: kontrol 2 fase, 3 fase, atau 4 fase (cara melakukannya dapat ditemukan dalam deskripsi pengontrol itu sendiri).
Dengan pelajaran ini saya memulai serangkaian artikel yang membahas tentang stabilisator switching, regulator digital, dan perangkat kontrol daya keluaran.
Tujuan yang saya tetapkan adalah mengembangkan pengontrol lemari es berdasarkan elemen Peltier.
Kami akan membuat analogi pengembangan saya, hanya diimplementasikan berdasarkan papan Arduino.
- Perkembangan ini menarik minat banyak orang, dan saya menerima surat yang meminta saya untuk mengimplementasikannya di Arduino.
- Pengembangan ini ideal untuk mempelajari perangkat keras dan perangkat lunak pengontrol digital. Selain itu, ini menggabungkan banyak tugas yang dipelajari dalam pelajaran sebelumnya:
- pengukuran sinyal analog;
- bekerja dengan tombol;
- koneksi sistem tampilan;
- pengukuran suhu;
- bekerja dengan EEPROM;
- koneksi dengan komputer;
- proses paralel;
- dan banyak lagi.
Saya akan melakukan pengembangan secara berurutan, langkah demi langkah, menjelaskan tindakan saya. Saya tidak tahu apa hasilnya. Saya berharap untuk proyek pengontrol lemari es yang berfungsi penuh.
Saya belum memiliki proyek yang sudah selesai. Saya akan menulis pelajaran berdasarkan keadaan saat ini, sehingga pada saat pengujian mungkin saja pada tahap tertentu saya melakukan kesalahan. Saya akan memperbaikinya. Ini lebih baik daripada saya men-debug pengembangan dan menghasilkan solusi siap pakai.
Perbedaan antara pengembangan dan prototipe.
Satu-satunya perbedaan fungsional dari prototipe pengembangan pada pengontrol PIC adalah tidak adanya penstabil tegangan cepat yang mengkompensasi riak tegangan suplai.
Itu. Perangkat versi ini harus diberi daya dari sumber listrik yang stabil dengan tingkat riak rendah (tidak lebih dari 5%). Semuanya modern blok impuls nutrisi.
Dan opsi catu daya dari catu daya yang tidak stabil (transformator, penyearah, filter kapasitif) tidak termasuk. Kecepatan sistem Arduino tidak memungkinkan penerapan pengatur tegangan yang cepat. Saya sarankan membaca tentang kebutuhan daya elemen Peltier.
Perkembangan struktur umum perangkat.
Pada tahap ini perlu dilakukan pandangan umum memahami:
- terdiri dari elemen apa sistem itu;
- pada pengontrol mana untuk menjalankannya;
- apakah ada cukup kesimpulan dan Kegunaan pengontrol.
Saya membayangkan pengontrol sebagai “kotak hitam” atau “lubang sampah” dan menghubungkan semua yang saya perlukan ke dalamnya. Lalu saya melihat apakah, misalnya, papan Arduino UNO R3 cocok untuk tujuan ini.
Menurut interpretasi saya, tampilannya seperti ini.
Saya menggambar persegi panjang - pengontrol dan semua sinyal yang diperlukan untuk menghubungkan elemen sistem.
Saya memutuskan bahwa saya perlu terhubung ke papan:
- Indikator LCD (untuk menampilkan hasil dan mode);
- 3 tombol (untuk kontrol);
- LED kesalahan;
- tombol pengatur kipas (untuk menyalakan kipas radiator sisi panas);
- kunci penstabil pulsa (untuk mengatur kekuatan elemen Peltier);
- masukan pengukuran arus beban analog;
- masukan pengukuran tegangan beban analog;
- sensor suhu di dalam ruangan (sensor 1 kabel presisi DS18B20);
- sensor suhu radiator (belum memutuskan sensor yang mana, kemungkinan besar juga DS18B20);
- sinyal komunikasi komputer.
Total ada 18 sinyal. Papan Arduino UNO R3 atau Arduino NANO memiliki 20 pin. Masih ada 2 kesimpulan tersisa sebagai cadangan. Anda mungkin ingin menyambungkan tombol lain, atau LED, atau sensor kelembapan, atau kipas sisi dingin... Kita memerlukan 2 atau 3 input analog, papan memiliki 6. Yaitu. semuanya cocok untuk kita.
Anda dapat menetapkan nomor pin segera atau selama pengembangan. Saya segera membuat janji. Koneksi dilakukan melalui konektor, Anda selalu dapat mengubahnya. Harap dicatat bahwa penetapan pin belum final.
Stabilisator pulsa.
Untuk menstabilkan suhu secara akurat dan mengoperasikan elemen Peltier dalam mode optimal, perlu untuk mengatur daya di dalamnya. Regulator dapat berupa analog (linier) dan pulsa (kunci).
Regulator analog merupakan elemen pengatur dan beban yang dihubungkan secara seri dengan sumber listrik. Dengan mengubah resistansi elemen pengatur, tegangan atau arus pada beban disesuaikan. Biasanya, transistor bipolar digunakan sebagai elemen pengatur.
Elemen kontrol beroperasi dalam mode linier. Ini menghasilkan tenaga “ekstra”. Pada arus tinggi, stabilisator jenis ini menjadi sangat panas dan efisiensinya rendah. Regulator tegangan linier yang khas adalah 7805.
Opsi ini tidak cocok untuk kami. Kami akan membuat penstabil pulsa (kunci).
Pergantian stabilisator berbeda. Kita memerlukan regulator buck switching. Tegangan beban pada perangkat tersebut selalu lebih rendah dari tegangan suplai. Rangkaian regulator switching step-down terlihat seperti ini.
Dan ini adalah diagram pengoperasian regulator.
Transistor VT beroperasi dalam mode kunci, mis. ia hanya dapat memiliki dua keadaan: terbuka atau tertutup. Perangkat kontrol, dalam kasus kami mikrokontroler, mengalihkan transistor dengan frekuensi dan siklus kerja tertentu.
- Ketika transistor terbuka, arus mengalir melalui rangkaian: catu daya, saklar transistor VT, induktor L, beban.
- Ketika kunci terbuka, energi yang terkumpul di induktor disuplai ke beban. Arus mengalir melalui rangkaian: induktor, dioda VD, beban.
Jadi, tegangan konstan pada keluaran regulator bergantung pada rasio waktu terbuka (topen) dan kunci pribadi(ttertutup), yaitu pada siklus kerja pulsa kontrol. Dengan mengubah siklus kerja, mikrokontroler dapat mengubah tegangan pada beban. Kapasitor C menghaluskan riak tegangan keluaran.
Keuntungan utama dari metode pengendalian ini adalah efisiensinya yang tinggi. Transistor selalu dalam keadaan terbuka atau tertutup. Oleh karena itu, sedikit daya yang dihamburkan - tegangan pada transistor selalu mendekati nol, atau arusnya 0.
