Mikroprocesory sú najvýkonnejšími spotrebiteľmi energie moderné počítače. Súčasná spotreba moderného mikroprocesora môže dosiahnuť niekoľko desiatok ampérov. Kvalita napájacieho napätia mikroprocesora je zároveň najdôležitejším faktorom určujúcim stabilitu celého systému. Ako výrobcovia základných dosiek riešia problém poskytovania výkonného a kvalitného napájania mikroprocesoru je popísané v článku, ktorý sme vám dali do pozornosti.
Preambula
Frekvencia hodín mikroprocesorov neustále rastie a teraz dosahuje niekoľko GHz. Zvýšiť frekvencia hodín mikroprocesor je sprevádzaný výrazným zvýšením energie, ktorú spotrebúva, a teda vedie k zvýšeniu teploty procesorového čipu. Okrem toho spotrebu mikroprocesorov ovplyvňuje aj nárast počtu tranzistorov na jeho čipe (čím modernejší procesor, tým viac vysoký stupeň má integráciu. CMOS tranzistory, ktoré tvoria základ mikroprocesorov, síce v zopnutom stave spotrebúvajú mizivé prúdy, no keď sa bavíme o niekoľkých miliónoch tranzistorov umiestnených na čipe procesora, už to netreba zanedbávať. Hlavná spotreba energie tranzistorov CMOS sa uskutočňuje v okamihu jeho zaradenia a, prirodzene, čím častejšie tranzistory spínajú, tým viac energie spotrebujú. Výsledkom je prepnutie miliónov tranzistorov vysoká frekvencia, sú schopné zabezpečiť odber takého prúdu mikroprocesorom, ktorého hodnota už dosahuje 50 a viac ampérov. Kryštál procesora sa teda začne silne zahrievať, čo vedie k výraznému zhoršeniu spínacích procesov tranzistorov a môže ich deaktivovať. Zároveň nie je možné vyriešiť problém výlučne odvodom tepla.
To všetko núti výrobcov znižovať napájacie napätie mikroprocesorov, presnejšie napájacie napätie jeho jadra. Zníženie napájacieho napätia môže vyriešiť problém rozptýleného výkonu na čipe mikroprocesora a znížiť jeho teplotu. Ak úplne prvé mikroprocesory rodiny 80x86 mali napájacie napätie +5V (a prvýkrát bolo aplikované zníženie napätia na +3,3V v I80486), tak mikroprocesory najnovšej generácie už dokážu pracovať s napájacím napätím + 0,5 V (pozri špecifikáciu VR11 od Intelu).
Faktom však je, že také nízke napätie nevytvára systémový zdroj. Pripomeňme, že na jeho výstupe sa tvoria iba napätia + 3,3 V, + 5 V a + 12 V. Základná doska teda musí mať vlastný regulátor napätia schopný znížiť tieto „vysokonapäťové“ napätia na úroveň potrebnú pre napájanie jadra procesora, t.j. 0,5 - 1,6 V (obr.1).
Obr.1
Keďže tento regulátor zabezpečuje konverziu konštantného napätia + 12V na konštantné napätie, ale s nižším menovitým výkonom, bol regulátor nazvaný DC-DC Converter (konvertor priamy prúd na jednosmerný prúd). Chcel by som upozorniť všetkých špecialistov na skutočnosť, že napätie jadra procesora je teraz generované z napätia +12V a nie z +5V alebo +3,3V, ako by sa mohlo zdať logickejšie. Faktom je, že napätie v kanáli +12V je najvyššie, a preto je možné v ňom vytvoriť oveľa viac energie pri nižšej hodnote prúdu. Teda v modernom výpočtových systémov+12V sa stáva najdôležitejším napätím a práve v tomto kanáli tečú najväčšie prúdy. To sa mimochodom odráža aj v normách, ktoré popisujú požiadavky na systémové bloky zdroj, podľa ktorého je zaťažiteľnosť +12V kanála maximálna. Okrem toho musí mať výstup napájacieho zdroja dva napäťové kanály +12V (+12V1 a +12V2) a riadenie prúdu v každom z týchto kanálov sa musí vykonávať nezávisle. Jeden z týchto kanálov, a to +12V2, je určený práve na napájanie jadra procesora a sú naň kladené najprísnejšie požiadavky na stabilitu a najmenšie tolerancie odchýlok od nominálnej hodnoty.
Je tiež potrebné poznamenať nasledujúci bod. Pretože výkon spotrebovaný procesormi je pomerne veľký (môže dosiahnuť takmer 100 W), konverzia napätia sa musí vykonať pulznou metódou. Lineárna transformácia nie je schopný poskytnúť dostatočne vysokú účinnosť pri takomto výkone a povedie k značným stratám a následne k ohrevu prvkov meniča. K dnešnému dňu iba impulzná konverzia umožňuje získať efektívny a ekonomický zdroj energie s malými rozmermi a prijateľnými nákladmi na realizáciu. Na systémovej doske sa teda nachádza konvertor DC-DC, čo je konvertor typu step-down (Step Down alebo Trim).
Konvertor DC-DC Step Down
Základný obvod pre menič DC buck je znázornený na obr.2. Chcel by som poznamenať, že regulátory tohto typu sa v modernej dovážanej literatúre nazývajú Buck Converter alebo Buck Regulator. Tranzistor Q1 v tomto obvode je kľúč, ktorý zatváraním / otváraním vytvára impulzné napätie z konštantného napätia.
Obr.2
V tomto prípade je amplitúda generovaných impulzov 12V. Na zlepšenie účinnosti konverzie musí Q1 spínať pri vysokej frekvencii (čím vyššia frekvencia, tým efektívnejšia je konverzia). V reálnych obvodoch regulátora základnej dosky môže byť spínacia frekvencia tranzistorov meniča v rozsahu od 80 kHz do 2 MHz.
Ďalej je výsledné impulzné napätie vyhladené induktorom L1 a elektrolytickým kondenzátorom C1. V dôsledku toho sa na C1 vytvorí konštantné napätie, ale menšej veľkosti. V tomto prípade bude veľkosť vytvoreného jednosmerného napätia úmerná šírke impulzov prijatých na výstupe Q1. Ak sa tranzistor Q1 otvorí na dlhší čas, potom bude aj energia uložená na L1 väčšia, čo v dôsledku toho vedie k zvýšeniu napätia na C1. V súlade s tým a naopak - s kratším trvaním otvoreného stavu tranzistora Q1 sa napätie na C1 znižuje. Tento spôsob priamej regulácie napätia sa nazýva pulzne-šírková modulácia - PWM (PWM - Pulse Width Modulation).
Veľmi dôležitým prvkom obvodu je dióda D1. Táto dióda udržiava zaťažovací prúd vytvorený induktorom L1 počas tých časových úsekov, keď je tranzistor Q1 zatvorený. Inými slovami, keď je Q1 otvorený, prúd induktora a prúd záťaže sú poskytované napájacím zdrojom, zatiaľ čo energia je uložená v induktore. Po vypnutí Q1 je záťažový prúd udržiavaný energiou uloženou v induktore. Tento prúd tečie cez D1, t.j. energia induktora sa vynakladá na udržanie záťažového prúdu ( pozri obr.3).
Obr.3
Avšak v praktické schémy ah buck regulátory, ktoré generujú vysoké prúdy, existujú určité problémy. Faktom je, že väčšina diód nemá dostatočnú rýchlosť a má tiež pomerne veľký otvorený odpor. p-n križovatka. Toto všetko nemá rozhodujúci význam pri nízkych zaťažovacích prúdoch. Ale pri vysokých prúdoch to všetko vedie k výrazným stratám, silnému zahrievaniu diódy D1, napäťovým rázom a výskytu spätných prúdov cez diódu pri spínaní tranzistora Q1. Preto túto schému bol dokončený za účelom zvýšenia výkonu a zníženia strát, v dôsledku čoho bol namiesto diódy D1 použitý iný tranzistor - Q2 (obr.4).
Obr.4
Tranzistor Q2, ktorý je MOSFET, má veľmi nízky odpor a je veľmi rýchly. Keďže Q2 plní funkciu diódy, pracuje synchrónne s Q1, ale striktne v protifáze, t.j. v momente uzamknutia Q1 sa tranzistor Q2 otvorí a naopak, keď je Q1 otvorený, tranzistor Q2 sa zatvorí (pozri obr. 5).
Obr.5
Práve toto riešenie je jediné možné pre organizáciu meničov napätia na moderných základných doskách, kde, ako sme už povedali, sú potrebné veľmi vysoké prúdy na napájanie procesora.
Po dokončení prehľadu základných technológií na organizáciu spínacích regulátorov napätia sa obraciame na zváženie praktických schém na ich implementáciu.
