ไมโครโปรเซสเซอร์เป็นผู้ใช้พลังงานที่ทรงพลังที่สุดใน คอมพิวเตอร์สมัยใหม่. การบริโภคไมโครโปรเซสเซอร์ที่ทันสมัยในปัจจุบันสามารถเข้าถึงได้หลายสิบแอมแปร์ ในขณะเดียวกัน คุณภาพของแรงดันไฟฟ้าของไมโครโปรเซสเซอร์เป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่กำหนดความเสถียรของระบบทั้งหมด วิธีที่ผู้ผลิตเมนบอร์ดแก้ปัญหาในการจัดหาไมโครโปรเซสเซอร์ด้วยพลังงานที่ทรงพลังและมีคุณภาพสูงได้อธิบายไว้ในบทความที่นำเสนอให้คุณทราบ
คำนำ
ความถี่สัญญาณนาฬิกาของไมโครโปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ และตอนนี้ถึงหลาย GHz ยก ความถี่นาฬิกาไมโครโปรเซสเซอร์นั้นมาพร้อมกับพลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญและทำให้อุณหภูมิของชิปโปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ การใช้พลังงานของไมโครโปรเซสเซอร์ยังได้รับผลกระทบจากจำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปที่เพิ่มขึ้น (ยิ่งโปรเซสเซอร์ทันสมัยมากเท่าไหร่ ระดับสูงเขามีการบูรณาการ แม้ว่าทรานซิสเตอร์ CMOS ซึ่งเป็นพื้นฐานของไมโครโปรเซสเซอร์จะใช้กระแสไฟน้อยในสถานะปิด แต่เมื่อเรากำลังพูดถึงทรานซิสเตอร์หลายล้านตัวที่อยู่บนชิปประมวลผลก็ไม่จำเป็นต้องละเลยอีกต่อไป การใช้พลังงานหลักของทรานซิสเตอร์ CMOS นั้นเกิดขึ้นในขณะที่รวมเข้าด้วยกันและโดยธรรมชาติแล้วยิ่งทรานซิสเตอร์เปลี่ยนบ่อยเท่าไหร่ก็ยิ่งใช้พลังงานมากขึ้นเท่านั้น เป็นผลให้ทรานซิสเตอร์นับล้านเปลี่ยนจาก ความถี่สูงสามารถรับประกันการใช้กระแสไฟฟ้าดังกล่าวโดยไมโครโปรเซสเซอร์ซึ่งมีค่าถึง 50 แอมแปร์หรือมากกว่านั้น ดังนั้นคริสตัลโปรเซสเซอร์จึงเริ่มร้อนขึ้นอย่างมากซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญในกระบวนการเปลี่ยนของทรานซิสเตอร์และสามารถปิดการใช้งานได้ ในขณะเดียวกัน ก็ไม่สามารถแก้ปัญหาได้ด้วยการกำจัดความร้อนเพียงอย่างเดียว
ทั้งหมดนี้บังคับให้ผู้ผลิตลดแรงดันไฟฟ้าของไมโครโปรเซสเซอร์ลงอย่างแม่นยำยิ่งขึ้น แรงดันไฟฟ้าของแกนกลาง การลดแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายสามารถแก้ปัญหาพลังงานที่กระจายไปบนชิปไมโครโปรเซสเซอร์และลดอุณหภูมิลงได้ หากไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกของตระกูล 80x86 มีแรงดันไฟฟ้าที่ +5V (และเป็นครั้งแรกที่มีการใช้การลดแรงดันไฟฟ้าเป็น +3.3V ใน I80486) แสดงว่าไมโครโปรเซสเซอร์รุ่นล่าสุดสามารถทำงานกับแรงดันไฟฟ้าที่ + 0.5V (ดูข้อมูลจำเพาะ VR11 จาก Intel)
แต่ความจริงก็คือแรงดันไฟฟ้าต่ำดังกล่าวไม่ได้เกิดจากแหล่งจ่ายไฟของระบบ จำได้ว่ามีเพียงแรงดันไฟฟ้า + 3.3V, + 5V และ + 12V เท่านั้นที่ถูกสร้างขึ้นที่เอาต์พุต ดังนั้น เมนบอร์ดจะต้องมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของตัวเองที่สามารถลดแรงดันไฟฟ้า "แรงดันสูง" เหล่านี้ให้อยู่ในระดับที่จำเป็นในการจ่ายไฟให้กับแกนประมวลผล เช่น สูงถึง 0.5 - 1.6 V (รูปที่ 1).
รูปที่ 1
เนื่องจากเรกูเลเตอร์นี้ให้การแปลงแรงดันคงที่ + 12V เป็นแรงดันคงที่ แต่มีระดับต่ำกว่า เรกูเลเตอร์จึงถูกเรียกว่าตัวแปลง DC-DC (ตัวแปลง กระแสตรงเป็นกระแสตรง). ฉันต้องการดึงดูดความสนใจของผู้เชี่ยวชาญทุกคนถึงข้อเท็จจริงที่ว่าตอนนี้แรงดันไฟฟ้าหลักของโปรเซสเซอร์ถูกสร้างขึ้นจากแรงดัน +12V ไม่ใช่จาก +5V หรือ +3.3V เนื่องจากอาจดูมีเหตุผลมากกว่า ความจริงก็คือแรงดันช่องสัญญาณ +12V นั้นสูงที่สุด ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะสร้างพลังงานได้มากขึ้นในค่าปัจจุบันที่ต่ำกว่า ดังนั้นในปัจจุบัน ระบบคอมพิวเตอร์+12V กลายเป็นแรงดันไฟฟ้าที่สำคัญที่สุดและอยู่ในช่องนี้ที่กระแสที่ใหญ่ที่สุดไหล อนึ่ง สิ่งนี้สะท้อนให้เห็นในมาตรฐานที่อธิบายถึงข้อกำหนดสำหรับ บล็อกระบบแหล่งจ่ายไฟตามที่ความจุโหลดของช่อง +12V นั้นสูงสุด นอกจากนี้ เอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟต้องมีช่องแรงดันไฟฟ้า +12V สองช่อง (+12V1 และ +12V2) และการควบคุมกระแสไฟในแต่ละช่องเหล่านี้จะต้องดำเนินการแยกกัน หนึ่งในช่องสัญญาณเหล่านี้ ได้แก่ +12V2 มีไว้สำหรับจ่ายไฟให้กับแกนประมวลผลเท่านั้น และเป็นไปตามข้อกำหนดด้านเสถียรภาพที่เข้มงวดที่สุดและค่าความคลาดเคลื่อนที่น้อยที่สุดสำหรับการเบี่ยงเบนจากค่าเล็กน้อย
จำเป็นต้องสังเกตประเด็นต่อไปนี้ด้วย เนื่องจากพลังงานที่ใช้โดยโปรเซสเซอร์มีขนาดค่อนข้างใหญ่ (สามารถเข้าถึงได้เกือบ 100 W) การแปลงแรงดันไฟฟ้าจึงต้องดำเนินการด้วยวิธีพัลส์ การแปลงเชิงเส้นไม่สามารถให้ประสิทธิภาพสูงเพียงพอกับพลังงานดังกล่าว และจะนำไปสู่การสูญเสียที่สำคัญ และเป็นผลให้องค์ประกอบคอนเวอร์เตอร์ร้อนขึ้น ในปัจจุบัน มีเพียงการแปลงพัลส์เท่านั้นที่ทำให้สามารถรับแหล่งจ่ายไฟที่มีประสิทธิภาพและประหยัดด้วยขนาดที่เล็กและมีค่าใช้จ่ายที่ยอมรับได้ ดังนั้นบนแผงระบบจึงมีตัวแปลง DC-DC ซึ่งเป็นตัวแปลงแบบลดขั้นตอน (Step Down หรือ Trim)
DC-DC สเต็ปดาวน์คอนเวอร์เตอร์
วงจรพื้นฐานสำหรับตัวแปลง DC บั๊กแสดงอยู่ใน รูปที่ 2ฉันต้องการทราบว่าหน่วยงานกำกับดูแลประเภทนี้ในวรรณกรรมนำเข้าสมัยใหม่เรียกว่า Buck Converter หรือ Buck Regulator ทรานซิสเตอร์ Q1 ในวงจรนี้เป็นกุญแจสำคัญในการปิด / เปิดสร้างแรงดันพัลซิ่งจากแรงดันคงที่
รูปที่ 2
ในกรณีนี้ แอมพลิจูดของพัลส์ที่สร้างขึ้นคือ 12V เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลง Q1 ต้องสลับที่ความถี่สูง (ยิ่งความถี่สูง การแปลงก็จะยิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น) ในวงจรควบคุมมาเธอร์บอร์ดจริง ความถี่การสลับของทรานซิสเตอร์คอนเวอร์เตอร์สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 80 kHz ถึง 2 MHz
นอกจากนี้ แรงดันอิมพัลส์ที่เกิดขึ้นจะถูกปรับให้เรียบโดยตัวเหนี่ยวนำ L1 และตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า C1 เป็นผลให้มีการสร้างแรงดันไฟฟ้าคงที่บน C1 แต่มีขนาดที่เล็กกว่า ในกรณีนี้ ขนาดของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่สร้างขึ้นจะเป็นสัดส่วนกับความกว้างของพัลส์ที่ได้รับที่เอาต์พุตของ Q1 หากทรานซิสเตอร์ Q1 เปิดขึ้นเป็นเวลานาน พลังงานที่เก็บไว้ใน L1 ก็จะมากขึ้นด้วย ซึ่งส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าใน C1 เพิ่มขึ้น ดังนั้นในทางกลับกัน - ด้วยระยะเวลาที่สั้นกว่าของสถานะเปิดของทรานซิสเตอร์ Q1 แรงดันไฟฟ้าทั่ว C1 จะลดลง วิธีการควบคุมแรงดันไฟฟ้าโดยตรงนี้เรียกว่าการปรับความกว้างพัลส์ - PWM (PWM - การปรับความกว้างพัลส์)
องค์ประกอบที่สำคัญมากของวงจรคือไดโอด D1 ไดโอดนี้รักษากระแสโหลดที่สร้างโดยตัวเหนี่ยวนำ L1 ในช่วงเวลาดังกล่าวเมื่อปิดทรานซิสเตอร์ Q1 กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อ Q1 เปิดอยู่ แหล่งจ่ายไฟจะจ่ายกระแสเหนี่ยวนำและกระแสโหลด ขณะที่พลังงานจะถูกเก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำ หลังจากปิด Q1 กระแสโหลดจะถูกรักษาโดยพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำ กระแสนี้ไหลผ่าน D1 เช่น พลังงานของตัวเหนี่ยวนำถูกใช้ไปกับการรักษากระแสโหลด ( ดูรูปที่ 3).
รูปที่ 3
อย่างไรก็ตามใน แผนปฏิบัติ ah buck เร็กกูเลเตอร์ที่สร้างกระแสสูงมีปัญหาบางอย่าง ความจริงก็คือไดโอดส่วนใหญ่มีความเร็วไม่เพียงพอและยังมีความต้านทานแบบเปิดค่อนข้างมาก ชุมทาง p-n. ทั้งหมดนี้ไม่มีความสำคัญอย่างยิ่งที่กระแสโหลดต่ำ แต่ที่กระแสสูงทั้งหมดนี้นำไปสู่การสูญเสียที่สำคัญ, ความร้อนสูงของไดโอด D1, แรงดันไฟกระชากและการเกิดกระแสย้อนกลับผ่านไดโอดเมื่อเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ Q1 นั่นคือเหตุผล โครงการนี้ได้รับการสรุปเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดการสูญเสียซึ่งเป็นผลมาจากการใช้ทรานซิสเตอร์ตัวอื่นแทนไดโอด D1 - Q2 (รูปที่ 4).
รูปที่ 4
ทรานซิสเตอร์ Q2 ซึ่งเป็น MOSFET มีความต้านทานต่อต่ำมากและเร็วมาก เนื่องจาก Q2 ทำหน้าที่เหมือนไดโอด จึงทำงานพร้อมกันกับ Q1 แต่เคร่งครัดในแอนติเฟส เช่น ในขณะที่ล็อค Q1 ทรานซิสเตอร์ Q2 จะเปิดขึ้นและในทางกลับกันเมื่อ Q1 เปิดอยู่ ทรานซิสเตอร์ Q2 จะปิด (ดูรูปที่ 5).