Ini skema klasik mengganti regulator step-down. Di dalamnya, transistor kunci terputus dari kabel biasa. Transistor sulit dikendalikan dan memerlukan rangkaian bias khusus ke bus tegangan suplai.
Jadi saya mengubah skemanya. Di dalamnya, beban dipisahkan dari kabel biasa, tetapi sebuah kunci dipasang ke kabel biasa. Solusi ini memungkinkan Anda untuk mengontrol saklar transistor dari sinyal mikrokontroler menggunakan penguat driver arus sederhana. 
- Ketika sakelar ditutup, arus mengalir ke beban melalui rangkaian: catu daya, induktor L, sakelar VT (jalur arus ditunjukkan dengan warna merah).
- Ketika sakelar terbuka, energi yang terakumulasi dalam induktor dikembalikan ke beban melalui dioda regeneratif VD (jalur arus ditunjukkan dengan warna biru).
Implementasi praktis dari regulator utama.
Kita perlu mengimplementasikan node pengatur pulsa dengan fungsi sebagai berikut:
- pengatur kunci sebenarnya (kunci, tersedak, dioda regeneratif, kapasitor penghalus);
- rangkaian pengukuran tegangan beban;
- rangkaian pengukuran arus pengatur;
- perlindungan arus lebih perangkat keras.
Rangkaian regulatornya saya ambil dari .
Rangkaian pengatur pulsa untuk bekerja dengan papan Arduino.
Saya menggunakan transistor MOSFET IRF7313 sebagai saklar daya. Dalam artikel tentang meningkatkan daya pengontrol elemen Peltier, saya menulis secara rinci tentang transistor ini, tentang kemungkinan penggantian dan tentang persyaratan transistor kunci untuk rangkaian ini. Berikut ini tautan ke dokumentasi teknis.
Driver transistor MOSFET kunci dipasang pada transistor VT1 dan VT2. Ini hanyalah penguat arus, dalam hal tegangan, bahkan melemahkan sinyal menjadi sekitar 4,3 V. Oleh karena itu, transistor kunci harus memiliki ambang batas rendah. Ada beberapa opsi berbeda untuk mengimplementasikan driver transistor MOSFET. Termasuk menggunakan driver terintegrasi. Opsi ini adalah yang paling sederhana dan termurah.
Untuk mengukur tegangan pada beban, digunakan pembagi R1, R2. Dengan nilai resistansi resistor dan sumber tegangan referensi 1,1 V, rentang pengukurannya adalah 0...17,2 V. Rangkaian ini memungkinkan Anda mengukur tegangan pada terminal beban kedua relatif terhadap kabel biasa. Kami menghitung tegangan pada beban, mengetahui tegangan sumber listrik:
Uload = Usupply – Diukur.
Jelas bahwa keakuratan pengukuran akan bergantung pada kestabilan tegangan catu daya. Namun kita tidak memerlukan ketelitian yang tinggi dalam mengukur tegangan, arus, atau daya beban. Kita hanya perlu mengukur dan menjaga suhu secara akurat. Kami akan mengukurnya dengan akurasi tinggi. Dan jika sistem menunjukkan bahwa daya disetel ke 10 W pada elemen Peltier, namun kenyataannya 10,5 W, ini tidak akan memengaruhi pengoperasian perangkat dengan cara apa pun. Hal ini berlaku untuk semua parameter energi lainnya.
Arus diukur menggunakan resistor sensor arus R8. Komponen R6 dan C2 membentuk filter low-pass sederhana.
Elemen R7 dan VT3 berisi perlindungan perangkat keras paling sederhana. Jika arus pada rangkaian melebihi 12 A, maka tegangan pada resistor R8 akan mencapai ambang bukaan transistor sebesar 0,6 V. Transistor akan membuka dan menutup pin RES (reset) mikrokontroler ke ground. Semuanya harus dimatikan. Sayangnya, ambang batas pengoperasian proteksi tersebut ditentukan oleh tegangan basis-emitor transistor bipolar (0,6 V). Oleh karena itu, proteksi hanya dipicu pada arus yang signifikan. Anda dapat menggunakan komparator analog, tetapi ini akan mempersulit rangkaian.
Arus akan diukur lebih akurat seiring dengan meningkatnya resistansi sensor arus R8. Namun hal ini akan menyebabkan pelepasan kekuatan yang signifikan di dalamnya. Bahkan dengan resistansi 0,05 Ohm dan arus 5 A, resistor R8 menghilangkan 5*5*0,05 = 1,25 W. Perhatikan bahwa resistor R8 memiliki kekuatan 2 W.
Sekarang berapa arus yang kita ukur. Kami mengukur konsumsi regulator switching saat ini dari catu daya. Rangkaian untuk mengukur parameter ini jauh lebih sederhana dibandingkan dengan rangkaian untuk mengukur arus beban. Beban kita “tidak terikat” dari kabel biasa. Agar sistem dapat beroperasi, perlu dilakukan pengukuran daya listrik pada elemen Peltier. Kami akan menghitung daya yang dikonsumsi oleh regulator dengan mengalikan tegangan catu daya dengan arus yang dikonsumsi. Mari kita asumsikan bahwa regulator kita mempunyai efisiensi 100% dan memutuskan bahwa ini adalah kekuatan pada elemen Peltier. Faktanya, efisiensi regulator akan menjadi 90-95%, tetapi kesalahan ini tidak akan mempengaruhi pengoperasian sistem dengan cara apapun.
Komponen L2, L3, C5 – filter interferensi radio sederhana. Ini mungkin tidak diperlukan.
Perhitungan tersedak penstabil kunci.
Throttle memiliki dua parameter yang penting bagi kami:
- induktansi;
- arus saturasi.
Induktansi yang diperlukan dari induktor ditentukan oleh frekuensi PWM dan riak arus induktor yang diizinkan. Ada banyak informasi tentang topik ini. Saya akan memberikan perhitungan yang paling sederhana.
Kami menerapkan tegangan ke induktor dan arus yang melaluinya mulai meningkat. Meningkat, tetapi tidak muncul, karena arus sudah mengalir melalui induktor pada saat saya dihidupkan).
Transistor terbuka. Tegangan terhubung ke induktor:
Uchoke = Pasokan – Uload.
Arus yang melalui induktor mulai meningkat menurut hukum:
Ithrottle = Uthrottle * topen / L
- top – durasi pulsa kunci publik;
- L - induktansi.
Itu. nilai riak arus induktor atau seberapa besar peningkatan arus selama kunci terbuka ditentukan oleh ekspresi:
Ioff – Ion = Uthrottle * atas / L
Tegangan beban dapat bervariasi. Dan itu menentukan tegangan pada throttle. Ada rumus yang memperhitungkan hal ini. Namun dalam kasus kami, saya akan mengambil nilai berikut:
- tegangan suplai 12 V;
- tegangan minimum pada elemen Peltier 5 V;
- Artinya tegangan maksimum pada induktor adalah 12 – 5 = 7 V.