Základy organizácie regulátorov napätia jadra procesora
Okamžite stojí za zmienku, že výrobcovia základne prvkov už dlhú dobu začali vyrábať špecializované mikroobvody určené na vytváranie spínacích regulátorov napätia pre základné dosky. osobné počítače. Použitie takýchto špecializovaných mikroobvodov umožňuje zlepšiť vlastnosti regulátorov, zabezpečiť ich vysokú kompaktnosť a znížiť náklady ako na samotné regulátory, tak aj na náklady na ich vývoj. K dnešnému dňu existujú tri typy mikroobvodov používaných v regulátoroch napätia základnej dosky určených na napájanie jadra procesora:
- hlavný regulátor (Main Controller), ktorý sa tiež nazýva regulátor PWM (PWM-Controller) alebo regulátor napätia (Voltage Regulator);
- ovládač riadenia tranzistora MOS (ovládač MOSFET synchrónneho usmerňovača);
- kombinovaný ovládač, ktorý kombinuje funkcie PWM ovládača a MOSFET ovládača.
Berúc do úvahy rôznorodosť použitých mikroobvodov, v moderných základných doskách nájdeme dve hlavné možnosti budovania spínacích regulátorov napätia na napájanie jadra procesora.
I možnosť. Táto možnosť je typická pre základné dosky základnej dosky s nízkym výkonom, t.j. najčastejšie sa používa na základných doskách, ktoré nezabezpečujú použitie vysokovýkonných a výkonné procesory. V tejto verzii je riadenie výkonových tranzistorov meniča vykonávané mikroobvodom kombinovaného regulátora. Tento čip poskytuje nasledujúce funkcie:
- čítanie stavu identifikačných signálov napájacieho napätia procesora (VIDn);
- generovanie PWM signálov pre synchrónne riadenie výkonových MOSFETov;
- kontrola hodnoty generovaného napájacieho napätia;
- implementácia súčasnej ochrany výkonových MOSFET;
- generovanie signálu potvrdzujúceho správnu činnosť regulátora a prítomnosť správneho napätia na jeho výstupe pre napájanie jadra procesora (signál PGOOD).
Príklad takéhoto variantu regulátora napätia je uvedený v obr.6. V tomto prípade, ako vidíme, sú výkonové tranzistory priamo pripojené k výstupom kombinovaného čipu regulátora. Ako taký ovládač sa často používal čip HIP6004.
Obr.6
možnosť II. Táto možnosť je typická pre základné dosky určené na prácu s vysokovýkonnými procesormi. Pretože vysokovýkonný procesor znamená spotrebu vysokých prúdov, regulátor napätia je vyrobený viackanálový (obr. 7).
Obr.7
Prítomnosť niekoľkých kanálov vám umožňuje znížiť množstvo prúdu pre každý kanál, t.j. znížiť prúdy spínané tranzistormi MOSFET. To zase zvyšuje spoľahlivosť celého obvodu a umožňuje použitie menej výkonných tranzistorov, čo má pozitívny vplyv na náklady ako na samotný regulátor, tak aj na základnú dosku ako celok.
Táto verzia regulátora sa vyznačuje použitím dvoch typov mikroobvodov: hlavného regulátora PWM a ovládačov tranzistorov MOS. Synchrónne riadenie MOSFET je vykonávané budičmi, z ktorých každý môže ovládať jeden alebo dva páry tranzistorov. Budič zabezpečuje protifázové spínanie tranzistorov v súlade s vstupný signál(najčastejšie označovaný ako PWM), ktorý určuje spínaciu frekvenciu a otvorený stav tranzistorov. Počet čipov ovládača zodpovedá počtu kanálov spínacieho regulátora.
Všetky ovládače sú riadené hlavným ovládačom (Main Controller), ktorého hlavné funkcie zahŕňajú:
-tvarovanie impulzov na ovládanie ovládačov MOSFET;
- zmena šírky týchto riadiacich impulzov za účelom stabilizácie výstupného napätia regulátora;
- kontrola výstupného napätia regulátora;
- zabezpečenie súčasnej ochrany MOSFET;
- čítanie stavu identifikačných signálov napájacieho napätia procesora (VIDn).
Okrem týchto funkcií je možné vykonávať ďalšie pomocné funkcie, ktorých prítomnosť bude určená typom použitého hlavného ovládača.
Všeobecná schéma takéhoto regulátora napätia je znázornená v obr.8. Väčšina moderných hlavných ovládačov je 4-kanálová, t.j. majú 4 výstupné signály PWM na pohon tranzistorových budičov.
Obr.8
Takže v súčasnosti môžu byť regulátory napätia pre jadro procesora 2-kanálové, 3-kanálové a 4-kanálové.
Príklad implementácie 2-kanálového regulátora je uvedený na obr.9. Tento regulátor je postavený pomocou čipu hlavného ovládača typu HIP6301, ktorý je v princípe štvorkanálový, ale dva kanály zostali nevyužité.
Obr.9
Čipy HIP6601B sa v tejto schéme používajú ako kľúčové ovládače.
Príklad implementácie 4-kanálového regulátora s použitím rovnakého hlavného regulátora je uvedený v obr.10.
Obr.10
Radič HIP6301 dekóduje napätie jadra procesora na základe 5-bitového identifikačného kódu (VID0 - VID4) a generuje výstupné PWM impulzy s frekvenciou až 1,5 MHz. Okrem toho generuje signál PGOOD (dobrý výkon), ak sa napätie jadra procesora generované regulátorom napätia zhoduje s hodnotou nastavenou pomocou signálov VIDn.
Vlastnosti viackanálových regulátorov
Pri použití viackanálových regulátorov napätia existuje niekoľko problémov, ktoré musia dizajnéri základných dosiek vyriešiť. Faktom je, že každý kanál je spínacím regulátorom, ktorý spínaním pri vysokej frekvencii vytvára na svojom výstupe prúdové impulzy. Tieto impulzy je samozrejme potrebné vyhladiť a na to slúžia elektrolytické kondenzátory a tlmivky. Faktom však je, že v dôsledku veľkého prúdového zaťaženia kapacita kondenzátorov a indukčnosť induktorov nestačí na vytvorenie skutočne konštantného napätia, v dôsledku čoho sa na napájacej zbernici procesora pozorujú vlnky. (obr.11). Navyše, ani zvýšenie počtu kondenzátorov, ani zvýšenie kapacity kondenzátorov a indukčnosti tlmiviek, ani zvýšenie konverznej frekvencie (pokiaľ nehovoríme o niekoľkonásobnom zvýšení frekvencie) nezachráni tieto vlnky. Prirodzene, tieto vlnky môžu viesť k nestabilnej prevádzke procesora.
Obr.11
Cesta z problému sa práve nachádza v použití viackanálovej architektúry regulátora napätia. Ale iba použitie niekoľkých paralelných kanálov na vyriešenie problému nebude úspešné. Je potrebné dbať na to, aby sa tlačidlá rôznych kanálov prepínali s fázovým posunom, t.j. mali by sa otvárať jeden po druhom. Tým sa zabezpečí, že každý kanál bude udržiavať výstupný prúd regulátora počas presne stanoveného časového obdobia. Inými slovami, vyhladzovacie kondenzátory sa budú neustále nabíjať, ale z rôznych kanálov v rôznych časoch. Takže napríklad pri použití 4-kanálového regulátora sa výstupné kondenzátory dobijú štyrikrát za jeden hodinový cyklus regulátora, t.j. impulzné prúdy jednotlivých kanálov sú navzájom fázovo posunuté o 90° (pozri obr.12). To zodpovedá 4-násobnému zvýšeniu konverznej frekvencie a ak je spínacia frekvencia tranzistorov každého kanála 0,5 MHz, potom bude frekvencia impulzov na vyhladzovacom kondenzátore už 2 MHz.
Obr.12
PWM impulzy, ktoré sú generované na výstupe hlavného riadiaceho čipu (PWM výstupné signály), teda musia nasledovať s určitým fázovým posunom, pričom tento fázový posun je určený vnútornou architektúrou čipu a je zvyčajne nastavený už v štádiu dizajn čipu. Ale niektoré ovládače vám umožňujú konfigurovať ich podľa rôzne režimy prevádzka: 2-fázová, 3-fázová alebo 4-fázová regulácia (ako sa to robí, nájdete v popisoch k samotným ovládačom).
Touto lekciou začínam sériu článkov o spínacích regulátoroch, digitálnych regulátoroch a zariadeniach na riadenie výstupného výkonu.
Cieľ, ktorý som si stanovil, je vývoj ovládača pre chladničku na Peltierovom článku.
Urobíme analóg môjho vývoja, implementovaný iba na základe dosky Arduino.
- Tento vývoj zaujal mnohých a padali na mňa listy so žiadosťami o jeho implementáciu na Arduino.