รูปที่ 5
เป็นโซลูชันเดียวที่เป็นไปได้สำหรับการจัดระเบียบตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าบนเมนบอร์ดสมัยใหม่ ซึ่งอย่างที่เราได้กล่าวไปแล้วว่าต้องใช้กระแสไฟสูงมากในการจ่ายไฟให้กับโปรเซสเซอร์
หลังจากเสร็จสิ้นการทบทวนเทคโนโลยีพื้นฐานสำหรับการจัดระเบียบตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งแล้วเราจะพิจารณาถึงรูปแบบการปฏิบัติสำหรับการนำไปใช้งาน
ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับองค์กรของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของแกนประมวลผล
เป็นมูลค่าการกล่าวขวัญทันทีว่าเป็นเวลานานแล้วที่ผู้ผลิตฐานองค์ประกอบเริ่มผลิตไมโครวงจรเฉพาะที่ออกแบบมาเพื่อสร้างตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งสำหรับเมนบอร์ด คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล. การใช้ไมโครเซอร์กิตพิเศษดังกล่าวทำให้สามารถปรับปรุงคุณลักษณะของเรกูเลเตอร์ ให้แน่ใจว่ามีความกะทัดรัดสูง และลดต้นทุนของทั้งตัวเรกูเลเตอร์เองและต้นทุนในการพัฒนา จนถึงปัจจุบัน มีไมโครเซอร์กิตสามประเภทที่ใช้ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของเมนบอร์ดที่ออกแบบมาเพื่อจ่ายไฟให้กับแกนประมวลผล:
- ตัวควบคุมหลัก (ตัวควบคุมหลัก) ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าตัวควบคุม PWM (ตัวควบคุม PWM) หรือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า (ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า)
- ไดรเวอร์ควบคุมทรานซิสเตอร์ MOS (ไดรเวอร์ MOSFET แบบซิงโครนัส - วงจรเรียงกระแส);
- คอนโทรลเลอร์แบบรวมที่รวมการทำงานของทั้งคอนโทรลเลอร์ PWM และไดรเวอร์ MOSFET
โดยคำนึงถึงความหลากหลายของไมโครวงจรที่ใช้ในมาเธอร์บอร์ดสมัยใหม่ เราสามารถพบสองตัวเลือกหลักสำหรับการสร้างตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งสำหรับจ่ายไฟให้กับคอร์โปรเซสเซอร์
ฉันตัวเลือก ตัวเลือกนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับเมนบอร์ดระดับเริ่มต้นที่มีประสิทธิภาพต่ำ เช่น มักใช้กับเมนบอร์ดที่ไม่ได้ให้ประสิทธิภาพสูงและ โปรเซสเซอร์อันทรงพลัง. ในเวอร์ชันนี้ การควบคุมทรานซิสเตอร์พลังงานของตัวแปลงจะดำเนินการโดยไมโครวงจรของตัวควบคุมแบบรวม ชิปนี้มีฟังก์ชันดังต่อไปนี้:
- การอ่านสถานะของสัญญาณระบุแรงดันไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์ (VIDn)
- การสร้างสัญญาณ PWM สำหรับการควบคุมแบบซิงโครนัสของ Power MOSFETs
- การควบคุมค่าของแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้น
- การดำเนินการป้องกันปัจจุบันของ MOSFET พลังงาน
- สร้างสัญญาณยืนยันการทำงานที่ถูกต้องของตัวควบคุมและการมีอยู่ของแรงดันไฟฟ้าที่ถูกต้องที่เอาต์พุตเพื่อจ่ายไฟให้กับแกนประมวลผล (สัญญาณ PGOOD)
ตัวอย่างของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวแสดงอยู่ใน รูปที่ 6. ในกรณีนี้ อย่างที่เราเห็น ทรานซิสเตอร์กำลังเชื่อมต่อโดยตรงกับเอาต์พุตของชิปควบคุมแบบรวม มักใช้ชิป HIP6004 เป็นตัวควบคุม
รูปที่ 6
ตัวเลือกที่สอง ตัวเลือกนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับเมนบอร์ดที่ออกแบบมาเพื่อทำงานร่วมกับโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูง เนื่องจากโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูงหมายถึงการใช้กระแสไฟสูง ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจึงถูกสร้างขึ้นหลายช่องสัญญาณ (รูปที่ 7)
รูปที่ 7
การมีหลายช่องช่วยให้คุณสามารถลดปริมาณกระแสสำหรับแต่ละช่องได้เช่น ลดกระแสที่เปลี่ยนโดย MOSFET ในทางกลับกันสิ่งนี้จะเพิ่มความน่าเชื่อถือของวงจรทั้งหมดและอนุญาตให้ใช้ทรานซิสเตอร์ที่ทรงพลังน้อยกว่าซึ่งมีผลดีต่อต้นทุนของทั้งตัวปรับลมและเมนบอร์ดโดยรวม
เรกูเลเตอร์รุ่นนี้โดดเด่นด้วยการใช้วงจรไมโครสองประเภท: คอนโทรลเลอร์ PWM หลักและไดรเวอร์ทรานซิสเตอร์ MOS การควบคุมแบบซิงโครนัสของ MOSFET ดำเนินการโดยไดรเวอร์ซึ่งแต่ละตัวสามารถควบคุมทรานซิสเตอร์หนึ่งหรือสองคู่ได้ ไดรเวอร์ให้การสลับเฟสของทรานซิสเตอร์ตาม สัญญาณเข้า(ส่วนใหญ่มักเรียกว่า PWM) ซึ่งกำหนดความถี่การสลับและสถานะเปิดของทรานซิสเตอร์ จำนวนชิปไดรเวอร์สอดคล้องกับจำนวนช่องควบคุมการสลับ
ไดรเวอร์ทั้งหมดได้รับการจัดการโดยตัวควบคุมหลัก (ตัวควบคุมหลัก) ซึ่งมีหน้าที่หลัก ได้แก่ :
-การสร้างพัลส์เพื่อควบคุมไดรเวอร์ MOSFET;
- การเปลี่ยนความกว้างของพัลส์ควบคุมเหล่านี้เพื่อให้แรงดันขาออกของตัวควบคุมคงที่
- การควบคุมแรงดันขาออกของตัวควบคุม
- ให้การป้องกันกระแสของ MOSFETs;
- การอ่านสถานะของสัญญาณระบุแรงดันไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์ (VIDn)
นอกเหนือจากฟังก์ชันเหล่านี้แล้ว ฟังก์ชันเสริมอื่น ๆ อาจดำเนินการได้ ซึ่งจะพิจารณาจากประเภทของตัวควบคุมหลักที่ใช้
รูปแบบทั่วไปของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวแสดงอยู่ใน รูปที่ 8. ตัวควบคุมหลักที่ทันสมัยส่วนใหญ่เป็น 4 แชนเนล เช่น มี 4 สัญญาณเอาต์พุต PWM เพื่อขับไดรเวอร์ทรานซิสเตอร์
รูปที่ 8
ดังนั้น ในปัจจุบัน ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสำหรับแกนประมวลผลสามารถเป็นแบบ 2 แชนเนล 3 แชนเนล และ 4 แชนเนล
ตัวอย่างของการใช้งานตัวควบคุม 2 ช่องสัญญาณแสดงอยู่ รูปที่ 9. ตัวควบคุมนี้สร้างขึ้นโดยใช้ชิปตัวควบคุมหลักประเภท HIP6301 ซึ่งโดยหลักการแล้วคือสี่แชนเนล แต่เหลือสองแชนเนลที่ไม่ได้ใช้งาน
รูปที่ 9
ใช้ชิป HIP6601B เป็นตัวขับเคลื่อนหลักในโครงร่างนี้
ตัวอย่างของการใช้งานคอนโทรลเลอร์ 4 แชนเนลโดยใช้คอนโทรลเลอร์หลักเดียวกันแสดงอยู่ใน รูปที่ 10.
รูปที่ 10
คอนโทรลเลอร์ HIP6301 ถอดรหัสแรงดันไฟฟ้าหลักของโปรเซสเซอร์ตามรหัสระบุ 5 บิต (VID0 - VID4) และสร้างเอาต์พุตพัลส์ PWM ที่มีความถี่สูงถึง 1.5 MHz นอกจากนี้ ยังสร้างสัญญาณ PGOOD (กำลังไฟที่ดี) หากแรงดันไฟฟ้าของคอร์โปรเซสเซอร์ที่สร้างโดยตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าตรงกับค่าที่ตั้งไว้โดยใช้สัญญาณ VIDn
คุณสมบัติของตัวควบคุมหลายช่องสัญญาณ
เมื่อใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบหลายช่องสัญญาณ มีปัญหาหลายอย่างที่นักออกแบบเมนบอร์ดต้องแก้ไข ความจริงก็คือแต่ละช่องเป็นตัวควบคุมการสลับซึ่งการสลับที่ความถี่สูงจะสร้างพัลส์ปัจจุบันที่เอาต์พุต แน่นอนว่าพัลส์เหล่านี้จะต้องถูกทำให้เรียบและใช้ตัวเก็บประจุและโช้กด้วยไฟฟ้าสำหรับสิ่งนี้ แต่ความจริงก็คือเนื่องจากโหลดปัจจุบันขนาดใหญ่ความจุของตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำจึงไม่เพียงพอที่จะสร้างแรงดันไฟฟ้าคงที่อย่างแท้จริงซึ่งเป็นผลมาจากการสังเกตการกระเพื่อมบนบัสกำลังของโปรเซสเซอร์ (รูปที่ 11). นอกจากนี้การเพิ่มจำนวนของตัวเก็บประจุหรือการเพิ่มความจุของตัวเก็บประจุและการเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำหรือการเพิ่มความถี่ในการแปลง (เว้นแต่เราจะพูดถึงการเพิ่มความถี่หลาย ๆ ครั้ง) จะช่วยประหยัดจากระลอกคลื่นเหล่านี้ ระลอกเหล่านี้สามารถนำไปสู่การทำงานที่ไม่เสถียรของโปรเซสเซอร์
รูปที่ 11
วิธีแก้ปัญหาพบได้จากการใช้สถาปัตยกรรมหลายช่องสัญญาณของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า แต่ใช้ช่องทางคู่ขนานแก้ปัญหาอย่างเดียวยังไงก็ไม่สำเร็จ จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าปุ่มของช่องต่าง ๆ สลับกับการเลื่อนเฟสเช่น ควรเปิดทีละรายการ สิ่งนี้จะทำให้แน่ใจว่าแต่ละช่องจะรักษากระแสไฟขาออกของเรกูเลเตอร์ตามระยะเวลาที่กำหนดอย่างเคร่งครัด กล่าวอีกนัยหนึ่งตัวเก็บประจุที่ปรับให้เรียบจะถูกชาร์จอย่างต่อเนื่อง แต่จากช่องสัญญาณที่แตกต่างกันในเวลาที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้เรกูเลเตอร์แบบ 4 แชนแนล ตัวเก็บประจุเอาต์พุตจะถูกรีชาร์จสี่ครั้งในหนึ่งรอบสัญญาณนาฬิกาของคอนโทรลเลอร์ เช่น กระแสพัลส์ของแต่ละแชนเนลอยู่นอกเฟสโดยสัมพันธ์กัน 90° (ดูรูปที่ 12). สิ่งนี้สอดคล้องกับความถี่การแปลงที่เพิ่มขึ้น 4 เท่าและหากความถี่การสลับของทรานซิสเตอร์ของแต่ละช่องสัญญาณคือ 0.5 MHz ความถี่พัลส์บนตัวเก็บประจุที่ปรับให้เรียบจะอยู่ที่ 2 MHz
รูปที่ 12
ดังนั้น พัลส์ PWM ที่สร้างขึ้นที่เอาต์พุตของชิปคอนโทรลเลอร์หลัก (สัญญาณเอาต์พุต PWM) จะต้องตามมาด้วยการเลื่อนเฟสที่แน่นอน และการเลื่อนเฟสนี้ถูกกำหนดโดยสถาปัตยกรรมภายในของชิป และโดยปกติแล้วจะถูกตั้งค่าไว้ที่สเตจแล้ว ของการออกแบบชิป แต่คอนโทรลเลอร์บางตัวอนุญาตให้คุณกำหนดค่าตาม โหมดต่างๆการทำงาน: การควบคุม 2 เฟส 3 เฟส หรือ 4 เฟส (วิธีดำเนินการสามารถดูได้ในคำอธิบายสำหรับตัวควบคุม)
จากบทเรียนนี้ ฉันจะเริ่มต้นชุดบทความเกี่ยวกับสวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ ดิจิตัลเรกูเลเตอร์ และอุปกรณ์ควบคุมกำลังเอาต์พุต