Durasi topen pulsa kunci publik ditentukan oleh frekuensi periode PWM. Semakin tinggi, semakin sedikit induktansi yang dibutuhkan induktor. Frekuensi PWM maksimum papan Arduino adalah 62,5 kHz. Saya akan memberi tahu Anda cara mendapatkan frekuensi ini pada pelajaran berikutnya. Kami akan menggunakannya.
Mari kita ambil skenario terburuk - PWM beralih tepat di pertengahan periode.
- Durasi periode 1/62500 Hz = 0,000016 detik = 16 µs;
- Durasi kunci publik = 8 µs.
Riak arus pada rangkaian seperti itu biasanya diatur sebesar 20% dari arus rata-rata. Hal ini berbeda dengan riak tegangan keluaran. Mereka dihaluskan oleh kapasitor pada keluaran rangkaian.
Jika kita mengizinkan arus sebesar 5 A, maka kita akan mengambil riak arus sebesar 10% atau 0,5 A.
L = Uchoke * topen / Ipulsasi = 7 * 8 / 0,5 = 112 µH.
Arus saturasi induktor.
Segala sesuatu di dunia ini ada batasnya. Dan throttle juga. Pada arus tertentu, ia tidak lagi menjadi induktansi. Ini adalah arus saturasi induktor.
Dalam kasus kami, arus induktor maksimum didefinisikan sebagai arus rata-rata ditambah riak, yaitu. 5,5 A. Tetapi lebih baik memilih arus saturasi dengan margin. Jika kita ingin perlindungan perangkat keras berfungsi di versi rangkaian ini, maka minimal harus 12 A.
Arus saturasi ditentukan oleh celah udara pada rangkaian magnet induktor. Dalam artikel tentang pengontrol elemen Peltier, saya berbicara tentang desain induktor. Jika saya mulai memperluas topik ini secara mendetail, kami akan meninggalkan Arduino, pemrograman, dan saya tidak tahu kapan kami akan kembali.
Throttle saya terlihat seperti ini.
Secara alami, kawat belitan induktor harus memiliki penampang yang cukup. Perhitungannya sederhana - menentukan kehilangan panas karena resistansi aktif belitan.
Resistansi belitan aktif:
Ra = ρ * l / S,
- Ra – resistansi aktif belitan;
- Ρ – resistivitas material, untuk tembaga 0,0175 Ohm mm2 / m;
- l – panjang belitan;
- S – penampang kawat berliku.
Kehilangan panas pada resistansi aktif induktor:
Pengatur kunci mengkonsumsi cukup banyak arus dari catu daya dan arus ini tidak boleh melewati papan Arduino. Diagram menunjukkan bahwa kabel dari catu daya dihubungkan langsung ke kapasitor pemblokiran C6 dan C7.
Arus pulsa utama rangkaian melewati rangkaian C6, beban, L1, D2, R8. Rantai ini harus ditutup dengan ikatan dengan panjang minimal.
Kabel umum dan bus daya papan Arduino terhubung ke kapasitor pemblokiran C6.
Kabel sinyal antara papan Arduino dan modul penstabil kunci harus memiliki panjang minimum. Lebih baik menempatkan kapasitor C1 dan C2 pada konektor untuk menghubungkan ke papan.
Saya merakit sirkuit di papan. Saya hanya menyolder komponen yang diperlukan. Sirkuit rakitan saya terlihat seperti ini.
Saya mengatur PWM ke 50% dan memeriksa pengoperasian rangkaian.
- Saat ditenagai oleh komputer, papan menghasilkan PWM tertentu.
- Ketika ditenagai secara mandiri dari catu daya eksternal, semuanya bekerja dengan baik. Pulsa dengan tepi yang baik terbentuk di induktor, dan terdapat tegangan konstan pada keluaran.
- Ketika saya menyalakan daya dari komputer dan catu daya eksternal secara bersamaan, papan Arduino saya terbakar.
Kesalahan bodohku. Aku akan memberitahumu agar tidak ada yang mengulanginya. Secara umum, saat menyambungkan catu daya eksternal, Anda harus berhati-hati dan membunyikan semua sambungan.
Hal berikut ini terjadi pada saya. Tidak ada dioda VD2 pada diagram. Saya menambahkannya setelah masalah ini. Saya pikir papan tersebut dapat diberi daya dari sumber eksternal melalui pin Vin. Ia sendiri menulis di Pelajaran 2 bahwa board dapat menerima daya dari sumber eksternal melalui konektor (sinyal RWRIN). Tapi menurut saya sinyalnya sama, hanya pada konektor yang berbeda.
0 Kategori: . Anda dapat menandainya.Perangkat ini memiliki menu. Masuk ke menu, masuk dan keluar dilakukan dengan menekan tombol “H” dan “B” secara bersamaan. Selama proses ini, mnemonik yang sesuai muncul pada indikator, “H-U”, “B-U” (batas tegangan bawah dan atas), “H-I”, “BI” (batas arus bawah dan atas), “P-0”, “P -1” - mode manual atau otomatis, menyalakan relai setelah tegangan atau arus kembali ke batas yang ditentukan. “-З-” menandakan bahwa parameter yang disetel sedang ditulis ke memori non-volatil dan keluar dari mode menu. Dalam mode menu, tombol “H” dan “B” memungkinkan Anda mengubah parameter ke satu arah atau lainnya, dan menahan tombol selama sekitar 3 detik akan mempercepat perubahan parameter. Perubahan terjadi pada lingkaran, 99.8-99.9-0.0-0.01, dst. Ketika batas yang ditetapkan terlampaui, relai mati dan indikator mulai berkedip, menandakan kecelakaan. Itu. Perangkat ini memungkinkan Anda mengisi dan mengosongkan baterai hingga tegangan tertentu. Lebih-lebih lagi, mode otomatis memungkinkan Anda menjaga baterai tetap terisi daya, dan mengontrol kapasitas baterai secara manual, dalam A/jam.
Beberapa catatan. Jangan lupa nyalakan 74HC595, 16N - +5V, 8N - ground. Lebih baik menggunakan sepasang resistor 3K3 dan 10K pada tombolnya. Polaritas indikator tidak menjadi masalah, ia dipilih oleh resistor pada kaki ke-11 pengontrol (seperti pada diagram).
Contoh aplikasi untuk pengisian/pengosongan baterai:
File hex untuk mikrokontroler PIC16F676, dengan fungsi kontrol.
Anda tidak memiliki akses untuk mengunduh file dari server kami- file firmware untuk voltmeter dengan parameter Umax=99.9V; Imaks=9,99A; Pmaks=99,9/999 W; Cmaks=9,99 A/jam.