- Vývoj je ideálny na štúdium hardvéru a softvéru digitálnych ovládačov. Okrem toho kombinuje mnohé z úloh študovaných v predchádzajúcich lekciách:
- Meranie analógových signálov;
- práca s tlačidlami;
- pripojenie indikačných systémov;
- meranie teploty;
- pracovať s EEPROM;
- spojenie s počítačom;
- paralelné procesy;
- a oveľa viac.
Vývoj budem rozvíjať postupne, krok za krokom, vysvetľujúc moje kroky. Aký bude výsledok - neviem. Dúfam v plnohodnotný pracovný projekt ovládača chladničky.
Nemám hotový projekt. Lekcie budem písať podľa aktuálneho stavu, takže pri testoch sa môže ukázať, že som v určitej fáze urobil chybu. opravím. Je to lepšie ako ja ladiť vývoj a vydávať hotové riešenia.
Rozdiely medzi vývojom a prototypom.
Jediným funkčným rozdielom oproti vývoju prototypu na PIC regulátore je absencia rýchleho regulátora napätia, ktorý kompenzuje zvlnenie napájacieho napätia.
Tie. táto verzia zariadenia musí byť napájaná stabilizovaným zdrojom s nízkou úrovňou zvlnenia (nie viac ako 5%). Tieto požiadavky spĺňajú všetky moderné impulzné bloky výživa.
A možnosť napájania z nestabilizovaného zdroja (transformátor, usmerňovač, kapacitný filter) je vylúčená. Rýchlosť systému Arduino neumožňuje rýchly regulátor napätia. Odporúčam prečítať si o požiadavkách na výkon Peltierovho prvku.
rozvoj celková štruktúra zariadení.
V tejto fáze musíte pochopiť všeobecné pojmy:
- z akých prvkov sa systém skladá;
- na ktorom ovládači ho vykonať;
- existuje dostatok záverov a funkčnosť ovládač.
Ovládač si predstavujem ako “čiernu skrinku” alebo “odpadkovú jamu” a pripájam k nemu všetko potrebné. Potom sa pozerám, či je na tieto účely vhodná napríklad doska Arduino UNO R3.
V mojom výklade to vyzerá takto.
Nakreslil som obdĺžnik - ovládač a všetky signály potrebné na prepojenie prvkov systému.
Rozhodol som sa, že sa potrebujem pripojiť k doske:
- LCD indikátor (na zobrazenie výsledkov a režimov);
- 3 tlačidlá (na ovládanie);
- LED indikácia chyby;
- tlačidlo ovládania ventilátora (na zapnutie ventilátora chladiča na horúcej strane);
- kľúč prepínacieho stabilizátora (na nastavenie výkonu Peltierovho prvku);
- analógový vstup na meranie záťažového prúdu;
- analógový vstup na meranie napätia záťaže;
- snímač teploty v komore (presný 1-vodičový snímač DS18B20);
- snímač teploty radiátora (ešte sme sa nerozhodli ktorý snímač, skôr DS18B20 tiež);
- počítačové komunikačné signály.
Celkovo bolo 18 signálov. Doska Arduino UNO R3 alebo Arduino NANO má 20 pinov. V rezerve ostali ešte 2 závery. Možno budete chcieť pripojiť ďalšie tlačidlo, alebo LED, alebo snímač vlhkosti, alebo ventilátor studenej strany ... Potrebujeme 2 alebo 3 analógové vstupy, doska má 6. To znamená. všetko nám vyhovuje.
Čísla pinov môžete priradiť okamžite, počas vývoja môžete. Ihneď som menoval. Pripojenie prebieha cez konektory, ktoré môžete vždy zmeniť. Majte na pamäti, že priradenia špendlíkov nie sú konečné.
impulzné stabilizátory.
Pre presnú stabilizáciu teploty a prevádzku Peltierovho prvku v optimálnom režime je potrebné nastaviť výkon na ňom. Regulátory sú analógové (lineárne) a impulzné (kľúčové).
Analógové regulátory sú regulačným prvkom a záťažou zapojenou do série so zdrojom energie. Zmenou odporu regulačného prvku sa upravuje napätie alebo prúd na záťaži. Ako regulačný prvok sa spravidla používa bipolárny tranzistor.
Ovládací prvok pracuje v lineárnom režime. Je pridelený "extra" výkon. Pri vysokých prúdoch sú stabilizátory tohto typu veľmi horúce, majú nízku účinnosť. Typickým lineárnym regulátorom napätia je čip 7805.
Táto možnosť nám nevyhovuje. Vyrobíme si pulzný (kľúčový) stabilizátor.
Spínacie stabilizátory sú rôzne. Potrebujeme zostupný spínací regulátor. Záťažové napätie v takýchto zariadeniach je vždy nižšie ako napájacie napätie. Obvod regulátora zostupného spínania vyzerá takto.
A toto je schéma regulátora.
Tranzistor VT pracuje v kľúčovom režime, t.j. môže mať iba dva stavy: otvorený alebo zatvorený. Riadiace zariadenie, v našom prípade mikrokontrolér, spína tranzistor s určitou frekvenciou a pracovným cyklom.
- Keď je tranzistor otvorený, prúd preteká obvodom: napájací zdroj, tranzistorový spínač VT, tlmivka L, záťaž.
- Keď je kľúč otvorený, energia uložená v induktore sa dodáva do záťaže. Obvodom preteká prúd: tlmivka, VD dióda, záťaž.
Konštantné napätie na výstupe regulátora teda závisí od pomeru doby otvorenia (topen) a súkromný kľúč(tclose), t.j. na pracovnom cykle riadiacich impulzov. Zmenou pracovného cyklu môže mikrokontrolér zmeniť napätie na záťaži. Kondenzátor C vyhladzuje zvlnenie výstupného napätia.
Hlavnou výhodou tohto spôsobu regulácie je vysoká účinnosť. Tranzistor je vždy zapnutý alebo vypnutý. Preto je na ňom rozptýlený malý výkon - vždy je buď napätie na tranzistore blízko nule, alebo prúd je 0.
Toto klasická schéma zostupný regulátor. V ňom sa kľúčový tranzistor odtrhne od spoločného vodiča. Tranzistor je ťažko ovládateľný, čo si vyžaduje špeciálne obvody predpätia na koľajnicu napájacieho napätia.
Tak som zmenil schému. V ňom je záťaž odpojená od spoločného vodiča, ale na spoločný vodič je pripevnený kľúč. Toto riešenie umožňuje ovládať tranzistorový spínač zo signálu mikrokontroléra pomocou jednoduchého prúdového ovládača-zosilňovača. 
- Keď je kľúč zatvorený, prúd vstupuje do záťaže cez obvod: napájací zdroj, induktor L, kľúč VT (prúdová dráha je znázornená červenou farbou).
- Keď je kľúč otvorený, energia nahromadená v induktore sa vracia do záťaže cez regeneračnú diódu VD (priebeh prúdu je znázornený modrou farbou).
Praktická implementácia kľúčového regulátora.
Potrebujeme implementovať uzol spínacieho regulátora s nasledujúcimi funkciami:
- skutočný kľúčový ovládač (kľúč, tlmivka, regeneračná dióda, vyhladzovací kondenzátor);
- obvod merania záťažového napätia;
- obvod merania prúdu regulátora;
- hardvérová nadprúdová ochrana.
Prakticky bez zmien som prevzal obvod regulátora z.
Schéma spínacieho regulátora pre prácu s doskou Arduino.
Ako vypínač som použil MOSFET tranzistory IRF7313. V článku o zvýšení výkonu regulátora Peltierovho prvku som podrobne písal o týchto tranzistoroch, o možnej náhrade a o požiadavkách na kľúčové tranzistory pre tento obvod. Tu je odkaz na technickú dokumentáciu.
Na tranzistoroch VT1 a VT2 je zostavený kľúčový ovládač tranzistora MOSFET. Toto je len prúdový zosilňovač, napäťovo dokonca zoslabuje signál na cca 4,3 V. Preto kľúčový tranzistor musí byť nízkoprahový. Existujú rôzne spôsoby implementácie ovládačov MOSFET. Vrátane použitia integrovaných ovládačov. Táto možnosť je najjednoduchšia a najlacnejšia.
Na meranie napätia na záťaži sa používa delič R1, R2. Pri takýchto hodnotách odporu a zdroji referenčného napätia 1,1 V je rozsah merania 0 ... 17,2 V. Obvod umožňuje merať napätie na druhej záťažovej svorke vzhľadom na spoločný vodič. Vypočítame napätie pri záťaži, pričom poznáme napätie zdroja energie:
Uload = Usupply - Umerané.
Je jasné, že presnosť merania bude závisieť od stability udržiavania napätia zdroja energie. Ale nepotrebujeme vysokú presnosť pri meraní napätia, prúdu, výkonu záťaže. Musíme presne merať a udržiavať iba teplotu. Zmeriame to s vysokou presnosťou. A ak systém ukáže, že Peltierov prvok má výkon 10 W, ale v skutočnosti to bude 10,5 W, nijako to neovplyvní chod zariadenia. To platí pre všetky ostatné energetické parametre.