เป้าหมายที่ฉันตั้งไว้คือการพัฒนาตัวควบคุมสำหรับตู้เย็นบนองค์ประกอบ Peltier
เราจะทำแบบอะนาล็อกของการพัฒนาของฉันซึ่งใช้งานบนพื้นฐานของบอร์ด Arduino เท่านั้น
- การพัฒนานี้สร้างความสนใจให้กับหลาย ๆ คน และจดหมายก็ส่งมาให้ฉันพร้อมคำขอให้นำไปใช้กับ Arduino
- การพัฒนานี้เหมาะสำหรับการศึกษาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ของคอนโทรลเลอร์ดิจิทัล นอกจากนี้ยังรวมงานหลายอย่างที่ศึกษาในบทเรียนก่อนหน้านี้:
- การวัดสัญญาณแอนะล็อก
- ทำงานกับปุ่ม
- การเชื่อมต่อระบบบ่งชี้
- การวัดอุณหภูมิ
- ทำงานกับ EEPROM;
- การเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์
- กระบวนการคู่ขนาน
- และอีกมากมาย
ฉันจะพัฒนาการพัฒนาตามลำดับทีละขั้นตอนอธิบายการกระทำของฉัน ผลจะเป็นอย่างไร - ฉันไม่รู้ ฉันหวังว่าโครงการการทำงานเต็มรูปแบบของตัวควบคุมตู้เย็น
ฉันไม่มีโครงการที่เสร็จสมบูรณ์ ฉันจะเขียนบทเรียนตามสถานะปัจจุบันดังนั้นในระหว่างการทดสอบอาจกลายเป็นว่าในบางขั้นตอนฉันทำผิดพลาด ฉันจะแก้ไข ดีกว่าฉันแก้จุดบกพร่องในการพัฒนาและออกโซลูชันสำเร็จรูป
ความแตกต่างระหว่างการพัฒนาและต้นแบบ
ความแตกต่างด้านการทำงานเพียงอย่างเดียวจากการพัฒนาต้นแบบบนคอนโทรลเลอร์ PIC คือไม่มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่รวดเร็วซึ่งชดเชยการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้า
เหล่านั้น. อุปกรณ์รุ่นนี้ต้องใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟที่มีความเสถียรซึ่งมีระดับการกระเพื่อมต่ำ (ไม่เกิน 5%) ข้อกำหนดเหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนดที่ทันสมัยทั้งหมด บล็อกแรงกระตุ้นโภชนาการ
และไม่รวมตัวเลือกแหล่งจ่ายไฟจากแหล่งจ่ายไฟที่ไม่เสถียร (หม้อแปลง, วงจรเรียงกระแส, ตัวกรองแบบ capacitive) ความเร็วของระบบ Arduino ไม่อนุญาตให้มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่รวดเร็ว ฉันแนะนำให้อ่านเกี่ยวกับข้อกำหนดด้านพลังงานขององค์ประกอบ Peltier
การพัฒนา โครงสร้างโดยรวมอุปกรณ์
ในขั้นตอนนี้ คุณต้องเข้าใจคำศัพท์ทั่วไป:
- องค์ประกอบของระบบประกอบด้วยอะไรบ้าง
- ตัวควบคุมใดที่จะดำเนินการ
- มีข้อสรุปเพียงพอหรือไม่และ ฟังก์ชันการทำงานผู้ควบคุม
ฉันจินตนาการว่าคอนโทรลเลอร์เป็น "กล่องดำ" หรือ "หลุมขยะ" และเชื่อมต่อทุกอย่างที่ฉันต้องการเข้ากับมัน จากนั้นฉันจะดูว่าบอร์ด Arduino UNO R3 เหมาะสำหรับวัตถุประสงค์เหล่านี้หรือไม่
ในการตีความของฉันดูเหมือนว่านี้
ฉันวาดรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า - ตัวควบคุมและสัญญาณทั้งหมดที่จำเป็นในการเชื่อมต่อองค์ประกอบของระบบ
ฉันตัดสินใจว่าต้องเชื่อมต่อกับบอร์ด:
- ไฟแสดงสถานะ LCD (สำหรับแสดงผลและโหมด);
- 3 ปุ่ม (สำหรับควบคุม);
- LED แสดงข้อผิดพลาด;
- ปุ่มควบคุมพัดลม (เพื่อเปิดพัดลมหม้อน้ำด้านร้อน);
- การสลับปุ่มโคลง (สำหรับปรับกำลังขององค์ประกอบ Peltier);
- อินพุตแบบอะนาล็อกสำหรับการวัดกระแสโหลด
- อินพุตแบบอะนาล็อกสำหรับการวัดแรงดันโหลด
- เซ็นเซอร์อุณหภูมิในห้อง (เซ็นเซอร์ 1 สายที่แม่นยำ DS18B20);
- เซ็นเซอร์อุณหภูมิหม้อน้ำ (ยังไม่ได้ตัดสินใจว่าเซ็นเซอร์ใด แต่เป็น DS18B20 ด้วย);
- สัญญาณสื่อสารของคอมพิวเตอร์
มีทั้งหมด 18 สัญญาณ บอร์ด Arduino UNO R3 หรือ Arduino NANO มี 20 ขา ยังเหลือข้อสรุปอีก 2 ข้อที่สำรองไว้ บางทีคุณอาจต้องการเชื่อมต่อปุ่มอื่น หรือไฟ LED หรือเซ็นเซอร์ความชื้น หรือพัดลมด้านข้างเย็น ... เราต้องการอินพุตแบบอะนาล็อก 2 หรือ 3 ตัว บอร์ดมี 6 นั่นคือ ทุกอย่างเหมาะสมกับเรา
คุณสามารถกำหนดหมายเลขพินได้ทันทีในระหว่างการพัฒนา ฉันแต่งตั้งทันที การเชื่อมต่อเกิดขึ้นผ่านตัวเชื่อมต่อ คุณสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา โปรดทราบว่าการกำหนดพินยังไม่สิ้นสุด
ความคงตัวของแรงกระตุ้น
เพื่อให้อุณหภูมิคงที่อย่างแม่นยำและการทำงานขององค์ประกอบ Peltier ในโหมดที่เหมาะสมที่สุด จำเป็นต้องปรับการเปิดเครื่อง เรกกูเลเตอร์เป็นแบบแอนะล็อก (เชิงเส้น) และพัลส์ (คีย์)
ตัวควบคุมแบบอะนาล็อกเป็นองค์ประกอบควบคุมและโหลดที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับแหล่งพลังงาน โดยการเปลี่ยนความต้านทานขององค์ประกอบควบคุม แรงดันหรือกระแสบนโหลดจะถูกปรับ ตามกฎแล้วจะใช้ทรานซิสเตอร์สองขั้ว
องค์ประกอบการควบคุมทำงานในโหมดเชิงเส้น มีการจัดสรรพลังงาน "พิเศษ" ที่กระแสสูง ความคงตัวประเภทนี้จะร้อนมาก มีประสิทธิภาพต่ำ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นทั่วไปคือชิป 7805
ตัวเลือกนี้ไม่เหมาะกับเรา เราจะสร้างโคลงพัลส์ (คีย์)
ความคงตัวของสวิตชิ่งนั้นแตกต่างกัน เราต้องการตัวควบคุมสวิตช์แบบสเต็ปดาวน์ แรงดันโหลดในอุปกรณ์ดังกล่าวจะต่ำกว่าแรงดันแหล่งจ่ายเสมอ วงจรของสเต็ปดาวน์สวิตชิ่งเรกูเลเตอร์มีลักษณะดังนี้
และนี่คือไดอะแกรมของเร็กกูเลเตอร์
ทรานซิสเตอร์ VT ทำงานในโหมดคีย์ เช่น สามารถมีได้สองสถานะเท่านั้น: เปิดหรือปิด ในกรณีของเราอุปกรณ์ควบคุมไมโครคอนโทรลเลอร์จะสลับทรานซิสเตอร์ด้วยความถี่และรอบการทำงานที่แน่นอน
- เมื่อทรานซิสเตอร์เปิดอยู่ กระแสจะไหลผ่านวงจร: แหล่งจ่ายไฟ, สวิตช์ทรานซิสเตอร์ VT, ตัวเหนี่ยวนำ L, โหลด
- เมื่อกุญแจเปิดอยู่ พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำจะถูกส่งไปยังโหลด กระแสไหลผ่านวงจร: ตัวเหนี่ยวนำ, ไดโอด VD, โหลด
ดังนั้นแรงดันคงที่ที่เอาต์พุตของตัวควบคุมจึงขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของเวลาเปิด (topen) และ รหัสส่วนตัว(ปิด) เช่น ในรอบการทำงานของพัลส์ควบคุม โดยการเปลี่ยนรอบการทำงาน ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่โหลดได้ ตัวเก็บประจุ C ทำให้ระลอกของแรงดันเอาต์พุตเรียบขึ้น
ข้อได้เปรียบหลักของวิธีการควบคุมนี้คือประสิทธิภาพสูง ทรานซิสเตอร์เปิดหรือปิดอยู่เสมอ ดังนั้นจึงมีการกระจายพลังงานเพียงเล็กน้อย - แรงดันไฟฟ้าทั่วทรานซิสเตอร์จะอยู่ใกล้ศูนย์เสมอหรือกระแสเป็น 0
นี้ รูปแบบคลาสสิกตัวควบคุม step-down ในนั้นทรานซิสเตอร์หลักถูกดึงออกจากสายสามัญ ขับทรานซิสเตอร์ได้ยาก ต้องใช้วงจรไบอัสพิเศษกับรางจ่ายแรงดัน
ดังนั้นฉันจึงเปลี่ยนสคีมา ในนั้น โหลดจะถูกตัดการเชื่อมต่อจากสายสามัญ แต่มีการติดกุญแจไว้กับสายสามัญ โซลูชันนี้ช่วยให้คุณควบคุมสวิตช์ทรานซิสเตอร์จากสัญญาณไมโครคอนโทรลเลอร์โดยใช้แอมพลิฟายเออร์ขับกระแสธรรมดา 
- เมื่อปิดคีย์ กระแสจะเข้าสู่โหลดผ่านวงจร: แหล่งจ่ายไฟ, ตัวเหนี่ยวนำ L, คีย์ VT (เส้นทางปัจจุบันแสดงเป็นสีแดง)
- เมื่อเปิดกุญแจ พลังงานที่สะสมในตัวเหนี่ยวนำจะถูกส่งกลับไปยังโหลดผ่านไดโอดสร้างใหม่ VD (เส้นทางปัจจุบันแสดงเป็นสีน้ำเงิน)
การใช้งานจริงของตัวควบคุมหลัก
เราจำเป็นต้องติดตั้งโหนดควบคุมการสลับด้วยฟังก์ชันต่อไปนี้:
- ตัวควบคุมคีย์ที่แท้จริง (คีย์, สำลัก, ไดโอดที่เกิดใหม่, ตัวเก็บประจุที่ปรับให้เรียบ);
- วงจรวัดแรงดันโหลด
- วงจรวัดกระแสเรกูเลเตอร์
- การป้องกันกระแสเกินของฮาร์ดแวร์
ฉันแทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลยเอาวงจรควบคุมจาก
แผนผังของตัวควบคุมการสลับสำหรับการทำงานกับบอร์ด Arduino
ฉันใช้ทรานซิสเตอร์ MOSFET IRF7313 เป็นสวิตช์ไฟ ในบทความเกี่ยวกับการเพิ่มพลังของตัวควบคุมองค์ประกอบ Peltier ฉันได้เขียนรายละเอียดเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์เหล่านี้ เกี่ยวกับการทดแทนที่เป็นไปได้ และข้อกำหนดสำหรับทรานซิสเตอร์หลักสำหรับวงจรนี้ นี่คือลิงค์ไปยังเอกสารทางเทคนิค
บนทรานซิสเตอร์ VT1 และ VT2 จะประกอบไดรเวอร์ทรานซิสเตอร์ MOSFET หลัก นี่เป็นเพียงแอมพลิฟายเออร์ปัจจุบัน ในแง่ของแรงดันไฟฟ้า มันยังลดทอนสัญญาณลงเหลือประมาณ 4.3 V ดังนั้น ทรานซิสเตอร์หลักต้องมีเกณฑ์ต่ำ มีหลายวิธีในการใช้ไดรเวอร์ MOSFET รวมถึงการใช้ไดรเวอร์ในตัว ตัวเลือกนี้เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดและถูกที่สุด
ในการวัดแรงดันไฟฟ้าที่โหลดจะใช้ตัวแบ่ง R1, R2 ด้วยค่าตัวต้านทานดังกล่าวและแหล่งจ่ายแรงดันอ้างอิง 1.1 V ช่วงการวัดคือ 0 ... 17.2 V วงจรช่วยให้คุณวัดแรงดันที่ขั้วโหลดที่สองเทียบกับสายไฟทั่วไป เราคำนวณแรงดันไฟฟ้าที่โหลดโดยทราบแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงาน:
Uload = Usupply - ไม่ได้วัด
เป็นที่ชัดเจนว่าความแม่นยำในการวัดจะขึ้นอยู่กับความเสถียรของการรักษาแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงาน แต่เราไม่ต้องการความแม่นยำสูงในการวัดแรงดัน กระแส กำลังโหลด เราจำเป็นต้องวัดและรักษาอุณหภูมิอย่างแม่นยำเท่านั้น เราจะวัดด้วยความแม่นยำสูง และหากระบบแสดงว่าองค์ประกอบ Peltier มีกำลังไฟ 10 W แต่ในความเป็นจริงจะเป็น 10.5 W จะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของอุปกรณ์แต่อย่างใด สิ่งนี้ใช้กับพารามิเตอร์พลังงานอื่น ๆ ทั้งหมด