Anda tidak memiliki akses untuk mengunduh file dari server kami- hex_file voltammeter dengan fungsi terpotong, hanya Umax=99.9V dan Imax=9.99A
Penciptaan motherboard Dengan bertambahnya jumlah fase daya prosesor, secara bertahap menjadi semacam persaingan antar produsen motherboard. Misalnya, baru-baru ini Gigabyte memproduksi papan dengan catu daya prosesor 12 fase, tetapi papan tersebut sekarang menghasilkan jumlah fase yang meningkat menjadi 24. Namun apakah benar-benar perlu menggunakan sejumlah besar fase daya dan mengapa beberapa pabrikan terus meningkatkannya, mencoba Apakah mungkin untuk membuktikan secara meyakinkan bahwa semakin banyak semakin baik, sementara yang lain puas dengan sejumlah kecil fase daya? Mungkinkah sejumlah besar fase kekuatan prosesor tidak lebih dari gimmick pemasaran yang dirancang untuk menarik perhatian konsumen terhadap produknya? Pada artikel ini kami akan mencoba memberikan jawaban yang termotivasi untuk pertanyaan ini, dan juga mempertimbangkan secara rinci prinsip pengoperasian catu daya switching multifase untuk prosesor dan elemen motherboard lainnya (chipset, memori, dll.).
Sedikit sejarah
Seperti yang Anda ketahui, semua komponen motherboard (prosesor, chipset, modul memori, dll) ditenagai oleh catu daya yang dihubungkan ke konektor khusus pada motherboard. Izinkan kami mengingatkan Anda bahwa setiap motherboard modern memiliki konektor daya ATX 24-pin, serta konektor daya tambahan 4- (ATX12V) atau 8-pin (EPS12V).
Semua catu daya menghasilkan tegangan konstan dengan nilai nominal ±12, ±5 dan +3,3 V, namun, jelas bahwa sirkuit mikro motherboard yang berbeda memerlukan tegangan konstan dengan peringkat yang berbeda (dan sirkuit mikro yang berbeda memerlukan tegangan suplai yang berbeda), dan oleh karena itu muncul tugas untuk mengubah dan menstabilkan tegangan konstan yang diterima dari catu daya menjadi tegangan konstan yang diperlukan untuk memberi daya pada chip tertentu pada motherboard (konversi DC-DC). Untuk melakukan ini, motherboard menggunakan konverter tegangan (konverter) yang sesuai, yang mengurangi tegangan pengenal catu daya ke nilai yang diperlukan.
Ada dua jenis konverter DC-DC: linier (analog) dan berdenyut. Konverter tegangan linier tidak lagi ditemukan pada motherboard saat ini. Pada konverter ini, tegangan dikurangi dengan menurunkan sebagian tegangan pada elemen resistif dan menghilangkan sebagian konsumsi daya dalam bentuk panas. Konverter tersebut dilengkapi dengan radiator yang kuat dan menjadi sangat panas. Namun, dengan peningkatan daya (dan, karenanya, arus) yang dikonsumsi oleh komponen motherboard, konverter tegangan linier terpaksa ditinggalkan, karena ada masalah dengan pendinginannya. Semua motherboard modern menggunakan konverter DC-DC switching, yang panasnya jauh lebih sedikit dibandingkan konverter linier.
Konverter tegangan DC switching step-down untuk memberi daya pada prosesor sering disebut modul VRM (Voltage Regulation Module) atau VRD (Voltage Regulator Down). Perbedaan VRM dan VRD adalah modul VRD terletak langsung pada motherboard, sedangkan VRM merupakan modul eksternal yang dipasang pada slot khusus pada motherboard. Saat ini modul VRM eksternal praktis tidak ditemukan dan semua produsen menggunakan modul VRD. Namun nama VRM sendiri sudah begitu mengakar hingga menjadi umum digunakan bahkan kini digunakan untuk menyebut modul VRD.
Regulator tegangan suplai switching yang digunakan untuk chipset, memori, dan sirkuit mikro motherboard lainnya tidak memiliki nama spesifiknya sendiri, tetapi dari segi prinsip operasinya tidak berbeda dengan VRD. Perbedaannya hanya pada jumlah fasa daya dan tegangan keluaran.
Seperti yang Anda ketahui, setiap konverter tegangan dicirikan oleh tegangan suplai input dan output. Sedangkan untuk tegangan suplai keluaran, ditentukan oleh sirkuit mikro spesifik yang pengatur tegangannya digunakan. Tapi tegangan input bisa 5 atau 12 V.
Sebelumnya (selama Prosesor Intel Regulator tegangan switching Pentium III) menggunakan tegangan input 5 V, namun kemudian produsen motherboard mulai semakin banyak menggunakan tegangan input 12 V, dan saat ini semua board menggunakan tegangan suplai 12 V sebagai tegangan input untuk regulator tegangan switching.
Prinsip pengoperasian pengatur tegangan switching satu fasa
Sebelum melanjutkan ke pertimbangan regulator tegangan switching multifase, mari kita pertimbangkan prinsip pengoperasian regulator tegangan switching satu fase yang paling sederhana.
Komponen pengatur tegangan switching
Konverter tegangan catu daya step-down switching didasarkan pada pengontrol PWM (pengontrol PWM) - sakelar elektronik yang dikendalikan oleh pengontrol PWM dan secara berkala menghubungkan dan memutus beban ke saluran tegangan input, serta induktif-kapasitif Filter LC untuk menghaluskan riak tegangan keluaran. PWM adalah singkatan dari Modulasi Lebar Pulsa (Pulse Wide Modulation, PWM). Prinsip pengoperasian konverter tegangan penurun pulsa adalah sebagai berikut. Pengontrol PWM menciptakan urutan pulsa tegangan kontrol. Sinyal PWM adalah rangkaian pulsa tegangan persegi panjang, yang dicirikan oleh amplitudo, frekuensi, dan siklus kerja (Gbr. 1).
Beras. 1. Sinyal PWM dan ciri-ciri utamanya
Siklus kerja sinyal PWM adalah rasio periode waktu selama sinyal tersebut berada level tinggi, ke periode sinyal PWM : = / T.
Sinyal yang dihasilkan oleh pengontrol PWM digunakan untuk mengontrol kunci elektronik, yang secara berkala, pada frekuensi sinyal PWM, menghubungkan dan memutuskan beban ke saluran listrik 12 V. Amplitudo sinyal PWM harus sedemikian rupa sehingga dapat digunakan untuk mengontrol kunci elektronik.
Oleh karena itu, pada output kunci elektronik rangkaian pulsa persegi panjang dengan amplitudo 12 V dan frekuensi pengulangan yang sama dengan frekuensi pulsa PWM diamati. Dari pelajaran matematika kita mengetahui bahwa setiap sinyal periodik dapat direpresentasikan sebagai deret harmonik (deret Fourier). Secara khusus, rangkaian periodik pulsa persegi panjang dengan durasi yang sama, jika direpresentasikan sebagai rangkaian, akan memiliki komponen konstan yang berbanding terbalik dengan siklus kerja pulsa, yaitu berbanding lurus dengan durasinya. Dengan melewatkan pulsa yang diterima melalui low-pass filter (LPF) dengan frekuensi cutoff yang jauh lebih rendah daripada laju pengulangan pulsa, komponen konstan ini dapat dengan mudah diisolasi, memperoleh tegangan konstan yang stabil. Oleh karena itu, konverter tegangan pulsa juga mengandung filter frekuensi rendah yang menghaluskan (memperbaiki) rangkaian pulsa tegangan persegi panjang. Diagram blok konverter tegangan step-down pulsa seperti ditunjukkan pada Gambar. 2.