Prúd sa meria pomocou odporovo-prúdového snímača R8. Komponenty R6 a C2 tvoria jednoduchý dolnopriepustný filter.
Najjednoduchšia hardvérová ochrana je namontovaná na prvkoch R7 a VT3. Ak prúd v obvode presiahne 12 A, potom napätie na rezistore R8 dosiahne prah otvorenia tranzistora 0,6 V. Tranzistor otvorí a zatvorí kolík RES (reset) mikrokontroléra voči zemi. Všetko by sa malo vypnúť. Bohužiaľ, prah pre takúto ochranu je určený napätím báza-emitor bipolárneho tranzistora (0,6 V). Z tohto dôvodu ochrana funguje iba pri významných prúdoch. Môžete použiť analógový komparátor, ale to skomplikuje obvod.
Prúd bude meraný presnejšie so zvýšením odporu prúdového snímača R8. To však povedie k uvoľneniu významnej sily. Aj pri odpore 0,05 ohmov a prúde 5 A sa na rezistore R8 rozptýli 5 * 5 * 0,05 = 1,25 wattu. Všimnite si, že odpor R8 má výkon 2 watty.
Teraz, aký prúd meriame. Meriame prúdový odber spínacieho regulátora z napájacieho zdroja. Obvod na meranie tohto parametra je oveľa jednoduchší ako obvod na meranie záťažového prúdu. Náš náklad je „odviazaný“ od spoločného drôtu. Aby systém fungoval, je potrebné merať elektrický výkon na Peltierovom článku. Výkon spotrebovaný regulátorom vypočítame vynásobením napájacieho napätia odoberaným prúdom. Predpokladajme, že náš regulátor má účinnosť 100% a rozhodneme, že toto je výkon na Peltierovom článku. V skutočnosti bude účinnosť regulátora 90-95%, ale táto chyba žiadnym spôsobom neovplyvní prevádzku systému.
Komponenty L2, L3, C5 sú jednoduchým RFI filtrom. Možno to nebude potrebné.
Výpočet škrtiacej klapky kľúčového stabilizátora.
Plyn má dva parametre, ktoré sú pre nás dôležité:
- indukčnosť;
- saturačný prúd.
Potrebná indukčnosť tlmivky je určená frekvenciou PWM a prípustným zvlnením prúdu tlmivky. Na túto tému je veľa informácií. Uvediem najjednoduchší výpočet.
Priviedli sme napätie na tlmivku a prúd cez ňu začal zvyšovať prúd. Zvýšenie, ale neprejavilo sa, pretože v momente, keď som bol zapnutý, už cez induktor pretekal nejaký prúd).
Tranzistor je otvorený. Napätie je pripojené k škrtiacej klapke:
Uchoke = Usupply - Uload.
Prúd cez induktor sa začal zvyšovať podľa zákona:
Ichoke = Uchoke * topen / L
- topen - trvanie impulzu verejného kľúča;
- L - indukčnosť.
Tie. hodnota zvlneného prúdu induktora alebo o koľko sa prúd zvýšil počas doby otvorenia kľúča je určená výrazom:
Ioff - Ion = Uchoke * topen / L
Napätie záťaže sa môže zmeniť. A určuje napätie na škrtiacej klapke. Existujú vzorce, ktoré to zohľadňujú. Ale v našom prípade by som bral nasledujúce hodnoty:
- napájacie napätie 12 V;
- minimálne napätie na Peltierovom prvku 5 V;
- Prostriedky maximálne napätie na plyne 12 - 5 \u003d 7 V.
Trvanie impulzu topenia verejného kľúča je určené frekvenciou periódy PWM. Čím je vyššia, tým menšiu indukčnosť potrebuje induktor. Maximálna frekvencia PWM dosky Arduino je 62,5 kHz. Ako získať takúto frekvenciu vám poviem v nasledujúcej lekcii. My to využijeme.
Zoberme si ten najhorší prípad – PWM sa prepne presne v strede periódy.
- Trvanie periódy 1/62500 Hz = 0,000016 s = 16 µs;
- Trvanie verejného kľúča = 8 µs.
Zvlnenie prúdu v takýchto obvodoch je zvyčajne nastavené na 20% priemerného prúdu. Nezamieňajte so zvlnením výstupného napätia. Sú vyhladené kondenzátormi na výstupe obvodu.
Ak povolíme prúd 5 A, potom vezmeme zvlnenie prúdu 10% alebo 0,5 A.
L = Uchoke * topen / Ipulzácia = 7 * 8 / 0,5 = 112 μH.
Saturačný prúd induktora.
Všetko na svete má svoje hranice. A plyn tiež. Pri určitom prúde prestáva byť indukčnosťou. Toto je saturačný prúd induktora.
V našom prípade je maximálny prúd induktora definovaný ako priemerný prúd plus zvlnenie, t.j. 5,5 A. Ale je lepšie zvoliť saturačný prúd s rezervou. Ak chceme, aby v tejto verzii obvodu fungovala hardvérová ochrana, tak musí byť aspoň 12 A.
Saturačný prúd je určený vzduchovou medzerou v magnetickom jadre induktora. V článkoch o ovládačoch Peltierových prvkov som hovoril o konštrukcii škrtiacej klapky. Ak začnem túto tému podrobne rozširovať, potom opustíme Arduino, programovanie a neviem, kedy sa vrátime.
Môj plyn vyzerá takto.
Prirodzene, drôt vinutia induktora musí mať dostatočný prierez. Výpočet je jednoduchý - určenie tepelných strát v dôsledku aktívneho odporu vinutia.
Aktívny odpor vinutia:
Ra = ρ * l / S,
- Ra je aktívny odpor vinutia;
- Ρ – rezistivita materiálu, pre meď 0,0175 Ohm mm2/m;
- l je dĺžka vinutia;
- S je prierez drôtu vinutia.
Tepelné straty na aktívnom odpore tlmivky:
Kľúčový regulátor odoberá slušný prúd z napájacieho zdroja a tento prúd by nemal prechádzať doskou Arduino. Schéma ukazuje, že vodiče z napájacieho zdroja sú pripojené priamo k blokovacím kondenzátorom C6 a C7.
Hlavné impulzné prúdy obvodu prechádzajú cez obvod C6, záťaž, L1, D2, R8. Táto reťaz musí byť uzavretá článkami s minimálnou dĺžkou.
Spoločný vodič a napájacia zbernica dosky Arduino sú pripojené k blokovaciemu kondenzátoru C6.
Signálne vodiče medzi doskou Arduino a modulom regulátora kľúča musia mať minimálnu dĺžku. Kondenzátory C1 a C2 je najlepšie umiestniť na konektory k doske.
Zostavil som obvodovú dosku. Spájkované iba potrebné komponenty. Môj zostavený obvod vyzerá takto.
Nastavil som PWM na 50% a skontroloval fungovanie obvodu.
- Pri napájaní z počítača doska tvorila dané PWM.
- S autonómnym napájaním z externého zdroja všetko fungovalo skvele. Na škrtiacej klapke sa tvorili impulzy s dobrými predkami, na výstupe bolo stále napätie.
- Keď som súčasne zapol napájanie z počítača aj z externého zdroja, doska Arduino vyhorela.
Moja hlúpa chyba. Poviem vám, aby to nikto neopakoval. Vo všeobecnosti platí, že pri pripájaní externého zdroja musíte byť opatrní, zazvoniť všetky pripojenia.
Stalo sa mi nasledovné. V obvode nebola dióda VD2. Pridal som to po tomto probléme. Myslel som, že doska môže byť napájaná z externého zdroja cez pin Vin. Sám v lekcii 2 napísal, že dosku je možné napájať z externého zdroja cez konektor (signál RWRIN). Ale myslel som, že je to ten istý signál, len na iných konektoroch.
0 Kategória: . Môžete si uložiť záložku.Zariadenie má menu. Vstup do menu, pohyb v ňom a výstup sa vykonáva súčasným stlačením tlačidiel „H“ a „B“. V tomto procese sa na indikátore objaví zodpovedajúca mnemotechnická pomôcka, „H-U“, „B-U“ (dolné a horné limity napätia), „H-I“, „B-I“ (dolné a horné limity prúdu), „P-0“ , "P-1" - manuálny alebo automatický režim, zopnutie relé po návrate napätia alebo prúdu v rámci stanovených limitov. "-З-" znamená, že nastavené parametre sa zapíšu do energeticky nezávislej pamäte a režim ponuky sa opustí. V režime menu umožňujú tlačidlá "H" a "B" meniť parametre v jednom alebo druhom smere a podržaním tlačidla na približne 3 sekundy sa zmena parametrov urýchli. Zmena nastáva v kruhu, 99,8-99,9-0,0-0,01 atď. Pri prekročení nastavených limitov sa relé vypne, kontrolka začne blikať, čo signalizuje nehodu. To. zariadenie umožňuje nabíjanie aj vybíjanie batérie do určitého napätia. navyše automatický režim umožňuje udržiavať batériu neustále nabitú a manuálne kontrolovať kapacitu batérie v A / hodinách.