วัดกระแสโดยใช้ตัวต้านทาน-เซ็นเซอร์กระแส R8 ส่วนประกอบ R6 และ C2 สร้างตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำอย่างง่าย
การป้องกันฮาร์ดแวร์ที่ง่ายที่สุดนั้นรวมอยู่ในองค์ประกอบ R7 และ VT3 หากกระแสในวงจรเกิน 12 A แรงดันคร่อมตัวต้านทาน R8 จะถึงเกณฑ์การเปิดทรานซิสเตอร์ที่ 0.6 V ทรานซิสเตอร์จะเปิดและปิดพิน RES (รีเซ็ต) ของไมโครคอนโทรลเลอร์ลงกราวด์ ทุกอย่างควรปิด น่าเสียดายที่เกณฑ์สำหรับการป้องกันดังกล่าวถูกกำหนดโดยแรงดันฐานอิมิตเตอร์ของทรานซิสเตอร์สองขั้ว (0.6 V) ด้วยเหตุนี้ การป้องกันจึงใช้ได้เฉพาะกับกระแสที่มีนัยสำคัญเท่านั้น คุณสามารถใช้ตัวเปรียบเทียบแบบอะนาล็อกได้ แต่จะทำให้วงจรซับซ้อนขึ้น
กระแสจะถูกวัดได้แม่นยำยิ่งขึ้นด้วยการเพิ่มความต้านทานของเซ็นเซอร์ปัจจุบัน R8 แต่สิ่งนี้จะนำไปสู่การปลดปล่อยพลังที่สำคัญออกมา แม้จะมีความต้านทาน 0.05 โอห์มและกระแส 5 A ตัวต้านทาน R8 จะกระจาย 5 * 5 * 0.05 = 1.25 วัตต์ โปรดทราบว่าตัวต้านทาน R8 มีกำลัง 2 วัตต์
ตอนนี้เรากำลังวัดกระแสอะไร เราวัดปริมาณการใช้กระแสไฟฟ้าของตัวควบคุมการสลับจากแหล่งจ่ายไฟ วงจรสำหรับการวัดพารามิเตอร์นี้ง่ายกว่าวงจรสำหรับวัดกระแสโหลด โหลดของเรา "หลุด" จากสายไฟทั่วไป เพื่อให้ระบบทำงานได้จำเป็นต้องวัดพลังงานไฟฟ้าบนองค์ประกอบ Peltier เราคำนวณพลังงานที่ใช้โดยตัวควบคุมโดยการคูณแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟด้วยกระแสไฟฟ้าที่ดึงออกมา สมมติว่าตัวควบคุมของเรามีประสิทธิภาพ 100% และตัดสินใจว่านี่คือพลังขององค์ประกอบ Peltier ในความเป็นจริงประสิทธิภาพของตัวควบคุมจะอยู่ที่ 90-95% แต่ข้อผิดพลาดนี้จะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของระบบ แต่อย่างใด
ส่วนประกอบ L2, L3, C5 เป็นตัวกรอง RFI อย่างง่าย อาจไม่จำเป็น
การคำนวณเค้นของโคลงที่สำคัญ
เค้นมีสองพารามิเตอร์ที่สำคัญสำหรับเรา:
- ตัวเหนี่ยวนำ;
- กระแสอิ่มตัว
ความเหนี่ยวนำที่จำเป็นของตัวเหนี่ยวนำถูกกำหนดโดยความถี่ PWM และระลอกคลื่นปัจจุบันของตัวเหนี่ยวนำที่อนุญาต มีข้อมูลมากมายในหัวข้อนี้ ฉันจะให้การคำนวณที่ง่ายที่สุด
เราใช้แรงดันไฟฟ้ากับตัวเหนี่ยวนำและกระแสผ่านมันเริ่มเพิ่มกระแส เพิ่มขึ้น แต่ไม่ปรากฏขึ้นเนื่องจากกระแสบางส่วนไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำในขณะที่ฉันเปิดอยู่)
ทรานซิสเตอร์เปิดอยู่ แรงดันไฟฟ้าเชื่อมต่อกับเค้น:
Uchoke = อุปทาน - Uload.
กระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำเริ่มเพิ่มขึ้นตามกฎหมาย:
Ichoke = Uchok * topen / L
- topen - ระยะเวลาพัลส์คีย์สาธารณะ
- L - ตัวเหนี่ยวนำ
เหล่านั้น. ค่าของกระแสกระเพื่อมของตัวเหนี่ยวนำหรือกระแสที่เพิ่มขึ้นในช่วงเวลาของปุ่มเปิดจะถูกกำหนดโดยนิพจน์:
Ioff - Ion = Uchoke * โทเปน / L
แรงดันโหลดอาจเปลี่ยนแปลง และกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่คันเร่ง มีสูตรที่คำนึงถึงสิ่งนี้ แต่ในกรณีของเรา ฉันจะใช้ค่าต่อไปนี้:
- แรงดันไฟฟ้า 12 V;
- แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำขององค์ประกอบ Peltier 5 V;
- วิธี แรงดันไฟฟ้าสูงสุดบนคันเร่ง 12 - 5 \u003d 7 V.
ระยะเวลาของพัลส์ของคีย์สาธารณะจะถูกกำหนดโดยความถี่ของช่วงเวลา PWM ยิ่งสูงเท่าไร ตัวเหนี่ยวนำก็จะยิ่งต้องการน้อยลงเท่านั้น ความถี่ PWM สูงสุดของบอร์ด Arduino คือ 62.5 kHz ฉันจะบอกวิธีรับความถี่ดังกล่าวในบทเรียนถัดไป เราจะใช้มัน
มาดูกรณีที่เลวร้ายที่สุด - PWM จะเปลี่ยนในช่วงกลางของช่วงเวลา
- ช่วงเวลา 1/62500 Hz = 0.000016 วินาที = 16 µs;
- ระยะเวลาของคีย์สาธารณะ = 8 µs
การกระเพื่อมของกระแสในวงจรดังกล่าวมักจะถูกกำหนดไว้ที่ 20% ของกระแสเฉลี่ย อย่าสับสนกับการกระเพื่อมของแรงดันเอาต์พุต พวกมันถูกทำให้เรียบโดยตัวเก็บประจุที่เอาต์พุตของวงจร
หากเราให้กระแส 5 A เราจะรับกระแสกระเพื่อม 10% หรือ 0.5 A
L = Uchoke * topen / แรงกระตุ้น = 7 * 8 / 0.5 = 112 μH
กระแสความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำ
ทุกสิ่งในโลกมีขีดจำกัด และคันเร่งด้วย ในบางกระแส มันจะหยุดเป็นตัวเหนี่ยวนำ นี่คือกระแสอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำ
ในกรณีของเรา กระแสเหนี่ยวนำสูงสุดถูกกำหนดให้เป็นกระแสเฉลี่ยบวกการกระเพื่อม นั่นคือ 5.5 A. แต่จะดีกว่าถ้าเลือกกระแสอิ่มตัวด้วยระยะขอบ หากเราต้องการให้การป้องกันฮาร์ดแวร์ทำงานในวงจรเวอร์ชันนี้จะต้องมีอย่างน้อย 12 A
กระแสอิ่มตัวถูกกำหนดโดยช่องว่างอากาศในแกนแม่เหล็กของตัวเหนี่ยวนำ ในบทความเกี่ยวกับตัวควบคุมองค์ประกอบ Peltier ฉันได้พูดคุยเกี่ยวกับการออกแบบคันเร่ง ถ้าฉันเริ่มขยายหัวข้อนี้โดยละเอียด เราจะออกจาก Arduino การเขียนโปรแกรมและฉันไม่รู้ว่าเราจะกลับมาเมื่อไหร่
เค้นของฉันมีลักษณะเช่นนี้
โดยธรรมชาติแล้วลวดพันตัวเหนี่ยวนำจะต้องมีหน้าตัดเพียงพอ การคำนวณนั้นง่าย - การหาค่าการสูญเสียความร้อนเนื่องจากความต้านทานของขดลวด
ความต้านทานการม้วนที่ใช้งานอยู่:
รา = ρ * ล. / ส,
- Ra คือความต้านทานที่ใช้งานของขดลวด
- Ρ – ความต้านทานของวัสดุ สำหรับทองแดง 0.0175 โอห์ม mm2/m;
- l คือความยาวของขดลวด
- S คือส่วนตัดขวางของขดลวด
การสูญเสียความร้อนจากความต้านทานที่ใช้งานของตัวเหนี่ยวนำ:
คีย์เรกูเลเตอร์จะดึงกระแสที่เหมาะสมจากแหล่งจ่ายไฟและไม่ควรปล่อยให้กระแสนี้ผ่านบอร์ด Arduino แผนภาพแสดงให้เห็นว่าสายไฟจากแหล่งจ่ายไฟเชื่อมต่อโดยตรงกับตัวเก็บประจุบล็อก C6 และ C7
กระแสพัลส์หลักของวงจรผ่านวงจร C6, โหลด, L1, D2, R8 โซ่นี้ต้องปิดด้วยลิงค์ที่มีความยาวขั้นต่ำ
สายสามัญและบัสพลังงานของบอร์ด Arduino เชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุบล็อก C6
สายสัญญาณระหว่างบอร์ด Arduino และโมดูลควบคุมคีย์ต้องมีความยาวขั้นต่ำ วางตัวเก็บประจุ C1 และ C2 บนขั้วต่อเข้ากับบอร์ดได้ดีที่สุด
ฉันประกอบแผงวงจรแล้ว บัดกรีเฉพาะส่วนประกอบที่จำเป็นเท่านั้น วงจรประกอบของฉันมีลักษณะดังนี้
ฉันตั้งค่า PWM เป็น 50% และตรวจสอบการทำงานของวงจร
- เมื่อได้รับพลังงานจากคอมพิวเตอร์ บอร์ดจะสร้าง PWM ขึ้นมา
- ด้วยพลังงานอัตโนมัติจากแหล่งจ่ายไฟภายนอก ทุกอย่างทำงานได้ดี พัลส์ที่มีด้านหน้าที่ดีเกิดขึ้นที่เค้นมีแรงดันคงที่ที่เอาต์พุต
- เมื่อฉันเปิดไฟจากทั้งคอมพิวเตอร์และแหล่งจ่ายไฟภายนอกพร้อมกัน บอร์ด Arduino ก็ไหม้
ความผิดพลาดโง่ๆของฉัน บอกเลยว่าไม่มีใครซ้ำใคร โดยทั่วไป เมื่อเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟภายนอก คุณต้องระมัดระวัง เชื่อมต่อทั้งหมดเป็นวงแหวน
สิ่งต่อไปนี้เกิดขึ้นกับฉัน ไม่มีไดโอด VD2 ในวงจร ฉันเพิ่มมันหลังจากปัญหานี้ ฉันคิดว่าบอร์ดสามารถใช้พลังงานจากแหล่งภายนอกผ่านพิน Vin ตัวเขาเองเขียนไว้ในบทที่ 2 ว่าบอร์ดสามารถรับพลังงานจากแหล่งภายนอกผ่านตัวเชื่อมต่อ (สัญญาณ RWRIN) แต่ฉันคิดว่ามันเป็นสัญญาณเดียวกัน ต่างกันที่ขั้วต่อเท่านั้น
0 หมวดหมู่: . คุณสามารถคั่นหน้าตัวเครื่องมีเมนู การเข้าสู่เมนูการเลื่อนเข้าและออกทำได้โดยการกดปุ่ม "H" และ "B" พร้อมกัน ในกระบวนการนี้ ตัวช่วยจำที่สอดคล้องกันจะปรากฏบนตัวบ่งชี้ "H-U", "B-U" (ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าล่างและบน), "H-I", "B-I" (ขีดจำกัดกระแสล่างและบน), "P-0" , "P-1" - โหมดแมนนวลหรืออัตโนมัติเปิดรีเลย์หลังจากแรงดันหรือกระแสกลับภายในขอบเขตที่กำหนด "-З-" ระบุว่าพารามิเตอร์ที่ตั้งไว้ถูกเขียนไปยังหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนและออกจากโหมดเมนู ในโหมดเมนู ปุ่ม "H" และ "B" ช่วยให้คุณเปลี่ยนพารามิเตอร์ในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่ง และการกดปุ่มค้างไว้ประมาณ 3 วินาทีจะเป็นการเร่งการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นในวงกลม 99.8-99.9-0.0-0.01 เป็นต้น เมื่อเกินขีดจำกัดที่ตั้งไว้ รีเลย์จะดับ ไฟแสดงสถานะจะเริ่มกะพริบ ส่งสัญญาณถึงอุบัติเหตุ ที่. อุปกรณ์นี้อนุญาตให้ชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่ได้ถึงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด นอกจากนี้, โหมดอัตโนมัติช่วยให้คุณชาร์จแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่องและควบคุมความจุของแบตเตอรี่ด้วยตนเองใน A / ชั่วโมง
บันทึกไม่กี่ อย่าลืมจ่ายไฟ 74HC595, 16n-+5V, 8n-กราวด์ บนปุ่มควรใช้ตัวต้านทาน 3K3 และ 10K หนึ่งคู่ ขั้วของตัวบ่งชี้ไม่สำคัญ แต่จะถูกเลือกโดยตัวต้านทานที่ขาที่ 11 ของตัวควบคุม (ดังในแผนภาพ)
ตัวอย่างการใช้งานสำหรับการชาร์จ/คายประจุ AB:
ไฟล์ฐานสิบหกสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC16F676 พร้อมฟังก์ชันควบคุม
คุณไม่มีสิทธิ์ดาวน์โหลดไฟล์จากเซิร์ฟเวอร์ของเรา- ไฟล์เฟิร์มแวร์สำหรับโวลต์มิเตอร์พร้อมพารามิเตอร์ Umax=99.9V; ไอแม็กซ์=9.99A; Pmax=99.9/999W; Cmax=9.99/ชม.