Beras. 2. Blok diagram penurun pulsa tersebut
konverter tegangan
Nah, sekarang mari kita lihat lebih dekat elemen-elemen konverter tegangan catu daya penurun pulsa.
Kunci elektronik dan driver kontrol
Sepasang transistor efek medan saluran-n (MOSFET), dihubungkan sedemikian rupa sehingga saluran salah satu transistor dihubungkan ke saluran listrik 12 V, sumber transistor ini dihubungkan ke titik keluaran dan saluran pembuangan. transistor lain, dan sumber transistor kedua dibumikan. Transistor saklar elektronik ini (kadang-kadang disebut saklar daya) beroperasi sedemikian rupa sehingga salah satu transistor selalu dalam keadaan terbuka, dan yang lainnya dalam keadaan tertutup.
Untuk mengontrol peralihan transistor MOSFET, sinyal kontrol diterapkan ke gerbang transistor ini. Sinyal kendali pengontrol PWM digunakan untuk mengganti transistor MOSFET, namun sinyal ini tidak disuplai langsung ke gerbang transistor, melainkan melalui chip khusus yang disebut driver MOSFET atau driver fase daya. Pengemudi ini mengontrol peralihan transistor MOSFET pada frekuensi yang diatur oleh pengontrol PWM, memasok tegangan peralihan yang diperlukan ke gerbang transistor.
Ketika transistor yang dihubungkan ke jalur suplai 12V hidup, transistor kedua, yang dihubungkan melalui salurannya ke sumber transistor pertama, mati. Dalam hal ini, saluran listrik 12 V dihubungkan ke beban melalui filter anti-aliasing. Ketika transistor yang terhubung ke jalur suplai 12 V ditutup, transistor kedua terbuka dan jalur suplai 12 V terputus dari beban, tetapi beban pada saat ini dihubungkan melalui filter penghalusan ke ground.
Filter LC Lulus Rendah
Filter penghalusan, atau frekuensi rendah, adalah filter LC, yaitu induktansi yang dihubungkan secara seri dengan beban dan kapasitansi yang dihubungkan secara paralel dengan beban (Gbr. 3).
Beras. 3. Skema konverter tegangan pulsa satu fasa
Seperti yang Anda ketahui dari kursus fisika, jika sinyal harmonik dengan frekuensi tertentu diterapkan ke input filter LC tersebut Uin (p), maka tegangan pada keluaran filter kamu keluar (f) tergantung pada reaktansi induktansi (Z L = j2fC) dan kapasitor Z c = 1/(j2fC). Koefisien transmisi filter tersebut adalah K(f) =(kamu keluar (f))/(kamu masuk (f)) dapat dihitung dengan mempertimbangkan pembagi tegangan yang dibentuk oleh resistansi yang bergantung pada frekuensi. Untuk filter yang tidak dimuat, kita mendapatkan:
K(f) = Z c /(Z c + Z L)= 1/(1 – (2 f) 2 LC)
Atau, jika kita memperkenalkan sebutannya f0 = 2/, maka kita mendapatkan:
K(f) = 1/(1 – (f/f0) 2)
Dari rumus ini dapat dilihat bahwa koefisien transmisi filter LC ideal tanpa beban meningkat tanpa batas ketika mendekati frekuensi f0, lalu, kapan f>f 0, menurun secara proporsional 1/f 2. Pada frekuensi rendah (F
Seperti telah disebutkan, penghalusan pulsa tegangan menggunakan filter LC diperlukan agar frekuensi cutoff filter f 0 = 2/ secara signifikan lebih rendah daripada tingkat pengulangan pulsa tegangan. Keadaan ini memungkinkan Anda memilih kapasitansi dan induktansi filter yang diperlukan. Namun, mari kita berhenti sejenak dari rumusnya dan mencoba menjelaskan prinsip filter dalam bahasa yang lebih sederhana.
Pada saat saklar daya terbuka (transistor T 1 terbuka, transistor T 2 tertutup), energi dari sumber masukan ditransfer ke beban melalui induktansi L, di mana energi terakumulasi. Arus yang mengalir melalui rangkaian tidak berubah secara instan, tetapi bertahap, karena EMF yang timbul pada induktansi mencegah perubahan arus. Pada saat yang sama, kapasitor yang dipasang paralel dengan beban juga diisi.
Setelah saklar daya ditutup (transistor T 1 tertutup, transistor T 2 terbuka), arus dari saluran tegangan masukan tidak mengalir ke induktansi, tetapi menurut hukum fisika, ggl induksi yang dihasilkan mempertahankan arah sebelumnya. Sekarang. Artinya, selama periode ini, arus yang masuk ke beban berasal dari elemen induktif. Agar rangkaian menutup dan arus mengalir ke kapasitor penghalus dan ke beban, transistor T 2 terbuka, memastikan rangkaian tertutup dan aliran arus sepanjang jalur induktansi - kapasitansi dan beban - transistor T 2 - induktansi .
Seperti yang telah disebutkan, dengan menggunakan filter penghalusan seperti itu, tegangan beban dapat diperoleh sebanding dengan siklus kerja pulsa kontrol PWM. Namun, jelas bahwa dengan metode pemulusan ini, tegangan keluaran akan memiliki riak tegangan suplai relatif terhadap beberapa nilai rata-rata (tegangan keluaran) - Gambar. 4. Besarnya riak tegangan pada keluaran tergantung pada frekuensi switching transistor, nilai kapasitansi dan induktansi.
Beras. 4. Riak tegangan setelah dihaluskan dengan filter LC
Stabilisasi tegangan keluaran dan fungsi pengontrol PWM
Seperti yang telah disebutkan, tegangan keluaran bergantung (pada beban, frekuensi, induktansi, dan kapasitansi tertentu) pada siklus kerja pulsa PWM. Karena arus yang melalui beban berubah secara dinamis, timbul masalah dalam menstabilkan tegangan keluaran. Ini dilakukan sebagai berikut. Pengontrol PWM, yang menghasilkan sinyal peralihan transistor, dihubungkan ke beban dalam satu lingkaran masukan dan secara konstan memonitor tegangan keluaran pada beban. Tegangan suplai referensi dihasilkan di dalam pengontrol PWM, yang harus ada pada beban. Pengontrol PWM secara konstan membandingkan tegangan keluaran dengan tegangan referensi, dan jika terjadi ketidaksesuaian kamu, maka sinyal mismatch ini digunakan untuk mengubah (menyesuaikan) duty cycle pulsa PWM yaitu mengubah duty cycle pulsa ~ kamu. Dengan cara ini, tegangan keluaran menjadi stabil.
Tentu saja, muncul pertanyaan: bagaimana pengontrol PWM mengetahui tentang tegangan suplai yang diperlukan? Misalnya, jika kita berbicara tentang prosesor, maka, seperti diketahui, tegangan suplai model yang berbeda prosesor mungkin berbeda. Selain itu, bahkan untuk prosesor yang sama, tegangan suplai dapat berubah secara dinamis tergantung pada beban saat ini.