Pár poznámok. Nezabudnite napájať 74HC595, 16n-+5V, 8n-zem. Na tlačidlách je lepšie použiť dvojicu rezistorov 3K3 a 10K. Na polarite indikátora nezáleží, volí sa odporom na 11. nohe ovládača (ako na obrázku).
Príklad aplikácie pre nabíjanie/vybíjanie AB:
Hexadecimálny súbor pre mikrokontrolér PIC16F676 s riadiacimi funkciami.
Nemáte prístup k sťahovaniu súborov z nášho servera- súbor firmvéru pre voltampérmeter s parametrami Umax=99,9V; Imax = 9,99 A; Pmax=99,9/999W; Cmax = 9,99 A/h.
Nemáte prístup k sťahovaniu súborov z nášho servera- voltampérmeter hex_file so skrátenými funkciami, len Umax=99,9V a Imax=9,99A
Tvorba základné dosky so zvýšeným počtom napájacích fáz procesora sa postupne stáva akousi konkurenciou medzi výrobcami základných dosiek. Napríklad Gigabyte pomerne nedávno vyrábal dosky s 12-fázovým napájaním procesorov, ale v doskách, ktoré v súčasnosti vyrába, počet fáz narástol na 24. Je však naozaj potrebné použiť taký veľký počet napájacích fáz a prečo niektorí výrobcovia ich neustále zvyšujú, snažiac sa je rozumné dokázať, že čím viac, tým lepšie, zatiaľ čo iní sa uspokoja s malým počtom napájacích fáz? Možno veľký počet fáz napájania procesora nie je ničím iným ako marketingovým trikom, ktorý má pritiahnuť pozornosť spotrebiteľov k ich produktom? V tomto článku sa pokúsime dať motivovanú odpoveď na túto otázku a tiež podrobne zvážiť princípy fungovania viacfázových spínaných zdrojov pre procesory a ďalšie prvky základných dosiek (čipsety, pamäte atď.).
Trochu histórie
Ako viete, všetky komponenty základných dosiek (procesor, čipset, pamäťové moduly atď.) sú napájané napájacím zdrojom, ktorý je pripojený k špeciálnemu konektoru na základnej doske. Pripomeňme, že na každej modernej základnej doske je 24-kolíkový napájací konektor ATX, ako aj ďalší 4-kolíkový (ATX12V) alebo 8-kolíkový (EPS12V) napájací konektor.
Všetky napájacie zdroje generujú konštantné napätie ±12, ±5 a +3,3 V, je však zrejmé, že rôzne mikroobvody základnej dosky vyžadujú konštantné napätie iných nominálnych hodnôt (navyše rôzne mikroobvody vyžadujú rôzne napájacie napätia), a preto vzniká problém konverzie a stabilizácie konštantného napätia prijatého z napájacieho zdroja na jednosmerné napätie potrebné na napájanie konkrétneho čipu základnej dosky (DC-DC konverzia). Na to základné dosky používajú vhodné meniče napätia (meniče), ktoré znižujú menovité napätie zdroja na požadovanú hodnotu.
Existujú dva typy DC-DC meničov: lineárne (analógové) a pulzné. Lineárne meniče napätia na základných doskách už dnes nenájdeme. V týchto meničoch sa napätie znižuje poklesom časti napätia na odporových prvkoch a rozptýlením časti spotrebovanej energie vo forme tepla. Takéto meniče boli dodávané s výkonnými radiátormi a boli veľmi horúce. S rastom energie (a teda aj prúdov) spotrebovanej komponentmi základnej dosky boli lineárne meniče napätia nútené opustiť, pretože sa vyskytol problém s ich chladením. Všetky moderné základné dosky používajú spínacie DC-DC meniče, ktoré sa zahrievajú oveľa menej ako lineárne.
Znižovací DC/DC konvertor na napájanie procesora sa často označuje ako VRM (Voltage Regulation Module) alebo VRD (Voltage Regulator Down). Rozdiel medzi VRM a VRD je v tom, že modul VRD je umiestnený priamo na základnej doske, zatiaľ čo VRM je externý modul inštalovaný v špeciálnom slote na základnej doske. V súčasnosti sa externé moduly VRM prakticky nenachádzajú a všetci výrobcovia používajú moduly VRD. Samotný názov VRM sa však udomácnil natoľko, že sa stal bežným a v súčasnosti sa ním dokonca označujú moduly VRD.
Regulátory spínacieho napätia používané pre čipset, pamäť a iné mikroobvody základných dosiek nemajú svoj vlastný špecifický názov, v zásade sa však nelíšia od VRD. Rozdiel je len v počte výkonových fáz a výstupnom napätí.
Ako viete, každý menič napätia sa vyznačuje vstupným a výstupným napájacím napätím. Pokiaľ ide o výstupné napájacie napätie, je určené konkrétnym mikroobvodom, pre ktorý sa regulátor napätia používa. Vstupné napätie však môže byť 5 alebo 12 V.
Predtým (počas procesory Intel Pentium III) používalo 5 V vstupné napätie na spínanie regulátorov napätia, ale následne výrobcovia základných dosiek začali častejšie používať 12 V vstupné napätie a teraz všetky dosky používajú 12 V napájacie napätie ako vstupné napätie spínacích regulátorov napätia.
Princíp činnosti jednofázového spínaného regulátora napájacieho napätia
Predtým, ako pristúpime k úvahám o viacfázových spínaných regulátoroch napájacieho napätia, zvážme princíp fungovania najjednoduchšieho jednofázového regulátora spínaného napätia.
Komponenty regulátora spínaného napätia
Spínaný menič napätia napájacieho zdroja v podstate obsahuje PWM regulátor (PWM regulátor) - elektronický kľúč, ktorý je ovládaný PWM regulátorom a periodicky pripája a odpája záťaž na vedenie vstupného napätia, ako aj indukčno-kapacitný LC filter na vyhladiť vlnenie výstupného napätia. PWM je skratka pre Pulse Wide Modulation (pulzná šírková modulácia, PWM). Princíp činnosti impulzného znižovacieho meniča napätia je nasledujúci. Regulátor PWM vytvára sekvenciu impulzov riadiaceho napätia. PWM signál je sekvencia pravouhlých napäťových impulzov charakterizovaných amplitúdou, frekvenciou a pracovným cyklom (obr. 1).
Ryža. 1. PWM signál a jeho hlavné charakteristiky
Pracovný cyklus signálu PWM je pomer časového intervalu, počas ktorého má signál vysoký stupeň, na periódu PWM signálu: = / T.
Signál generovaný PWM regulátorom sa používa na ovládanie elektronického kľúča, ktorý periodicky pri frekvencii PWM signálu pripája a odpája záťaž od elektrického vedenia 12 V. Amplitúda PWM signálu musí byť taká, aby mohol použiť na ovládanie elektronického kľúča.
Podľa toho aj výstup elektronický kľúč existuje sekvencia pravouhlých impulzov s amplitúdou 12 V a frekvenciou opakovania rovnajúcou sa frekvencii impulzov PWM. Z kurzu matematiky je známe, že každý periodický signál možno znázorniť ako harmonický rad (Fourierov rad). Najmä periodická sekvencia pravouhlých impulzov s rovnakou dobou trvania, keď je prezentovaná ako séria, bude mať konštantnú zložku nepriamo úmernú pracovnému cyklu impulzov, to znamená priamo úmernú ich trvaniu. Prechodom prijatých impulzov cez dolnopriepustný filter (LPF) s medznou frekvenciou oveľa nižšou, ako je frekvencia opakovania impulzov, možno túto konštantnú zložku ľahko izolovať, čím sa získa stabilné konštantné napätie. Preto impulzné meniče napätia obsahujú aj nízkofrekvenčný filter, ktorý vyhladzuje (usmerňuje) sled pravouhlých napäťových impulzov. Štrukturálny blokový diagram takýto impulzný znižovací menič napätia je znázornený na obr. 2.
Ryža. 2. Štrukturálna bloková schéma takéhoto pulzného zostupu
menič napätia
Teraz sa pozrime podrobnejšie na prvky pulzného meniča napájacieho napätia.