คุณไม่มีสิทธิ์ดาวน์โหลดไฟล์จากเซิร์ฟเวอร์ของเรา- โวลต์แทมมิเตอร์ hex_file พร้อมฟังก์ชันที่ถูกตัดทอน เฉพาะ Umax=99.9V และ Imax=9.99A
การสร้าง เมนบอร์ดด้วยจำนวนเฟสพลังงานของโปรเซสเซอร์ที่เพิ่มขึ้น มันจึงค่อย ๆ กลายเป็นการแข่งขันระหว่างผู้ผลิตมาเธอร์บอร์ด ตัวอย่างเช่น เมื่อเร็ว ๆ นี้ Gigabyte ผลิตบอร์ดที่มีพาวเวอร์ซัพพลายสำหรับโปรเซสเซอร์ 12 เฟส แต่ในบอร์ดที่ผลิตในปัจจุบัน จำนวนเฟสเพิ่มขึ้นเป็น 24 เฟส แต่จำเป็นจริง ๆ หรือไม่ที่ต้องใช้เฟสพลังงานจำนวนมากขนาดนั้น และเพราะเหตุใด ผู้ผลิตบางรายเพิ่มพวกเขาอย่างต่อเนื่องพยายามที่จะพิสูจน์ว่ายิ่งมากยิ่งดีในขณะที่ผู้ผลิตรายอื่นพอใจกับเฟสพลังงานจำนวนน้อย บางทีเฟสพลังงานของโปรเซสเซอร์จำนวนมากอาจเป็นเพียงกลไกทางการตลาดที่ออกแบบมาเพื่อดึงดูดความสนใจของผู้บริโภคต่อผลิตภัณฑ์ของตน ในบทความนี้ เราจะพยายามให้คำตอบที่มีแรงจูงใจสำหรับคำถามนี้ และพิจารณารายละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานของแหล่งจ่ายไฟสลับแบบหลายเฟสสำหรับโปรเซสเซอร์และองค์ประกอบอื่น ๆ ของเมนบอร์ด (ชิปเซ็ต หน่วยความจำ ฯลฯ )
ประวัติเล็กน้อย
อย่างที่คุณทราบ ส่วนประกอบทั้งหมดของเมนบอร์ด (โปรเซสเซอร์ ชิปเซ็ต โมดูลหน่วยความจำ ฯลฯ) ใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟที่เชื่อมต่อกับขั้วต่อพิเศษบนเมนบอร์ด จำได้ว่าในเมนบอร์ดสมัยใหม่มีขั้วต่อไฟ ATX 24 พินรวมถึงขั้วต่อไฟ 4 พิน (ATX12V) หรือ 8 พิน (EPS12V) เพิ่มเติม
พาวเวอร์ซัพพลายทั้งหมดสร้างแรงดันคงที่ที่ ±12, ±5 และ +3.3 V อย่างไรก็ตาม เป็นที่ชัดเจนว่าไมโครเซอร์กิตของเมนบอร์ดที่แตกต่างกันต้องการแรงดันคงที่ของค่าอื่น (ยิ่งไปกว่านั้น ไมโครเซอร์กิตที่ต่างกันต้องการแรงดันไฟที่ต่างกัน) ดังนั้นปัญหาจึงเกิดขึ้น ของการแปลงและทำให้แรงดันไฟฟ้าคงที่ที่ได้รับจากแหล่งจ่ายไฟเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่จำเป็นสำหรับจ่ายไฟให้กับชิปเมนบอร์ดเฉพาะ (การแปลง DC-DC) ในการทำเช่นนี้ มาเธอร์บอร์ดจะใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม (ตัวแปลง) ซึ่งจะลดแรงดันไฟฟ้าที่ระบุของแหล่งจ่ายไฟให้เป็นค่าที่ต้องการ
ตัวแปลง DC-DC มีสองประเภท: เชิงเส้น (อนาล็อก) และพัลส์ ปัจจุบันไม่พบตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นบนเมนบอร์ดอีกต่อไป ในคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้ แรงดันไฟฟ้าจะลดลงโดยการทิ้งแรงดันไฟฟ้าส่วนหนึ่งลงบนองค์ประกอบตัวต้านทานและกระจายพลังงานส่วนหนึ่งที่ใช้ไปในรูปของความร้อน ตัวแปลงดังกล่าวมาพร้อมกับหม้อน้ำที่ทรงพลังและร้อนมาก อย่างไรก็ตามด้วยการเติบโตของพลังงาน (และตามด้วยกระแส) ที่ใช้โดยส่วนประกอบของเมนบอร์ดทำให้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นถูกบังคับให้ละทิ้งเนื่องจากมีปัญหาในการระบายความร้อน มาเธอร์บอร์ดสมัยใหม่ทั้งหมดใช้ตัวแปลง DC-DC แบบสวิตชิ่งซึ่งให้ความร้อนน้อยกว่าแบบเชิงเส้นมาก
ตัวแปลง DC/DC แบบ step-down สำหรับจ่ายไฟให้กับโปรเซสเซอร์มักเรียกว่า VRM (Voltage Regulation Module) หรือ VRD (Voltage Regulator Down) ความแตกต่างระหว่าง VRM และ VRD คือโมดูล VRD นั้นติดตั้งอยู่บนเมนบอร์ดโดยตรง ในขณะที่ VRM เป็นโมดูลภายนอกที่ติดตั้งในช่องพิเศษบนเมนบอร์ด ขณะนี้ไม่พบโมดูล VRM ภายนอกและผู้ผลิตทุกรายใช้โมดูล VRD อย่างไรก็ตาม ชื่อ VRM นั้นหยั่งรากลึกมากจนกลายเป็นเรื่องธรรมดา และตอนนี้มันถูกใช้เพื่ออ้างถึงโมดูล VRD
การสลับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ใช้สำหรับชิปเซ็ต หน่วยความจำ และวงจรไมโครอื่น ๆ ของมาเธอร์บอร์ดไม่มีชื่อเฉพาะของตัวเอง อย่างไรก็ตาม หลักการเหล่านี้ไม่ได้แตกต่างจาก VRD ความแตกต่างคือจำนวนเฟสพลังงานและแรงดันเอาต์พุตเท่านั้น
อย่างที่คุณทราบ ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้ามีลักษณะเฉพาะด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุต สำหรับแรงดันไฟฟ้าขาออกนั้นจะถูกกำหนดโดยไมโครเซอร์กิตเฉพาะที่ใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า แต่แรงดันไฟฟ้าเข้าสามารถเป็นได้ทั้ง 5 หรือ 12 V.
ก่อนหน้านี้ (ระหว่าง โปรเซสเซอร์ของอินเทล Pentium III) ใช้แรงดันอินพุต 5 V สำหรับสวิตช์ตัวควบคุมแรงดัน แต่ต่อมาผู้ผลิตเมนบอร์ดเริ่มใช้แรงดันอินพุต 12 V บ่อยขึ้น และตอนนี้บอร์ดทั้งหมดใช้แรงดันแหล่งจ่าย 12 V เป็นแรงดันอินพุตของตัวควบคุมแรงดันสวิตช์
หลักการทำงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสลับเฟสเดียว
ก่อนดำเนินการพิจารณาตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสลับหลายเฟส เรามาพิจารณาหลักการทำงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสลับเฟสเดียวที่ง่ายที่สุด
การสลับส่วนประกอบตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า
ตัวแปลงบั๊กแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งโดยทั่วไปประกอบด้วยตัวควบคุม PWM (ตัวควบคุม PWM) ซึ่งเป็นกุญแจอิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมโดยตัวควบคุม PWM และเชื่อมต่อและตัดการเชื่อมต่อโหลดกับสายแรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็นระยะ ตลอดจนตัวกรอง LC แบบอุปนัย-คาปาซิทีฟ ระลอกคลื่นแรงดันขาออกให้เรียบ PWM เป็นตัวย่อของ Pulse Wide Modulation (การปรับความกว้างพัลส์, PWM) หลักการทำงานของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์ดาวน์มีดังต่อไปนี้ ตัวควบคุม PWM สร้างลำดับของพัลส์แรงดันไฟฟ้าควบคุม สัญญาณ PWM เป็นลำดับของพัลส์แรงดันไฟฟ้าสี่เหลี่ยมที่มีลักษณะเฉพาะด้วยแอมพลิจูด ความถี่ และรอบการทำงาน (รูปที่ 1)
ข้าว. 1. สัญญาณ PWM และคุณสมบัติหลัก
รอบการทำงานของสัญญาณ PWM คืออัตราส่วนของช่วงเวลาที่สัญญาณมี ระดับสูงถึงช่วงเวลาของสัญญาณ PWM: = / ต.
สัญญาณที่สร้างโดยตัวควบคุม PWM ใช้เพื่อควบคุมคีย์อิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเป็นระยะ ๆ ที่ความถี่ของสัญญาณ PWM จะเชื่อมต่อและตัดการเชื่อมต่อโหลดกับสายไฟ 12 V ความกว้างของสัญญาณ PWM จะต้องเป็นเช่นนั้น ใช้เพื่อควบคุมคีย์อิเล็กทรอนิกส์
ดังนั้นผลลัพธ์ กุญแจอิเล็กทรอนิกส์มีลำดับของพัลส์สี่เหลี่ยมที่มีแอมพลิจูด 12 V และอัตราการเกิดซ้ำเท่ากับความถี่ของพัลส์ PWM เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าสัญญาณประจำคาบใดๆ สามารถแสดงเป็นอนุกรมฮาร์มอนิก (อนุกรมฟูเรียร์) ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ลำดับคาบของพัลส์สี่เหลี่ยมที่มีระยะเวลาเท่ากัน เมื่อแสดงเป็นอนุกรม จะมีส่วนประกอบคงที่แปรผกผันกับรอบการทำงานของพัลส์ นั่นคือ เป็นสัดส่วนโดยตรงกับระยะเวลาของพัลส์ ด้วยการส่งพัลส์ที่ได้รับผ่านตัวกรองความถี่ต่ำ (LPF) ที่มีความถี่คัตออฟต่ำกว่าอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์มาก ส่วนประกอบคงที่นี้สามารถแยกได้ง่าย ทำให้ได้แรงดันไฟฟ้าคงที่ที่เสถียร ดังนั้นตัวแปลงแรงดันพัลส์จึงมีตัวกรองความถี่ต่ำที่ปรับลำดับของพัลส์แรงดันสี่เหลี่ยมให้เรียบ (แก้ไข) แผนภาพบล็อกโครงสร้างตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบ step-down แบบพัลซิ่งดังกล่าวแสดงในรูปที่ 2.