Pengontrol PWM mempelajari tegangan suplai pengenal yang diperlukan melalui sinyal VID (Voltage Identifier). Untuk prosesor modern Intel Core i7 yang mendukung spesifikasi daya VR 11.1, sinyal VID-nya adalah 8-bit, sedangkan untuk prosesor lama yang mendukung VR 10.0, sinyal VID-nya adalah 6-bit. Sinyal VID 8-bit (kombinasi 0 dan 1) memungkinkan Anda mengatur 256 level tegangan prosesor yang berbeda.
Keterbatasan Regulator Tegangan Sakelar Satu Fasa
Rangkaian pengatur tegangan switching satu fasa yang kami pertimbangkan sederhana untuk diterapkan, namun memiliki sejumlah keterbatasan dan kekurangan.
Jika kita berbicara tentang batasan pengatur tegangan switching satu fasa, itu terletak pada kenyataan bahwa transistor MOSFET, induktor (tersedak), dan kapasitor memiliki batasan arus maksimum yang dapat melewatinya. Misalnya, untuk sebagian besar transistor MOSFET yang digunakan dalam pengatur tegangan pada motherboard, batas arusnya adalah 30 A. Pada saat yang sama, prosesor itu sendiri, dengan tegangan suplai sekitar 1 V dan konsumsi daya lebih dari 100 W, mengkonsumsi arus lebih dari 100 A. Jelas bahwa Jika Anda menggunakan pengatur tegangan suplai satu fasa dengan kekuatan arus seperti itu, maka elemen-elemennya akan “terbakar”.
Jika kita berbicara tentang kelemahan pengatur tegangan switching satu fasa, maka itu terletak pada kenyataan bahwa tegangan suplai keluaran memiliki riak, yang sangat tidak diinginkan.
Untuk mengatasi keterbatasan arus regulator tegangan switching, serta untuk meminimalkan riak tegangan keluaran, digunakan regulator tegangan switching multifase.
Regulator tegangan switching multifase
Dalam pengatur tegangan switching multifase, setiap fasa dibentuk oleh driver yang mengontrol peralihan transistor MOSFET, sepasang transistor MOSFET itu sendiri, dan filter LC penghalusan. Dalam hal ini, satu pengontrol PWM multisaluran digunakan, yang beberapa fase daya dihubungkan secara paralel (Gbr. 5).
Beras. 5. Skema struktural pengatur tegangan switching multifase
Aplikasi Pengatur fase-N tegangan suplai memungkinkan Anda untuk mendistribusikan arus ke semua fase, dan oleh karena itu, arus yang mengalir melalui setiap fase akan masuk N kali lebih kecil dari arus beban (khususnya, prosesor). Misalnya, jika Anda menggunakan pengatur tegangan suplai prosesor 4 fase dengan batas arus 30 A di setiap fase, maka arus maksimum yang melalui prosesor adalah 120 A, yang cukup untuk sebagian besar prosesor modern. Namun, jika prosesor dengan TDP 130 W digunakan atau kemungkinan overclocking prosesor diasumsikan, maka disarankan untuk menggunakan bukan pengatur tegangan switching 4 fase, tetapi 6 fase dari tegangan suplai prosesor, atau gunakan tersedak, kapasitor dan transistor MOSFET dirancang untuk arus yang lebih tinggi di setiap fase daya.
Untuk mengurangi riak tegangan keluaran pada regulator tegangan multifasa, semua fasa beroperasi secara sinkron dengan pengaturan waktunya S m bergeser relatif satu sama lain. Jika T adalah periode peralihan MOSFET (periode sinyal PWM) dan digunakan N fase, maka pergeseran waktu untuk setiap fase adalah T/T(Gbr. 6). Pengontrol PWM bertanggung jawab untuk menyinkronkan sinyal PWM untuk setiap fase dengan pergeseran waktu.
Beras. 6. Pergeseran waktu sinyal PWM pada pengatur tegangan multifasa
Karena kenyataan bahwa semua fase berjalan seiring waktu S m bergeser relatif satu sama lain, denyut tegangan dan arus keluaran pada setiap fasa juga akan bergeser sepanjang sumbu waktu relatif satu sama lain. Total arus yang melewati beban akan menjadi jumlah arus di setiap fasa, dan riak arus yang dihasilkan akan lebih kecil dari riak arus di setiap fasa (Gbr. 7).
Beras. 7. Arus per fase
dan arus beban yang dihasilkan
dalam pengatur tegangan tiga fasa
Jadi, keuntungan utama dari regulator tegangan suplai switching multifase adalah memungkinkan, pertama, mengatasi batasan arus, dan kedua, mengurangi riak tegangan keluaran dengan kapasitansi dan induktansi yang sama dengan filter penghalusan.
Rangkaian pengatur tegangan polifase diskrit dan teknologi DrMOS
Seperti yang telah kita catat, setiap fasa daya dibentuk oleh driver kontrol, dua transistor MOSFET, sebuah induktor dan sebuah kapasitor. Dalam hal ini, satu pengontrol PWM mengontrol beberapa fase daya secara bersamaan. Secara struktural, pada motherboard, semua komponen fase dapat bersifat diskrit, yaitu terdapat chip driver terpisah, dua transistor MOSFET terpisah, induktor dan kapasitor terpisah. Pendekatan terpisah ini digunakan oleh sebagian besar produsen motherboard (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock, dll.). Namun, ada pendekatan yang sedikit berbeda, ketika alih-alih menggunakan chip driver terpisah dan dua transistor MOSFET, satu chip digunakan yang menggabungkan transistor daya dan driver. Teknologi ini dikembangkan oleh Intel dan disebut DrMOS, yang secara harfiah berarti Driver + MOSFET. Secara alami, tersedak dan kapasitor terpisah juga digunakan, dan pengontrol PWM multi-saluran digunakan untuk mengontrol semua fase.
Saat ini teknologi DrMOS hanya digunakan pada motherboard MSI. Cukup sulit untuk membicarakan keunggulan teknologi DrMOS dibandingkan dengan metode diskrit tradisional dalam mengatur fase daya. Di sini, semuanya tergantung pada chip DrMOS spesifik dan karakteristiknya. Misalnya, jika kita berbicara tentang papan MSI baru untuk prosesor keluarga Intel Core i7, maka mereka menggunakan chip DrMOS Renesas R2J20602 (Gbr. 8). Misalnya pada papan MSI Eclipse Plus menggunakan pengatur tegangan prosesor 6 fase (Gbr. 9) berdasarkan pengontrol PWM Intersil ISL6336A 6 saluran (Gbr. 10) dan chip DrMOS Renesas R2J20602.