Elektronický kľúč a ovládač ovládača
Dvojica n-kanálových MOSFETov (MOSFET) sa vždy používa ako elektronický kľúč na spínanie napájacích meničov napätia komponentov základnej dosky, zapojených tak, že na napájacie vedenie 12 V je pripojený odber jedného tranzistora. tento tranzistor je pripojený k výstupnému bodu a kolektoru iného tranzistora a zdroj druhého tranzistora je uzemnený. Tranzistory tohto elektronického spínača (niekedy nazývaného aj výkonový spínač) fungujú tak, že jeden z tranzistorov je vždy v otvorenom stave a druhý v zatvorenom stave.
Na riadenie spínania MOSFETov sa na hradla týchto tranzistorov privádzajú riadiace signály. Riadiaci signál PWM regulátora sa používa na spínanie MOSFETov, avšak tento signál nie je privádzaný priamo na hradla tranzistorov, ale cez špeciálny čip nazývaný MOSFET driver alebo power phase driver. Tento vodič riadi spínanie tranzistorov MOSFET na frekvencii nastavenej regulátorom PWM aplikovaním požadovaných spínacích napätí na hradla tranzistorov.
Keď je tranzistor pripojený k 12 V napájaciemu vedeniu zapnutý, druhý tranzistor, pripojený cez jeho kolektor k zdroju prvého tranzistora, je vypnutý. V tomto prípade je napájacie vedenie 12 V pripojené k záťaži cez vyhladzovací filter. Keď je tranzistor pripojený k 12V napájaciemu vedeniu uzavretý, druhý tranzistor je zapnutý a 12V napájacie vedenie je odpojené od záťaže, avšak záťaž je v tomto momente pripojená k zemi cez vyhladzovací filter.
Nízkopriepustný LC filter
Vyhladzovací alebo dolnopriepustný filter je LC filter, teda indukčnosť zapojená do série so záťažou a kapacita zapojená paralelne so záťažou (obr. 3).
Ryža. 3. Schéma jednofázového impulzného meniča napätia
Ako je známe z kurzu fyziky, ak sa na vstup takéhoto LC filtra privedie harmonický signál určitej frekvencie U v (f), potom napätie na výstupe filtra U von (f) závisí od reaktancií indukčnosti (Z L = j2fc) a kondenzátor Zc = 1/(j2fc). Koeficient prenosu takéhoto filtra K(f) =(U von (f))/(U v (f)) možno vypočítať s ohľadom na delič napätia tvorený frekvenčne závislými odpormi. Pre nezaťažený filter dostaneme:
K(f) = Zc /(Zc + Z L)= 1/(1 – (2 f) 2LC)
Alebo, ak zavedieme notáciu f0 = 2/, potom dostaneme:
K(f) = 1/(1 – (f/f0) 2)
Z tohto vzorca je zrejmé, že koeficient prenosu nezaťaženého ideálneho LC filtra sa s približujúcou sa frekvenciou neobmedzene zvyšuje f0, a potom, o f>f0, úmerne klesá 1/f2. Pri nízkych frekvenciách (f
Ako už bolo uvedené, vyhladzovanie napäťových impulzov pomocou LC filtra je nevyhnutné, aby sa dosiahla medzná frekvencia filtra f 0 = 2/ bola výrazne nižšia ako frekvencia opakovania napäťových impulzov. Táto podmienka umožňuje zvoliť potrebnú kapacitu a indukčnosť filtra. Odbočme však od vzorcov a skúsme vysvetliť princíp filtra v jednoduchšom jazyku.
V momente, keď je vypínač rozpojený (tranzistor T 1 je otvorený, tranzistor T 2 je zatvorený), energia zo vstupného zdroja sa prenáša do záťaže cez indukčnosť L v ktorom sa ukladá energia. Prúd pretekajúci obvodom sa nemení okamžite, ale postupne, pretože EMF, ktorý sa vyskytuje v indukčnosti, zabraňuje zmene prúdu. Súčasne sa nabíja aj kondenzátor inštalovaný paralelne so záťažou.
Po zopnutí výkonového spínača (tranzistor T 1 je zopnutý, tranzistor T 2 otvorený) prúd zo vstupného napäťového vedenia netečie do indukčnosti, ale podľa fyzikálnych zákonov si vznikajúci indukčný EMF udržiava smer prúdu. To znamená, že počas tohto obdobia sa prúd privádza do záťaže z indukčného prvku. Aby sa obvod uzavrel a prúd prúdil do vyhladzovacieho kondenzátora a do záťaže, tranzistor T 2 sa otvorí, čím sa zabezpečí uzavretý obvod a prúd po dráhe indukčnosť - kapacita a záťaž - tranzistor T 2 - indukčnosť.
Ako už bolo uvedené, pomocou takéhoto vyhladzovacieho filtra môžete získať napätie pri záťaži, ktoré je úmerné pracovnému cyklu riadiacich impulzov PWM. Je však jasné, že pri tomto spôsobe vyhladzovania bude mať výstupné napätie zvlnenie napájacieho napätia voči nejakej priemernej hodnote (výstupné napätie) - obr. 4. Veľkosť zvlnenia napätia na výstupe závisí od spínacej frekvencie tranzistorov, hodnoty kapacity a indukčnosti.
Ryža. 4. Zvlnenie napätia po vyhladení pomocou LC filtra
Stabilizácia výstupného napätia a funkcie regulátora PWM
Ako už bolo uvedené, výstupné napätie závisí (pre danú záťaž, frekvenciu, indukčnosť a kapacitu) od pracovného cyklu impulzov PWM. Keďže prúd cez záťaž sa dynamicky mení, vzniká problém stabilizácie výstupného napätia. Toto sa vykonáva nasledujúcim spôsobom. PWM regulátor, ktorý generuje tranzistorové spínacie signály, je pripojený k záťaži v slučke spätná väzba a nepretržite monitoruje výstupné napätie pri záťaži. Vo vnútri PWM regulátora sa generuje referenčné napájacie napätie, ktoré by malo byť na záťaži. Regulátor PWM neustále porovnáva výstupné napätie s referenčným napätím a ak dôjde k nesúladu U, potom sa tento chybový signál použije na zmenu (správu) pracovného cyklu impulzov PWM, teda zmeny pracovného cyklu impulzov ~ U. Tým sa realizuje stabilizácia výstupného napätia.
Prirodzene vzniká otázka: ako vie regulátor PWM o požadovanom napájacom napätí? Napríklad, ak hovoríme o procesoroch, potom, ako viete, napájacie napätie rôzne modely procesor môže byť iný. Navyše, aj pre rovnaký procesor sa napájacie napätie môže dynamicky meniť v závislosti od jeho aktuálneho zaťaženia.
PWM regulátor sa dozvie o požadovanom nominálnom napájacom napätí signálom VID (Voltage Identifier). Pre moderné procesory Intel Core Procesory i7, ktoré podporujú špecifikáciu napájania VR 11.1, signál VID je 8-bitový a pre staršie procesory, ktoré sú kompatibilné so špecifikáciou VR 10.0, bol signál VID 6-bitový. 8-bitový signál VID (kombinácia 0 a 1) umožňuje nastaviť 256 rôznych úrovní napätia procesora.
Obmedzenia jednofázového spínaného regulátora napájacieho napätia
Jednofázový obvod nami uvažovaného regulátora spínaného napájacieho napätia je jednoduchý v realizácii, ale má množstvo obmedzení a nevýhod.
Ak hovoríme o obmedzení jednofázového spínaného regulátora napájacieho napätia, potom spočíva v tom, že MOSFETy, indukčnosti (tlmivky) a kapacity majú limit na maximálny prúd, ktorý nimi môže prejsť. Napríklad pre väčšinu tranzistorov MOSFET, ktoré sa používajú v regulátoroch napätia základnej dosky, je prúdový limit 30 A. Zároveň samotné procesory s napájacím napätím okolo 1 V a spotrebou viac ako 100 W spotrebúvajú viac ako 100 A. Je zrejmé, že ak sa pri takejto sile prúdu použije jednofázový regulátor napájacieho napätia, jeho prvky jednoducho „vyhoria“.
Ak hovoríme o nevýhode jednofázového spínaného regulátora napájacieho napätia, potom spočíva v tom, že výstupné napájacie napätie má zvlnenie, čo je vysoko nežiaduce.
Aby sa prekonali súčasné obmedzenia spínacích regulátorov napätia, ako aj minimalizovalo zvlnenie výstupného napätia, používajú sa viacfázové spínacie regulátory napätia.
Viacfázové spínané regulátory napätia
V polyfázových spínacích regulátoroch napätia je každá fáza tvorená prepínacím ovládačom MOSFET, dvojicou samotných MOSFETov a LC vyhladzovacím filtrom. V tomto prípade je použitý jeden viackanálový PWM regulátor, ku ktorému je paralelne pripojených niekoľko výkonových fáz (obr. 5).