ข้าว. 2. แผนภาพบล็อกโครงสร้างของขั้นตอนลงแบบพัลซิ่ง
ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้า
ทีนี้มาดูองค์ประกอบของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบพัลซิ่งบั๊กโดยละเอียด
กุญแจอิเล็กทรอนิกส์และไดรเวอร์ควบคุม
มอสเฟต n-channel (MOSFET) คู่หนึ่งมักจะใช้เป็นกุญแจอิเล็กทรอนิกส์สำหรับสลับตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟของส่วนประกอบเมนบอร์ด โดยเชื่อมต่อในลักษณะที่ท่อระบายน้ำของทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวเชื่อมต่อกับสายจ่ายไฟ 12 V ซึ่งเป็นแหล่งที่มาของ ทรานซิสเตอร์นี้เชื่อมต่อกับจุดเอาท์พุตและเดรนของทรานซิสเตอร์อีกตัว และแหล่งที่มาของทรานซิสเตอร์ตัวที่สองต่อสายดิน ทรานซิสเตอร์ของสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์นี้ (บางครั้งเรียกว่าสวิตช์เปิดปิด) ทำงานในลักษณะที่ทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งอยู่ในสถานะเปิดเสมอ และอีกตัวอยู่ในสถานะปิด
เพื่อควบคุมการสลับของ MOSFET สัญญาณควบคุมจะถูกนำไปใช้กับเกตของทรานซิสเตอร์เหล่านี้ สัญญาณควบคุมของคอนโทรลเลอร์ PWM ใช้เพื่อสลับ MOSFET อย่างไรก็ตาม สัญญาณนี้ไม่ได้ป้อนโดยตรงไปยังเกตของทรานซิสเตอร์ แต่ผ่านชิปพิเศษที่เรียกว่าไดรเวอร์ MOSFET หรือไดรเวอร์เฟสพลังงาน คนขับคนนี้ควบคุมการสลับของ MOSFET ที่ความถี่ที่กำหนดโดยตัวควบคุม PWM โดยใช้แรงดันการสลับที่ต้องการกับเกตของทรานซิสเตอร์
เมื่อเปิดทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมต่อกับสายจ่ายไฟ 12 V ทรานซิสเตอร์ตัวที่สองซึ่งเชื่อมต่อผ่านท่อระบายน้ำไปยังแหล่งที่มาของทรานซิสเตอร์ตัวแรกจะถูกปิด ในกรณีนี้ สายจ่ายไฟ 12 V เชื่อมต่อกับโหลดผ่านตัวกรองปรับให้เรียบ เมื่อปิดทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมต่อกับสายจ่ายไฟ 12V ทรานซิสเตอร์ตัวที่สองจะเปิดขึ้นและสายจ่ายไฟ 12V ถูกตัดการเชื่อมต่อจากโหลด แต่โหลดจะเชื่อมต่อกับกราวด์ผ่านตัวกรองปรับให้เรียบในขณะนี้
ตัวกรอง LC ความถี่ต่ำ
ตัวกรองการปรับให้เรียบหรือความถี่ต่ำคือตัวกรอง LC นั่นคือตัวเหนี่ยวนำที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับโหลดและความจุที่เชื่อมต่อขนานกับโหลด (รูปที่ 3)
ข้าว. 3. แผนผังของตัวแปลงแรงดันพัลส์เฟสเดียว
ดังที่ทราบจากหลักสูตรฟิสิกส์ หากสัญญาณฮาร์มอนิกของความถี่หนึ่งถูกนำไปใช้กับอินพุตของตัวกรอง LC ดังกล่าว คุณใน (ฉ)จากนั้นแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตตัวกรอง คุณออก (ฉ)ขึ้นอยู่กับรีแอกแตนซ์ของตัวเหนี่ยวนำ (Z L = j2เอฟซี)และคาปาซิเตอร์ Z ค = 1/(ญ2เอฟซี). ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนของตัวกรองดังกล่าว K(ฉ) =(U ออก (f))/(U เข้า (f))สามารถคำนวณได้โดยการพิจารณาตัวแบ่งแรงดันที่เกิดจากตัวต้านทานที่ขึ้นกับความถี่ สำหรับตัวกรองที่ไม่ได้โหลด เราได้รับ:
K(ฉ) = Z ค /(Z ค + Z L)= 1/(1 – (2 ฉ) 2LC)
หรือถ้าเราแนะนำสัญกรณ์ f0 = 2/ จากนั้นเราจะได้รับ:
K(f) = 1/(1 – (f/f0) 2)
จะเห็นได้จากสูตรนี้ว่าค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนของตัวกรอง LC ในอุดมคติที่ไม่ได้โหลดจะเพิ่มขึ้นอย่างไม่มีกำหนดเมื่อเข้าใกล้ความถี่ ฉ0, แล้ว, ที่ ฉ>ฉ0, ลดลงตามสัดส่วน 1/ฉ2. ที่ความถี่ต่ำ (ฉ
ตามที่ระบุไว้แล้ว การปรับพัลส์แรงดันไฟฟ้าให้เรียบโดยใช้ฟิลเตอร์ LC เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ความถี่คัตออฟฟิลเตอร์ ฉ 0 = 2/ ต่ำกว่าอัตราการเกิดซ้ำของพัลส์แรงดันอย่างมีนัยสำคัญ สภาพนี้ให้คุณเลือกความจุและความเหนี่ยวนำที่จำเป็นของตัวกรอง อย่างไรก็ตาม เรามาพูดนอกเรื่องจากสูตรและพยายามอธิบายหลักการของตัวกรองในภาษาที่ง่ายกว่า
ในขณะที่สวิตช์ไฟเปิดอยู่ (ทรานซิสเตอร์ T 1 เปิดอยู่, ทรานซิสเตอร์ T 2 ปิดอยู่) พลังงานจากแหล่งอินพุตจะถูกถ่ายโอนไปยังโหลดผ่านตัวเหนี่ยวนำ แอลซึ่งเก็บสะสมพลังงานไว้ กระแสที่ไหลผ่านวงจรจะไม่เปลี่ยนแปลงทันที แต่ค่อยๆ เนื่องจาก EMF ที่เกิดขึ้นในตัวเหนี่ยวนำจะป้องกันไม่ให้กระแสเปลี่ยนแปลง ในเวลาเดียวกันตัวเก็บประจุที่ติดตั้งขนานกับโหลดจะถูกชาร์จด้วย
หลังจากปิดสวิตช์ไฟ (ปิดทรานซิสเตอร์ T 1 ทรานซิสเตอร์ T 2 เปิดอยู่) กระแสจากสายแรงดันอินพุตจะไม่ไหลเข้าสู่ตัวเหนี่ยวนำ แต่ตามกฎของฟิสิกส์ EMF เหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นใหม่จะรักษาทิศทางปัจจุบัน นั่นคือในช่วงเวลานี้กระแสจะจ่ายให้กับโหลดจากองค์ประกอบอุปนัย เพื่อให้วงจรปิดและกระแสไหลไปยังตัวเก็บประจุที่ปรับให้เรียบและโหลดทรานซิสเตอร์ T 2 จะเปิดขึ้นโดยให้วงจรปิดและการไหลของกระแสตามเส้นทาง ตัวเหนี่ยวนำ - ความจุและโหลด - ทรานซิสเตอร์ T 2 - ตัวเหนี่ยวนำ
ตามที่ระบุไว้แล้ว การใช้ตัวกรองการปรับให้เรียบ คุณจะได้รับแรงดันไฟฟ้าที่โหลดที่เป็นสัดส่วนกับรอบการทำงานของพัลส์ควบคุม PWM อย่างไรก็ตาม เป็นที่ชัดเจนว่าด้วยวิธีการปรับให้เรียบนี้ แรงดันขาออกจะมีระลอกของแรงดันแหล่งจ่ายที่สัมพันธ์กับค่าเฉลี่ยบางส่วน (แรงดันขาออก) - มะเดื่อ 4. ขนาดของระลอกแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตขึ้นอยู่กับความถี่การสลับของทรานซิสเตอร์ ค่าของความจุและความเหนี่ยวนำ
ข้าว. 4. การกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าหลังจากปรับให้เรียบด้วยฟิลเตอร์ LC
เสถียรภาพของแรงดันเอาต์พุตและฟังก์ชันตัวควบคุม PWM
ตามที่ระบุไว้แล้ว แรงดันเอาต์พุตขึ้นอยู่กับ (สำหรับโหลด ความถี่ ความเหนี่ยวนำ และความจุที่กำหนด) บนรอบการทำงานของพัลส์ PWM เนื่องจากกระแสผ่านโหลดมีการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิก ปัญหาจึงเกิดขึ้นจากการรักษาเสถียรภาพของแรงดันขาออก ทำได้ด้วยวิธีต่อไปนี้ ตัวควบคุม PWM ที่สร้างสัญญาณการสลับทรานซิสเตอร์เชื่อมต่อกับโหลดในลูป ข้อเสนอแนะและตรวจสอบแรงดันเอาต์พุตที่โหลดอย่างต่อเนื่อง ภายในตัวควบคุม PWM จะมีการสร้างแรงดันอ้างอิงซึ่งควรจะอยู่ที่โหลด ตัวควบคุม PWM จะเปรียบเทียบแรงดันเอาต์พุตกับแรงดันอ้างอิงอย่างต่อเนื่อง และหากเกิดการไม่ตรงกัน ยูจากนั้นสัญญาณข้อผิดพลาดนี้จะใช้เพื่อเปลี่ยน (แก้ไข) รอบการทำงานของพัลส์ PWM นั่นคือการเปลี่ยนแปลงในรอบการทำงานของพัลส์ ~ ยู. ดังนั้นจึงตระหนักถึงความเสถียรของแรงดันขาออก
แน่นอน คำถามเกิดขึ้น: ตัวควบคุม PWM รู้ได้อย่างไรเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น ถ้าเราพูดถึงโปรเซสเซอร์ ก็อย่างที่คุณทราบ แรงดันไฟฟ้า รุ่นต่างๆโปรเซสเซอร์อาจแตกต่างกัน นอกจากนี้ แม้กระทั่งสำหรับโปรเซสเซอร์เดียวกัน แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้แบบไดนามิกขึ้นอยู่กับโหลดปัจจุบัน
ตัวควบคุม PWM เรียนรู้เกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าที่ระบุที่ต้องการโดยสัญญาณ VID (ตัวระบุแรงดันไฟฟ้า) สำหรับโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ อินเทล คอร์โปรเซสเซอร์ i7 ที่รองรับข้อมูลจำเพาะด้านพลังงาน VR 11.1 สัญญาณ VID คือ 8 บิต และสำหรับโปรเซสเซอร์รุ่นเก่าที่เข้ากันได้กับข้อมูลจำเพาะ VR 10.0 สัญญาณ VID คือ 6 บิต สัญญาณ VID 8 บิต (การรวมกันของ 0 และ 1) ช่วยให้คุณตั้งค่าระดับแรงดันไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์ได้ 256 ระดับ
ข้อจำกัดของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสลับเฟสเดียว
วงจรเฟสเดียวของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งที่เราพิจารณานั้นใช้งานได้ง่าย แต่มีข้อ จำกัด และข้อเสียหลายประการ
หากเราพูดถึงข้อ จำกัด ของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสลับเฟสเดียวแสดงว่า MOSFET, ตัวเหนี่ยวนำ (โช้ก) และความจุมีขีด จำกัด ของกระแสสูงสุดที่สามารถผ่านได้ ตัวอย่างเช่น สำหรับทรานซิสเตอร์ MOSFET ส่วนใหญ่ที่ใช้ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของเมนบอร์ด ขีดจำกัดปัจจุบันคือ 30 A ในขณะเดียวกัน โปรเซสเซอร์เองที่มีแรงดันไฟฟ้าประมาณ 1 V และการใช้พลังงานมากกว่า 100 W จะใช้ มากกว่า 100 A. เป็นที่ชัดเจนว่าหากใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบเฟสเดียวที่ความแรงของกระแสไฟฟ้าองค์ประกอบก็จะ "ไหม้"
หากเราพูดถึงข้อเสียของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสลับเฟสเดียวก็อยู่ในความจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกมีระลอกซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่พึงปรารถนาอย่างมาก
เพื่อเอาชนะข้อจำกัดในปัจจุบันของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่ง รวมทั้งเพื่อลดการกระเพื่อมของแรงดันเอาต์พุต จึงใช้ตัวควบคุมแรงดันสวิตชิ่งแบบโพลีเฟส
ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสลับหลายเฟส
ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสวิตชิ่งแบบโพลีเฟส แต่ละเฟสประกอบด้วยไดรเวอร์สวิตชิ่งของ MOSFET, MOSFET หนึ่งคู่ และตัวกรองการปรับให้เรียบ LC ในกรณีนี้จะใช้ตัวควบคุม PWM หลายช่องสัญญาณหนึ่งตัวซึ่งเชื่อมต่อเฟสพลังงานหลายเฟสพร้อมกัน (รูปที่ 5)
ข้าว. 5. รูปแบบโครงสร้างตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสลับหลายเฟส
แอปพลิเคชัน ตัวควบคุมเฟส Nแรงดันไฟฟ้าช่วยให้คุณสามารถกระจายกระแสไปทั่วทุกเฟสดังนั้นกระแสที่ไหลผ่านแต่ละเฟสจึงเข้า เอ็นน้อยกว่ากระแสโหลด (โดยเฉพาะโปรเซสเซอร์) ตัวอย่างเช่น หากคุณใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจ่ายโปรเซสเซอร์ 4 เฟสที่มีขีดจำกัดกระแส 30 A ในแต่ละเฟส กระแสสูงสุดที่ผ่านโปรเซสเซอร์จะเท่ากับ 120 A ซึ่งเพียงพอสำหรับโปรเซสเซอร์รุ่นใหม่ส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม หากใช้โปรเซสเซอร์ที่มี TDP 130 W หรือคาดว่าจะมีความเป็นไปได้ในการโอเวอร์คล็อกโปรเซสเซอร์ ขอแนะนำให้ใช้ไม่ใช่ 4 เฟส แต่ใช้ตัวควบคุมแรงดันจ่ายไฟของโปรเซสเซอร์สวิตชิ่ง 6 เฟส หรือใช้โช้ก ตัวเก็บประจุ และ MOSFET ออกแบบมาสำหรับกระแสที่สูงขึ้นในแต่ละเฟสการจ่ายไฟ
เพื่อลดการกระเพื่อมของแรงดันเอาต์พุตในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบหลายเฟส เฟสทั้งหมดจะทำงานพร้อมกันกับเวลา สม. กะสัมพันธ์กัน. ถ้า T คือระยะเวลาการสลับของ MOSFET (ระยะเวลาสัญญาณ PWM) และถูกใช้ เอ็นเฟส แล้วเวลาจะเปลี่ยนไปในแต่ละเฟส ที/เอ็น(รูปที่ 6) ตัวควบคุม PWM มีหน้าที่ซิงโครไนซ์สัญญาณ PWM สำหรับแต่ละเฟสด้วยการเลื่อนเวลา
ข้าว. 6. การเปลี่ยนเวลาของสัญญาณ PWM ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบโพลีเฟส
อันเป็นผลมาจากความจริงที่ว่าทุกขั้นตอนทำงานตามเวลา สการเลื่อน m สัมพันธ์กัน การกระเพื่อมของแรงดันเอาต์พุตและกระแสสำหรับแต่ละเฟสจะเลื่อนไปตามแกนเวลาที่สัมพันธ์กัน กระแสรวมที่ผ่านโหลดจะเป็นผลรวมของกระแสในแต่ละเฟส และกระแสกระเพื่อมที่ได้จะน้อยกว่ากระแสกระเพื่อมในแต่ละเฟส (รูปที่ 7)
ข้าว. 7. กระแสต่อเฟส
และส่งผลให้กระแสโหลด
ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามเฟส
ดังนั้น ข้อได้เปรียบหลักของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสลับหลายเฟสคือ ประการแรก พวกมันสามารถเอาชนะขีดจำกัดปัจจุบันได้ และประการที่สอง เพื่อลดแรงกระเพื่อมของแรงดันเอาต์พุตที่มีความจุและความเหนี่ยวนำเท่ากันของตัวกรองการปรับให้เรียบ
อุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบแยกหลายเฟสและเทคโนโลยี DrMOS
ดังที่เราได้กล่าวไว้แล้วว่าแต่ละเฟสพลังงานประกอบด้วยไดรเวอร์ควบคุม, มอสเฟตสองตัว, โช้กและตัวเก็บประจุ ในเวลาเดียวกัน คอนโทรลเลอร์ PWM หนึ่งตัวจะควบคุมเฟสพลังงานหลายเฟสพร้อมกัน โครงสร้างบนเมนบอร์ด ส่วนประกอบเฟสทั้งหมดสามารถแยกกันได้ นั่นคือมีชิปไดรเวอร์แยกต่างหาก ทรานซิสเตอร์ MOSFET สองตัวแยกจากกัน ตัวเหนี่ยวนำและความจุแยกต่างหาก วิธีการแยกนี้ถูกใช้โดยผู้ผลิตเมนบอร์ดส่วนใหญ่ (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock เป็นต้น) อย่างไรก็ตาม มีวิธีการที่แตกต่างกันเล็กน้อย แทนที่จะใช้ชิปไดรเวอร์แยกต่างหากและทรานซิสเตอร์ MOSFET สองตัว จะใช้ชิปตัวเดียวที่รวมทั้งทรานซิสเตอร์พลังงานและไดรเวอร์ เทคโนโลยีนี้พัฒนาโดย Intel และเรียกว่า DrMOS ซึ่งแปลว่า Driver + MOSFETs โดยปกติแล้วจะใช้โช้กและตัวเก็บประจุแยกกันในกรณีนี้และใช้ตัวควบคุม PWM แบบหลายช่องสัญญาณเพื่อควบคุมทุกเฟส
ปัจจุบัน เทคโนโลยี DrMOS ใช้กับเมนบอร์ด MSI เท่านั้น เป็นการยากที่จะพูดถึงข้อได้เปรียบของเทคโนโลยี DrMOS เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการจัดระเบียบเฟสพลังงานแบบแยกส่วนแบบดั้งเดิม ที่นี่ แต่ทุกอย่างขึ้นอยู่กับชิป DrMOS เฉพาะและคุณลักษณะของมัน ตัวอย่างเช่น หากเราพูดถึงบอร์ด MSI ใหม่สำหรับโปรเซสเซอร์ตระกูล Intel Core i7 ก็จะใช้ชิป Renesas R2J20602 DrMOS (รูปที่ 8) ตัวอย่างเช่นเมื่อ บอร์ดเอ็มเอสไอ Eclipse Plus ใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์ 6 เฟส (รูปที่ 9) ซึ่งใช้ตัวควบคุม PWM 6 ช่องสัญญาณ Intersil ISL6336A (รูปที่ 10) และชิป Renesas R2J20602 DrMOS
ข้าว. 8. ชิป DrMOS Renesas R2J20602
ข้าว. 9. ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าโปรเซสเซอร์หกเฟส
ขึ้นอยู่กับตัวควบคุม PWM 6 ช่องสัญญาณ Intersil ISL6336A
และ DrMOS ICs Renesas R2J20602 บนบอร์ด MSI Eclipse Plus
ข้าว. 10. คอนโทรลเลอร์ PWM หกช่องสัญญาณ
อินเตอร์ซิล ISL6336A
Renesas R2J20602 DrMOS IC รองรับความถี่การสลับ MOSFET สูงถึง 2 MHz และมีประสิทธิภาพมาก ด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุต 12 V เอาต์พุต 1.3 V และความถี่สวิตชิ่ง 1 MHz ประสิทธิภาพ 89% ขีดจำกัดปัจจุบันคือ 40 A เห็นได้ชัดว่าด้วยแหล่งจ่ายไฟของโปรเซสเซอร์หกเฟส ไมโครเซอร์กิต DrMOS จะมีกระแสสำรองอย่างน้อยสองเท่า ด้วยค่ากระแสจริง 25 A การใช้พลังงาน (ที่ปล่อยออกมาเป็นความร้อน) ของตัวชิป DrMOS นั้นอยู่ที่ 4.4 วัตต์ นอกจากนี้ยังเห็นได้ชัดว่าเมื่อใช้ชิป Renesas R2J20602 DrMOS ไม่จำเป็นต้องใช้มากกว่าหกเฟสในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์
Intel ในมาเธอร์บอร์ด Intel DX58S0 ที่ใช้ ชิปเซ็ตอินเทล X58 สำหรับโปรเซสเซอร์ Intel Core i7 ยังใช้ 6 เฟส แต่ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์แยกกัน ADP4000 ตัวควบคุม PWM แบบ 6 แชนเนลจาก On Semiconductor ใช้เพื่อควบคุมเฟสกำลังไฟฟ้า และใช้วงจรไมโคร ADP3121 เป็นไดรเวอร์ MOSFET (รูปที่ 11) คอนโทรลเลอร์ ADP4000 PWM รองรับอินเทอร์เฟซ PMBus (Power Manager Bus) และสามารถตั้งโปรแกรมสำหรับการทำงานในเฟส 1, 2, 3, 4, 5 และ 6 พร้อมความสามารถในการสลับจำนวนเฟสแบบเรียลไทม์ นอกจากนี้ เมื่อใช้อินเทอร์เฟซ PMBus คุณสามารถอ่านค่าปัจจุบันของกระแสโปรเซสเซอร์ แรงดันไฟฟ้า และการใช้พลังงาน น่าเสียดายที่ Intel ไม่ได้ใช้คุณสมบัติเหล่านี้ของชิป ADP4000 ในยูทิลิตีการตรวจสอบสถานะโปรเซสเซอร์
ข้าว. 11. ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าโปรเซสเซอร์หกเฟส
ขึ้นอยู่กับตัวควบคุม ADP4000 PWM และไดรเวอร์ ADP3121 MOSFET
บนบอร์ด Intel DX58S0 (แสดงเฟสพลังงานสองเฟส)
โปรดทราบว่าแต่ละเฟสพลังงานใช้ทรานซิสเตอร์พลังงาน MOSFET ของ On Semiconductor NTMFS4834N ที่มีขีดจำกัดกระแสไฟฟ้าที่ 130 A จึงเดาได้ง่ายว่าด้วยขีดจำกัดกระแสไฟฟ้าดังกล่าว ตัวทรานซิสเตอร์กำลังเองไม่ใช่คอขวดของเฟสกำลัง ในกรณีนี้ ขีดจำกัดปัจจุบันของเฟสการจ่ายไฟจะทำให้สำลัก ในวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าภายใต้การพิจารณาจะใช้โช้ค PULSE PA2080.161NL ที่มีขีด จำกัด กระแส 40 A แต่เป็นที่ชัดเจนว่าแม้จะมีขีด จำกัด ดังกล่าวในปัจจุบัน แหล่งจ่ายไฟหกเฟสของโปรเซสเซอร์ก็เพียงพอและมีระยะขอบขนาดใหญ่ สำหรับการโอเวอร์คล็อกโปรเซสเซอร์อย่างสุดขีด
เทคโนโลยีการสลับเฟสแบบไดนามิก
ผู้ผลิตเมนบอร์ดเกือบทั้งหมดกำลังใช้เทคโนโลยีนี้ การสลับแบบไดนามิกจำนวนเฟสพลังงานของโปรเซสเซอร์ (เรากำลังพูดถึงบอร์ดสำหรับโปรเซสเซอร์ Intel) จริงๆ แล้ว, เทคโนโลยีนี้ไม่ใช่เรื่องใหม่และได้รับการพัฒนาโดย Intel เมื่อนานมาแล้ว อย่างไรก็ตาม ตามที่ปรากฏบ่อยครั้งเทคโนโลยีนี้กลายเป็นตลาดที่ไม่มีการอ้างสิทธิ์และวางอยู่ใน "ที่เก็บ" เป็นเวลานาน และเมื่อความคิดในการลดการใช้พลังงานของคอมพิวเตอร์เข้าครอบงำจิตใจของนักพัฒนาเท่านั้น พวกเขาจำการสลับแบบไดนามิกของเฟสพลังงานของโปรเซสเซอร์ได้ ผู้ผลิตมาเธอร์บอร์ดพยายามที่จะส่งต่อเทคโนโลยีนี้เป็นของตนเองและคิดชื่อต่างๆ ขึ้นมา ตัวอย่างเช่น Gigabyte เรียกมันว่า Advanced Energy Saver (AES) ASRock เรียกมันว่า Intelligent Energy Saver (IES) ASUS เรียกมันว่า EPU และ MSI เรียกมันว่า Active Phase Switching (APS) อย่างไรก็ตาม แม้จะมีชื่อเรียกที่หลากหลาย แต่เทคโนโลยีทั้งหมดเหล่านี้ก็มีการใช้งานในลักษณะเดียวกันทุกประการ และแน่นอนว่าไม่ใช่กรรมสิทธิ์ ยิ่งไปกว่านั้น ความสามารถในการสลับเฟสพลังงานของโปรเซสเซอร์นั้นมีอยู่ในข้อมูลจำเพาะ Intel VR 11.1 และคอนโทรลเลอร์ PWM ทั้งหมดที่เข้ากันได้กับข้อมูลจำเพาะ VR 11.1 ก็รองรับ จริงๆแล้วผู้ผลิตเมนบอร์ดมีทางเลือกไม่มากนัก เหล่านี้คือตัวควบคุม PWM จาก Intersil (เช่น ตัวควบคุม PWM 6 ช่องสัญญาณ Intersil ISL6336A) หรือตัวควบคุม PWM จาก On Semiconductor (เช่น ตัวควบคุม PWM 6 ช่อง ADP4000) ตัวควบคุมจากบริษัทอื่นมีการใช้งานไม่บ่อยนัก ทั้งตัวควบคุมที่สอดคล้องกับ Intersil และ On Semiconductor VR 11.1 รองรับการสลับเฟสพลังงานแบบไดนามิก คำถามเดียวคือผู้ผลิตเมนบอร์ดใช้ความสามารถของตัวควบคุม PWM อย่างไร
ตามธรรมชาติแล้วคำถามเกิดขึ้น: เหตุใดเทคโนโลยีของการสลับเฟสพลังงานแบบไดนามิกจึงเรียกว่าการประหยัดพลังงานและประสิทธิภาพของแอปพลิเคชันคืออะไร?