Beras. 8. Chip DrMOS Renesas R2J20602
Beras. 9. Pengatur tegangan prosesor enam fase
berdasarkan pengontrol PWM 6 saluran Intersil ISL6336A
dan chip Renesas R2J20602 DrMOS pada papan MSI Eclipse Plus
Beras. 10. Pengontrol PWM enam saluran
Intersil ISL6336A
Chip Renesas R2J20602 DrMOS mendukung frekuensi peralihan transistor MOSFET hingga 2 MHz dan ditandai dengan efisiensi yang sangat tinggi. Dengan tegangan masukan 12 V, tegangan keluaran 1,3 V dan frekuensi switching 1 MHz, efisiensinya 89%. Batasan arusnya adalah 40 A. Jelas bahwa dengan catu daya prosesor enam fase, setidaknya ada cadangan arus dua kali lipat untuk chip DrMOS. Dengan nilai arus nyata sebesar 25 A, maka konsumsi daya (yang dikeluarkan dalam bentuk panas) dari chip DrMOS sendiri hanya sebesar 4,4 W. Menjadi jelas juga bahwa ketika menggunakan chip DrMOS Renesas R2J20602, tidak perlu menggunakan lebih dari enam fase dalam pengatur tegangan prosesor.
Intel di motherboard berbasis Intel DX58S0 chipset intel X58 untuk prosesor Intel Core i7 juga menggunakan pengatur tegangan prosesor 6 fase, namun terpisah. Untuk mengontrol fase daya, pengontrol PWM 6 saluran ADP4000 dari On Semiconductor digunakan, dan chip ADP3121 digunakan sebagai driver MOSFET (Gbr. 11). Pengontrol PWM ADP4000 mendukung antarmuka PMBus (Power Manager Bus) dan kemampuan untuk diprogram untuk beroperasi dalam mode fase 1, 2, 3, 4, 5 dan 6 dengan kemampuan untuk mengganti jumlah fase secara real time. Selain itu, menggunakan antarmuka PMBus, Anda dapat membaca nilai arus prosesor, voltase, dan konsumsi daya saat ini. Kami hanya dapat menyesal bahwa Intel tidak menerapkan kemampuan chip ADP4000 ini dalam utilitas pemantauan kesehatan prosesor.
Beras. 11. Pengatur tegangan prosesor enam fase
berdasarkan pengontrol PWM ADP4000 dan driver MOSFET ADP3121
pada papan Intel DX58S0 (dua fase daya ditampilkan)
Perhatikan juga bahwa pada setiap fasa daya digunakan transistor MOSFET daya NTMFS4834N dari On Semiconductor dengan batasan arus 130 A. Mudah ditebak bahwa dengan batasan arus seperti itu, transistor daya itu sendiri bukanlah penghambat fasa daya. Dalam hal ini, pembatasan arus pada fasa daya ditentukan oleh induktor. Rangkaian pengatur tegangan yang dipertimbangkan menggunakan PA2080.161NL choke dari PULSE dengan batasan arus 40 A, namun yang jelas bahkan dengan batasan arus seperti itu, daya prosesor enam fase sudah mencukupi dan terdapat margin yang besar untuk overclocking yang ekstrim. prosesor.
Teknologi peralihan fase dinamis
Hampir semua produsen motherboard kini menggunakan teknologi tersebut peralihan dinamis jumlah fase daya prosesor (kita berbicara tentang papan untuk prosesor Intel). Sebenarnya, teknologi ini bukanlah hal baru dan telah dikembangkan oleh Intel sejak lama. Namun, seperti yang sering terjadi, ketika teknologi ini muncul, ternyata tidak diminati pasar dan disimpan dalam waktu yang lama. Dan hanya ketika gagasan untuk mengurangi konsumsi daya komputer terlintas di benak para pengembang, mereka teringat akan peralihan dinamis fase daya prosesor. Produsen motherboard mencoba untuk menganggap teknologi ini sebagai milik mereka dan memberikan berbagai nama untuk itu. Misalnya Gigabyte menyebutnya Advanced Energy Saver (AES), ASRock menyebutnya Intelligent Energy Saver (IES), ASUS menyebutnya EPU, dan MSI menyebutnya Active Phase Switching (APS). Namun, meskipun namanya beragam, semua teknologi ini diterapkan dengan cara yang persis sama dan, tentu saja, bukan merupakan hak milik. Selain itu, kemampuan untuk mengganti fase daya prosesor disertakan dalam spesifikasi Intel VR 11.1 dan semua pengontrol PWM yang kompatibel dengan spesifikasi VR 11.1 mendukungnya. Sebenarnya produsen motherboard tidak punya banyak pilihan di sini. Ini adalah pengontrol PWM Intersil (misalnya, pengontrol PWM 6 saluran Intersil ISL6336A) atau pengontrol PWM On Semiconductor (misalnya, pengontrol PWM 6 saluran ADP4000). Pengendali dari perusahaan lain lebih jarang digunakan. Pengontrol Intersil dan On Semiconductor, kompatibel dengan spesifikasi VR 11.1, mendukung peralihan fase daya dinamis. Satu-satunya pertanyaan adalah bagaimana produsen motherboard menggunakan kemampuan pengontrol PWM.
Tentu saja timbul pertanyaan: mengapa teknologi peralihan fase daya dinamis disebut hemat energi dan apa efektivitas penggunaannya?
Perhatikan, misalnya, motherboard dengan pengatur tegangan prosesor 6 fase. Jika prosesor tidak memiliki beban yang berat, yang berarti arus yang dikonsumsinya kecil, sangat mungkin untuk bertahan dengan dua fase daya, tetapi kebutuhan untuk enam fase muncul ketika prosesor memiliki beban yang besar, ketika arus yang dikonsumsi mencapai nilai maksimalnya. Memang, dimungkinkan untuk memastikan bahwa jumlah fase daya yang terlibat sesuai dengan arus yang dikonsumsi oleh prosesor, yaitu fase daya dialihkan secara dinamis tergantung pada beban prosesor. Namun bukankah lebih mudah untuk menggunakan keenam fase daya pada arus prosesor mana pun? Untuk menjawab pertanyaan ini, Anda perlu memperhitungkan bahwa setiap pengatur tegangan mengkonsumsi sebagian listrik yang diubahnya, yang dilepaskan dalam bentuk panas. Oleh karena itu, salah satu ciri konverter tegangan adalah efisiensinya, atau efisiensi energi, yaitu perbandingan daya yang ditransmisikan ke beban (ke prosesor) dengan daya yang dikonsumsi oleh regulator, yang terdiri dari daya yang dikonsumsi oleh beban dan daya yang dikonsumsi oleh regulator itu sendiri. Efisiensi energi pengatur tegangan tergantung pada nilai arus prosesor (bebannya) dan jumlah fase daya yang terlibat (Gbr. 12).
Beras. 12. Ketergantungan efisiensi energi (efisiensi) dari pengatur tegangan
pada arus prosesor untuk jumlah fase daya yang berbeda
Ketergantungan efisiensi energi pengatur tegangan pada arus prosesor dengan jumlah fase daya yang konstan adalah sebagai berikut. Awalnya, ketika arus beban (prosesor) meningkat, efisiensi pengatur tegangan meningkat secara linier. Selanjutnya, nilai efisiensi maksimum tercapai, dan dengan peningkatan arus beban lebih lanjut, efisiensi secara bertahap menurun. Hal utama adalah bahwa nilai arus beban di mana nilai efisiensi maksimum dicapai tergantung pada jumlah fase daya, dan oleh karena itu, jika Anda menggunakan teknologi peralihan fase daya dinamis, efisiensi pengatur tegangan suplai dapat selalu dipertahankan pada tingkat setinggi mungkin.