Ryža. 5. Štrukturálna schéma viacfázový spínaný regulátor napájacieho napätia
Aplikácia N-fázový regulátor napájacie napätie vám umožňuje rozložiť prúd na všetky fázy, a preto prúd pretekajúci každou fázou bude in N krát menší ako záťažový prúd (najmä procesor). Napríklad, ak použijete 4-fázový regulátor napájacieho napätia procesora s prúdovým limitom 30 A v každej fáze, potom maximálny prúd cez procesor bude 120 A, čo je dosť pre väčšinu moderných procesorov. Ak sa však použijú procesory s TDP 130 W alebo sa predpokladá možnosť pretaktovania procesora, potom je vhodné použiť nie 4-fázový, ale 6-fázový spínaný regulátor napájacieho napätia procesora alebo použiť tlmivky, kondenzátory a MOSFETy navrhnuté pre vyšší prúd v každej napájacej fáze.
Aby sa znížilo zvlnenie výstupného napätia vo viacfázových regulátoroch napätia, všetky fázy pracujú v synchronizácii s časom s m posun voči sebe navzájom. Ak T je perióda spínania MOSFETov (peróda signálu PWM) a používa sa N fázy, potom časový posun pre každú fázu bude T/N(obr. 6). Regulátor PWM je zodpovedný za synchronizáciu signálov PWM pre každú fázu s časovým posunom.
Ryža. 6. Časové posuny PWM signálov v polyfázovom regulátore napätia
V dôsledku toho, že všetky fázy pracujú s časom s m posunu voči sebe navzájom, zvlnenie výstupného napätia a prúdu pre každú fázu bude tiež posunuté pozdĺž časovej osi voči sebe navzájom. Celkový prúd prechádzajúci záťažou bude súčtom prúdov v každej fáze a výsledné zvlnenie prúdu bude menšie ako zvlnenie prúdu v každej fáze (obr. 7).
Ryža. 7. Prúd na fázu
a výsledný zaťažovací prúd
v trojfázovom regulátore napätia
Hlavnou výhodou viacfázových spínaných regulátorov napájacieho napätia je teda to, že umožňujú po prvé prekonať prúdový limit a po druhé znížiť zvlnenie výstupného napätia pri rovnakej kapacite a indukčnosti vyhladzovacieho filtra.
Diskrétne viacfázové regulátory napätia a technológia DrMOS
Ako sme už uviedli, každá výkonová fáza je tvorená riadiacim budičom, dvomi MOSFETmi, tlmivkou a kondenzátorom. Súčasne jeden PWM regulátor súčasne riadi niekoľko fáz napájania. Štrukturálne na základných doskách môžu byť všetky fázové komponenty diskrétne, to znamená, že existuje samostatný čip ovládača, dva samostatné tranzistory MOSFET, samostatný induktor a kapacita. Tento diskrétny prístup používa väčšina výrobcov základných dosiek (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock atď.). Existuje však trochu iný prístup, keď namiesto použitia samostatného čipu ovládača a dvoch tranzistorov MOSFET je použitý jeden čip, ktorý kombinuje oba výkonové tranzistory a ovládač. Táto technológia bola vyvinutá spoločnosťou Intel a nazvaná DrMOS, čo doslova znamená Driver + MOSFET. Prirodzene sa v tomto prípade používajú aj samostatné tlmivky a kondenzátory a na ovládanie všetkých fáz je použitý viackanálový PWM regulátor.
V súčasnosti sa technológia DrMOS používa iba na základných doskách MSI. Je pomerne ťažké hovoriť o výhodách technológie DrMOS v porovnaní s tradičným diskrétnym spôsobom organizácie napájacích fáz. Tu skôr všetko závisí od konkrétneho čipu DrMOS a jeho vlastností. Napríklad, ak hovoríme o nových MSI doskách pre procesory rodiny Intel Core i7, tak tie využívajú čip Renesas R2J20602 DrMOS (obr. 8). Napríklad na doska MSI Eclipse Plus využíva 6-fázový regulátor napätia procesora (obr. 9) založený na 6-kanálovom PWM ovládači Intersil ISL6336A (obr. 10) a čipoch Renesas R2J20602 DrMOS.
Ryža. 8. Čip DrMOS Renesas R2J20602
Ryža. 9. Šesťfázový regulátor napätia procesora
založený na 6-kanálovom PWM regulátore Intersil ISL6336A
a DrMOS ICs Renesas R2J20602 na doske MSI Eclipse Plus
Ryža. 10. Šesťkanálový PWM regulátor
Intersil ISL6336A
Renesas R2J20602 DrMOS IC podporuje spínacie frekvencie MOSFET až do 2 MHz a je veľmi efektívny. Pri vstupnom napätí 12 V, výstupe 1,3 V a spínacej frekvencii 1 MHz je jeho účinnosť 89 %. Prúdový limit je 40 A. Je zrejmé, že pri napájaní šesťfázového procesora je pre mikroobvod DrMOS zabezpečená minimálne dvojnásobná prúdová rezerva. Pri skutočnej hodnote prúdu 25 A je spotreba energie (uvoľňovaná ako teplo) samotného čipu DrMOS len 4,4 wattu. Je tiež zrejmé, že pri použití čipov Renesas R2J20602 DrMOS nie je potrebné použiť viac ako šesť fáz v regulátoroch napätia procesora.
Intel vo svojej základnej doske Intel DX58S0 vychádza z Čipová súprava Intel X58 pre procesory Intel Core i7 tiež používa 6-fázový, ale diskrétny regulátor napätia procesora. Na riadenie výkonových fáz je použitý 6-kanálový PWM regulátor ADP4000 od On Semiconductor a ako MOSFET budiče sú použité mikroobvody ADP3121 (obr. 11). Regulátor ADP4000 PWM podporuje rozhranie PMBus (Power Manager Bus) a je programovateľný na prevádzku v 1, 2, 3, 4, 5 a 6 fázach s možnosťou prepínania počtu fáz v reálnom čase. Navyše pomocou rozhrania PMBus môžete čítať aktuálne hodnoty prúdu procesora, jeho napätia a spotreby. Možno len ľutovať, že Intel tieto funkcie čipu ADP4000 neimplementoval do pomôcky na monitorovanie stavu procesora.
Ryža. 11. Šesťfázový regulátor napätia procesora
založené na ovládači ADP4000 PWM a ovládačoch MOSFET ADP3121
na doske Intel DX58S0 (zobrazené dve fázy napájania)
Všimnite si tiež, že každá výkonová fáza používa výkonové tranzistory On Semiconductor NTMFS4834N MOSFET s prúdovým limitom 130 A. Je ľahké uhádnuť, že pri takýchto prúdových limitoch samotné výkonové tranzistory nie sú prekážkou výkonovej fázy. V tomto prípade prúdový limit na napájacej fáze spôsobuje tlmivku. V uvažovanom obvode regulátora napätia sú použité tlmivky PULSE PA2080.161NL s prúdovým limitom 40 A, ale je zrejmé, že aj pri takomto prúdovom limite stačí šesť fáz napájania procesora a je tu veľká rezerva pre extrémne pretaktovanie procesora.
Technológia dynamického prepínania fáz
Túto technológiu teraz využívajú takmer všetci výrobcovia základných dosiek dynamické prepínanie počet fáz napájania procesora (hovoríme o doskách pre procesory Intel). Vlastne, túto technológiu nie je v žiadnom prípade nový a bol vyvinutý spoločnosťou Intel už dávno. Ako sa však často stáva, keď sa táto technológia objavila, ukázalo sa, že táto technológia nebola na trhu nárokovaná a dlho ležala v „úložiskách“. A až keď sa myšlienka na zníženie spotreby energie počítačov zmocnila mysle vývojárov, spomenuli si na dynamické prepínanie fáz napájania procesora. Výrobcovia základných dosiek sa snažia túto technológiu vydávať za svoju a vymýšľajú jej rôzne názvy. Napríklad Gigabyte to nazýva Advanced Energy Saver (AES), ASRock to nazýva Intelligent Energy Saver (IES), ASUS to nazýva EPU a MSI to nazýva Active Phase Switching (APS). Napriek rôznorodosti názvov sú však všetky tieto technológie implementované úplne rovnakým spôsobom a, samozrejme, nie sú proprietárne. Schopnosť prepínať napájacie fázy procesora je navyše zabudovaná do špecifikácie Intel VR 11.1 a podporujú ju všetky PWM radiče, ktoré sú kompatibilné so špecifikáciou VR 11.1. Výrobcovia základných dosiek tu v skutočnosti nemajú na výber. Sú to buď PWM regulátory od Intersilu (napríklad 6-kanálový PWM regulátor Intersil ISL6336A), alebo PWM regulátory od On Semiconductor (napríklad 6-kanálový PWM regulátor ADP4000). Ovládače od iných spoločností sa používajú menej často. Ovládače kompatibilné s Intersil aj On Semiconductor VR 11.1 podporujú dynamické prepínanie fáz napájania. Otázkou je len to, ako výrobca základnej dosky využíva možnosti PWM radiča.
Prirodzene vyvstáva otázka: prečo sa technológia dynamického spínania výkonových fáz nazýva energeticky úsporná a aká je účinnosť jej aplikácie?
Zoberme si napríklad základnú dosku so 6-fázovým regulátorom napätia procesora. Ak procesor nie je silne zaťažený, čo znamená, že ním spotrebovaný prúd je malý, je celkom možné vystačiť si s dvoma napájacími fázami a potreba šiestich fáz vzniká pri veľkom zaťažení procesora, keď prúd spotrebováva dosiahne svoju maximálnu hodnotu. V skutočnosti je možné dosiahnuť, aby počet zúčastnených fáz napájania zodpovedal prúdu spotrebúvanému procesorom, to znamená, že fázy napájania sa dynamicky prepínajú v závislosti od zaťaženia procesora. Nie je však jednoduchšie použiť všetkých šesť fáz napájania pri akomkoľvek prúde procesora? Ak chcete odpovedať na túto otázku, musíte vziať do úvahy, že každý regulátor napätia sám spotrebuje časť elektriny, ktorú premieňa a ktorá sa uvoľňuje vo forme tepla. Jednou z charakteristík meniča napätia je preto jeho účinnosť alebo energetická účinnosť, to znamená pomer výkonu preneseného na záťaž (na procesor) k výkonu spotrebovaného regulátorom, ktorý je súčtom výkonu. spotrebovanej záťažou a výkonu spotrebovaného samotným regulátorom. Energetická účinnosť regulátora napätia závisí od aktuálnej hodnoty prúdu procesora (jeho zaťaženia) a počtu zapojených výkonových fáz (obr. 12).
Ryža. 12. Závislosť energetickej účinnosti (účinnosti) regulátora napätia
na prúd procesora s rôznym počtom napájacích fáz
Závislosť energetickej účinnosti regulátora napätia od prúdu procesora pri konštantnom počte napájacích fáz je nasledovná. Spočiatku so zvýšením záťažového prúdu (procesora) sa účinnosť regulátora napätia lineárne zvyšuje. Ďalej sa dosiahne maximálna hodnota účinnosti a s ďalším zvyšovaním záťažového prúdu sa účinnosť postupne znižuje. Hlavná vec je, že hodnota záťažového prúdu, pri ktorej sa dosiahne maximálna hodnota účinnosti, závisí od počtu napájacích fáz, a preto pri použití technológie dynamického spínania napájacích fáz je účinnosť napájacieho regulátor napájacieho napätia možno vždy udržiavať na najvyššej možnej úrovni.
Porovnaním závislostí energetickej účinnosti regulátora napätia na prúde procesora pre rôzny počet napájacích fáz môžeme konštatovať: pri malom prúde procesora (pri miernom zaťažení procesora) je efektívnejšie použiť menší počet výkonových fáz. V tomto prípade samotný regulátor napätia spotrebuje menej energie a uvoľní sa ako teplo. Pri vysokých prúdoch procesora vedie použitie malého počtu napájacích fáz k zníženiu energetickej účinnosti regulátora napätia. Preto je v tomto prípade optimálne použiť väčší počet napájacích fáz.
Z teoretického hľadiska by použitie technológie dynamického prepínania napájacích fáz procesora malo v prvom rade znížiť celkovú spotrebu systému a v druhom rade odvod tepla na samotnom regulátore napájacieho napätia. Navyše podľa výrobcov základných dosiek dokáže táto technológia znížiť spotrebu energie systému až o 30 %. Samozrejme, 30 % je číslo prevzaté zo stropu. V skutočnosti dokáže technológia dynamického prepínania výkonových fáz znížiť celkovú spotrebu energie systému maximálne o 3-5%. Faktom je, že táto technológia vám umožňuje ušetriť elektrickú energiu spotrebovanú iba samotným regulátorom napätia. Hlavnými spotrebiteľmi elektrickej energie v počítači sú však procesor, grafická karta, čipová súprava a pamäť a na pozadí celkovej spotreby energie týchto komponentov je spotreba energie samotného regulátora napätia pomerne malá. Preto bez ohľadu na to, ako optimalizujete spotrebu energie regulátora napätia, je jednoducho nemožné dosiahnuť významné úspory.
Marketingové „čipy“ výrobcov
Výrobcovia základných dosiek vynakladajú veľké úsilie, aby pritiahli pozornosť kupujúcich na svoje produkty a motivovane dokázali, že sú lepší ako konkurenti! Jedným z týchto marketingových „čipov“ je zvýšenie napájacích fáz regulátora napätia procesora. Ak sa na špičkových základných doskách používali skôr šesťfázové regulátory napätia, teraz používajú 10, 12, 16, 18 a dokonca 24 fáz. Naozaj potrebujete toľko napájacích fáz, alebo je to len marketingový trik?
Samozrejme, polyfázové regulátory napätia majú svoje nepopierateľné výhody, ale na všetko existuje rozumná hranica. Napríklad, ako sme už uviedli, veľký počet výkonových fáz umožňuje použitie nízkoprúdových komponentov (MOSFET, tlmivky a kapacity) v každej výkonovej fáze, ktoré sú samozrejme lacnejšie ako súčiastky obmedzujúce vysoký prúd. Teraz však všetci výrobcovia základných dosiek používajú pevné polymérové kondenzátory a tlmivky s feritovým jadrom, ktoré majú prúdový limit najmenej 40 A. MOSFETy majú tiež prúdový limit najmenej 40 A (a nedávno sa objavil trend smerom k MOSFETom). prúdový limit 75 A). Je jasné, že pri takýchto prúdových obmedzeniach stačí na každú fázu vlny použiť šesť výkonových fáz. Takýto regulátor napätia je teoreticky schopný poskytnúť procesorový prúd viac ako 200 A, a teda spotrebu energie viac ako 200 wattov. Je jasné, že aj v režime extrémneho pretaktovania je takmer nemožné dosiahnuť takéto hodnoty prúdu a spotreby. Prečo teda výrobcovia vyrábajú napäťové regulátory s 12 a viac fázami, ak šesťfázový regulátor napätia môže poskytnúť energiu aj procesoru v akomkoľvek režime jeho činnosti?
Ak porovnáme 6- a 12-fázové regulátory napätia, potom teoreticky pri použití technológie dynamického spínania fáz výkonu bude energetická účinnosť 12-fázového regulátora napätia vyššia. Rozdiel v energetickej účinnosti sa však prejaví až pri vysokých prúdoch procesora, ktoré sú v praxi nedosiahnuteľné. Ale aj keď je možné dosiahnuť takú vysokú hodnotu prúdu, pri ktorej sa bude líšiť energetická účinnosť 6- a 12-fázových regulátorov napätia, potom bude tento rozdiel taký malý, že ho možno ignorovať. Preto všetkým moderným procesorom s príkonom 130 W aj v režime ich extrémneho pretaktovania stačí na vlnu 6-fázový regulátor napätia. Použitie 12-fázového regulátora napätia neposkytuje žiadne výhody ani pri technológii dynamického prepínania fáz. Prečo výrobcovia začali vyrábať 24-fázové regulátory napätia, môže si len domyslieť. Nie je v tom zdravý rozum, očividne očakávajú, že zapôsobia na technicky negramotných používateľov, pre ktorých platí „čím viac, tým lepšie“.
Mimochodom, bolo by užitočné poznamenať, že dnes neexistujú žiadne 12- a ešte viac 24-kanálové regulátory PWM, ktoré riadia fázy napájania. Maximálna suma kanálov v PWM regulátoroch je šesť. Preto, keď sa používajú regulátory napätia s viac ako šiestimi fázami, výrobcovia sú nútení inštalovať niekoľko PWM regulátorov, ktoré pracujú synchronizovane. Pripomeňme, že riadiaci signál PWM v každom kanáli má určité oneskorenie vzhľadom na signál PWM v druhom kanáli, ale tieto časové posuny signálu sú implementované v rámci toho istého ovládača. Ukazuje sa, že pri použití napríklad dvoch 6-kanálových PWM regulátorov na organizáciu 12-fázového regulátora napätia sú napájacie fázy riadené jedným regulátorom kombinované v pároch s napájacími fázami riadenými iným regulátorom. To znamená, že prvá výkonová fáza prvého regulátora bude pracovať synchrónne (bez časového posunu) s prvou výkonovou fázou druhého regulátora. Fázy sa budú dynamicky prepínať, pravdepodobne aj v pároch. Vo všeobecnosti nejde o „poctivý“ 12-fázový regulátor napätia, ale skôr o hybridnú verziu 6-fázového regulátora s dvomi kanálmi v každej fáze.
Načítava...