Membandingkan ketergantungan efisiensi energi pengatur tegangan pada arus prosesor untuk jumlah fase daya yang berbeda, kita dapat menyimpulkan: pada arus prosesor rendah (dengan beban prosesor rendah), lebih efisien menggunakan jumlah fase daya yang lebih kecil. Dalam hal ini, lebih sedikit energi yang akan dikonsumsi oleh pengatur tegangan itu sendiri dan dilepaskan sebagai panas. Pada nilai arus prosesor yang tinggi, penggunaan sejumlah kecil fase daya menyebabkan penurunan efisiensi energi pengatur tegangan. Oleh karena itu, dalam hal ini optimal untuk menggunakan jumlah fase daya yang lebih besar.
Dari sudut pandang teoretis, penggunaan teknologi peralihan fase daya prosesor secara dinamis harus, pertama, mengurangi konsumsi daya sistem secara keseluruhan, dan kedua, pembuangan panas pada pengatur tegangan suplai itu sendiri. Apalagi menurut produsen motherboard, teknologi ini mampu mengurangi konsumsi daya sistem sebanyak 30%. Tentu saja, 30% adalah angka yang muncul begitu saja. Pada kenyataannya, teknologi peralihan fase daya secara dinamis memungkinkan pengurangan total konsumsi energi sistem tidak lebih dari 3-5%. Faktanya adalah bahwa teknologi ini memungkinkan Anda menghemat listrik, hanya dikonsumsi oleh pengatur tegangan suplai itu sendiri. Namun konsumen utama listrik pada komputer adalah prosesor, kartu video, chipset dan memori, dan dengan latar belakang total konsumsi energi komponen-komponen ini, konsumsi energi pengatur tegangan itu sendiri cukup kecil. Oleh karena itu, tidak peduli bagaimana Anda mengoptimalkan konsumsi daya pengatur tegangan, penghematan yang signifikan tidak mungkin dicapai.
Trik pemasaran produsen
Produsen motherboard berusaha sekuat tenaga untuk menarik perhatian pembeli terhadap produknya dan memotivasi mereka untuk membuktikan bahwa mereka lebih baik dari pesaingnya! Salah satu trik pemasaran tersebut adalah meningkatkan fase daya pengatur tegangan prosesor. Jika sebelumnya regulator tegangan enam fasa digunakan pada motherboard papan atas, sekarang mereka menggunakan 10, 12, 16, 18 dan bahkan 24 fasa. Apakah benar-benar perlu memiliki begitu banyak fase kekuatan, atau ini hanya gimmick pemasaran?
Tentu saja, regulator tegangan suplai multifase memiliki keunggulan yang tidak dapat disangkal, namun ada batasan yang masuk akal untuk semuanya. Misalnya, seperti yang telah kita catat, sejumlah besar fasa daya memungkinkan penggunaan komponen (MOSFET, tersedak, dan kapasitor) yang dirancang untuk arus rendah di setiap fasa daya, yang tentu saja lebih murah daripada komponen dengan batasan arus tinggi. Namun, sekarang semua produsen motherboard menggunakan kapasitor polimer solid-state dan tersedak dengan inti ferit, yang memiliki batasan arus minimal 40 A. Transistor MOSFET juga memiliki batasan arus minimal 40 A (dan baru-baru ini ada kecenderungan untuk beralih ke transistor MOSFET dengan batas arus 75 A). Jelas bahwa dengan pembatasan arus pada setiap fase gelombang, cukup menggunakan enam fase daya. Regulator tegangan seperti itu secara teoritis mampu menyediakan arus prosesor lebih dari 200 A, dan karenanya konsumsi daya lebih dari 200 W. Jelas bahwa bahkan dalam mode overclocking ekstrim hampir tidak mungkin untuk mencapai nilai konsumsi arus dan daya seperti itu. Jadi mengapa produsen membuat pengatur tegangan dengan 12 fasa atau lebih, jika pengatur tegangan enam fasa juga dapat memberikan daya ke prosesor dalam mode operasi apa pun?
Jika kita membandingkan regulator tegangan 6 dan 12 fasa, maka secara teoritis bila menggunakan teknologi peralihan fasa daya dinamis, efisiensi energi regulator tegangan 12 fasa akan lebih tinggi. Namun, perbedaan efisiensi energi hanya akan terlihat pada arus prosesor yang tinggi, yang dalam praktiknya tidak dapat dicapai. Tetapi bahkan jika dimungkinkan untuk mencapai nilai arus yang begitu tinggi sehingga efisiensi energi regulator tegangan 6 dan 12 fasa akan berbeda, maka perbedaan ini akan sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Oleh karena itu, untuk semua prosesor modern dengan konsumsi daya 130 W, bahkan dalam mode overclocking ekstrem, pengatur tegangan 6 fase sudah cukup. Penggunaan pengatur tegangan 12 fasa tidak memberikan keuntungan apapun meskipun menggunakan teknologi peralihan fasa daya dinamis. Mengapa produsen mulai membuat regulator tegangan 24 fase masih belum jelas. Hal ini tidak masuk akal; rupanya, mereka berharap untuk mengesankan pengguna yang buta huruf secara teknis yang menganggap “semakin banyak semakin baik.”
Omong-omong, perlu dicatat bahwa saat ini tidak ada pengontrol PWM 12 atau bahkan lebih 24 saluran yang mengontrol fase daya. Jumlah maksimum Ada enam saluran di pengontrol PWM. Akibatnya, ketika regulator tegangan dengan lebih dari enam fasa digunakan, pabrikan terpaksa memasang beberapa pengontrol PWM yang beroperasi secara sinkron. Mari kita ingat bahwa sinyal kontrol PWM di setiap saluran memiliki penundaan tertentu relatif terhadap sinyal PWM di saluran lain, tetapi offset waktu sinyal ini diterapkan dalam pengontrol yang sama. Ternyata ketika menggunakan, misalnya, dua pengontrol PWM 6 saluran untuk mengatur pengatur tegangan 12 fasa, fasa daya yang dikendalikan oleh satu pengontrol digabungkan berpasangan dengan fasa daya yang dikendalikan oleh pengontrol lain. Artinya, fasa daya pertama pengontrol pertama akan beroperasi serentak (tanpa pergeseran waktu) dengan fasa daya pertama pengontrol kedua. Fase-fase tersebut kemungkinan besar juga akan berganti secara dinamis secara berpasangan. Secara umum, ini bukan pengatur tegangan 12 fasa yang “jujur”, melainkan versi hybrid dari regulator 6 fasa dengan dua saluran di setiap fasa.
Memuat...