ตัวอย่างเช่น พิจารณาเมนบอร์ดที่มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าโปรเซสเซอร์ 6 เฟส หากโปรเซสเซอร์ไม่ได้โหลดมาก ซึ่งหมายความว่ากระแสที่ใช้โดยโปรเซสเซอร์นั้นน้อย ค่อนข้างเป็นไปได้ที่จะได้รับพลังงานสองเฟส และความต้องการหกเฟสเกิดขึ้นเมื่อโปรเซสเซอร์ทำงานหนัก เมื่อกระแสที่ใช้โดย ถึงค่าสูงสุดแล้ว อันที่จริง เป็นไปได้ที่จะทำให้จำนวนเฟสของพลังงานที่เกี่ยวข้องสอดคล้องกับกระแสที่โปรเซสเซอร์ใช้ นั่นคือ เพื่อให้เฟสของพลังงานถูกสลับแบบไดนามิกโดยขึ้นอยู่กับโหลดของโปรเซสเซอร์ แต่การใช้พลังงานทั้งหกเฟสที่โปรเซสเซอร์ปัจจุบันไม่ง่ายกว่าหรือ ในการตอบคำถามนี้ คุณต้องคำนึงว่าตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าใด ๆ เองใช้ไฟฟ้าส่วนหนึ่งที่แปลงซึ่งปล่อยออกมาในรูปของความร้อน ดังนั้นคุณสมบัติอย่างหนึ่งของตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าคือประสิทธิภาพหรือประสิทธิภาพพลังงาน นั่นคืออัตราส่วนของพลังงานที่ถ่ายโอนไปยังโหลด (ไปยังโปรเซสเซอร์) ต่อพลังงานที่ใช้โดยตัวควบคุมซึ่งเป็นผลรวมของพลังงาน ใช้โดยโหลดและพลังงานที่ใช้โดยตัวควบคุมเอง ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับค่าปัจจุบันของกระแสโปรเซสเซอร์ (โหลด) และจำนวนเฟสพลังงานที่เกี่ยวข้อง (รูปที่ 12)
ข้าว. 12. การพึ่งพาประสิทธิภาพพลังงาน (ประสิทธิภาพ) ของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า
บนโปรเซสเซอร์ปัจจุบันที่มีจำนวนเฟสพลังงานต่างกัน
การพึ่งพาประสิทธิภาพการใช้พลังงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ากับกระแสของโปรเซสเซอร์ที่มีจำนวนเฟสพลังงานคงที่มีดังนี้ ในขั้นต้นด้วยการเพิ่มขึ้นของกระแสโหลด (ตัวประมวลผล) ประสิทธิภาพของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง นอกจากนี้ ถึงค่าประสิทธิภาพสูงสุด และด้วยกระแสโหลดที่เพิ่มขึ้นอีก ประสิทธิภาพจะค่อยๆ ลดลง สิ่งสำคัญคือค่าของกระแสโหลดซึ่งถึงค่าประสิทธิภาพสูงสุดนั้นขึ้นอยู่กับจำนวนเฟสการจ่ายดังนั้นหากใช้เทคโนโลยีการสลับเฟสแบบไดนามิกประสิทธิภาพของ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามารถรักษาระดับสูงสุดที่เป็นไปได้เสมอ
การเปรียบเทียบการพึ่งพาประสิทธิภาพการใช้พลังงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าบนกระแสของโปรเซสเซอร์สำหรับจำนวนเฟสพลังงานที่แตกต่างกัน เราสามารถสรุปได้ว่า: ที่กระแสโปรเซสเซอร์ต่ำ (โดยมีโหลดโปรเซสเซอร์เพียงเล็กน้อย) จะมีประสิทธิภาพมากกว่าหากใช้จำนวนน้อยกว่า เฟสพลังงาน ในกรณีนี้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะใช้พลังงานน้อยลงและปล่อยออกมาเป็นความร้อน ที่กระแสโปรเซสเซอร์สูง การใช้เฟสพลังงานจำนวนเล็กน้อยทำให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าลดลง ดังนั้น ในกรณีนี้ ควรใช้เฟสพลังงานจำนวนมากขึ้น
จากมุมมองทางทฤษฎี การใช้เทคโนโลยีการสลับแบบไดนามิกของเฟสพลังงานของโปรเซสเซอร์ ประการแรกควรลดการใช้พลังงานโดยรวมของระบบ และประการที่สอง การกระจายความร้อนบนตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายเอง ยิ่งไปกว่านั้น ผู้ผลิตเมนบอร์ดกล่าวว่าเทคโนโลยีนี้สามารถลดการใช้พลังงานของระบบได้มากถึง 30% แน่นอนว่า 30% เป็นตัวเลขที่นำมาจากเพดาน ในความเป็นจริงเทคโนโลยีการสลับเฟสพลังงานแบบไดนามิกสามารถลดการใช้พลังงานทั้งหมดของระบบได้ไม่เกิน 3-5% ความจริงก็คือเทคโนโลยีนี้ช่วยให้คุณประหยัดไฟฟ้าที่ใช้โดยตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น อย่างไรก็ตามผู้ใช้ไฟฟ้าหลักในคอมพิวเตอร์คือโปรเซสเซอร์, การ์ดแสดงผล, ชิปเซ็ตและหน่วยความจำและเมื่อเทียบกับพื้นหลังของการใช้พลังงานทั้งหมดของส่วนประกอบเหล่านี้การใช้พลังงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้านั้นค่อนข้างเล็ก ดังนั้น ไม่ว่าคุณจะเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าด้วยวิธีใด ก็เป็นไปไม่ได้เลยที่จะประหยัดได้มาก
การตลาด "ชิป" ของผู้ผลิต
ผู้ผลิตมาเธอร์บอร์ดพยายามอย่างสุดความสามารถเพื่อดึงดูดความสนใจของผู้ซื้อให้สนใจผลิตภัณฑ์ของตน และพิสูจน์ด้วยแรงจูงใจว่าดีกว่าของคู่แข่ง! หนึ่งใน "ชิป" ทางการตลาดเหล่านี้คือการเพิ่มเฟสพลังงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์ หากก่อนหน้านี้มีการใช้ตัวปรับแรงดันไฟฟ้า 6 เฟสบนเมนบอร์ดชั้นนำ ตอนนี้ใช้ 10, 12, 16, 18 และ 24 เฟส คุณต้องการเฟสพลังงานจำนวนมากจริงๆ หรือนี่เป็นเพียงกลไกทางการตลาด
แน่นอนว่าตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบโพลีเฟสมีข้อดีที่ไม่อาจปฏิเสธได้ แต่ก็มีข้อ จำกัด ที่สมเหตุสมผลสำหรับทุกสิ่ง ตัวอย่างเช่น ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว เฟสพลังงานจำนวนมากอนุญาตให้ใช้ส่วนประกอบกระแสต่ำ (MOSFET, โช้ก และตัวเก็บประจุ) ในแต่ละเฟสพลังงาน ซึ่งแน่นอนว่ามีราคาถูกกว่าส่วนประกอบที่จำกัดกระแสสูง อย่างไรก็ตาม ตอนนี้ผู้ผลิตเมนบอร์ดทุกรายใช้ตัวเก็บประจุโพลิเมอร์แบบแข็งและโช้กแกนเฟอร์ไรต์ ซึ่งมีขีดจำกัดกระแสไฟฟ้าอย่างน้อย 40 A MOSFET ก็มีขีดจำกัดกระแสไฟฟ้าอย่างน้อย 40 A (และเมื่อเร็วๆ นี้มีแนวโน้มไปสู่ MOSFET) ด้วย ขีดจำกัดปัจจุบัน 75 A) เป็นที่ชัดเจนว่าด้วยข้อจำกัดในปัจจุบัน การใช้เฟสพลังงานหกเฟสในแต่ละเฟสของคลื่นก็เพียงพอแล้ว ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวในทางทฤษฎีสามารถให้กระแสโปรเซสเซอร์มากกว่า 200 A ดังนั้นจึงใช้พลังงานมากกว่า 200 วัตต์ เป็นที่ชัดเจนว่าแม้จะอยู่ในโหมดการโอเวอร์คล็อกแบบสุดขีด ก็แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะได้ค่ากระแสและการใช้พลังงานดังกล่าว เหตุใดผู้ผลิตจึงสร้างตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่มี 12 เฟสขึ้นไป หากตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบหกเฟสสามารถจ่ายพลังงานให้กับโปรเซสเซอร์ในโหมดการทำงานใดก็ได้
หากเราเปรียบเทียบตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 6 และ 12 เฟส ในทางทฤษฎี เมื่อใช้เทคโนโลยีการสลับเฟสพลังงานแบบไดนามิก ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 12 เฟสจะสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างของประสิทธิภาพการใช้พลังงานจะสังเกตได้เฉพาะที่กระแสโปรเซสเซอร์สูง ซึ่งไม่สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ แต่แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะบรรลุค่ากระแสไฟฟ้าที่สูงซึ่งประสิทธิภาพพลังงานของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 6- และ 12 เฟสจะแตกต่างกัน ความแตกต่างนี้จะน้อยมากจนไม่สามารถมองข้ามได้ ดังนั้นสำหรับโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ทั้งหมดที่มีการใช้พลังงาน 130 W แม้จะอยู่ในโหมดการโอเวอร์คล็อกที่รุนแรง ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 6 เฟสก็เพียงพอสำหรับคลื่น การใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 12 เฟสไม่ได้ให้ประโยชน์ใดๆ แม้ว่าจะใช้เทคโนโลยีการสลับเฟสแบบไดนามิกก็ตาม เหตุใดผู้ผลิตจึงเริ่มสร้างตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 24 เฟสจึงไม่มีใครเดาได้ ไม่มีสามัญสำนึกในเรื่องนี้ เห็นได้ชัดว่าพวกเขาคาดหวังที่จะสร้างความประทับใจให้กับผู้ใช้ที่ไม่รู้หนังสือทางเทคนิค ซึ่งสำหรับพวกเขา "ยิ่งมากยิ่งดี"
อย่างไรก็ตาม จะเป็นประโยชน์หากทราบว่าทุกวันนี้ไม่มีคอนโทรลเลอร์ PWM แบบ 12 แชนเนลและมากกว่านั้นอีก 24 แชนเนลที่ควบคุมเฟสพลังงาน จำนวนเงินสูงสุดช่องสัญญาณในตัวควบคุม PWM คือหกช่อง ดังนั้นเมื่อใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่มีมากกว่าหกเฟส ผู้ผลิตจึงจำเป็นต้องติดตั้งตัวควบคุม PWM หลายตัวที่ทำงานพร้อมกัน จำได้ว่าสัญญาณควบคุม PWM ในแต่ละช่องสัญญาณมีความล่าช้าที่สัมพันธ์กับสัญญาณ PWM ในอีกช่องหนึ่ง แต่การชดเชยเวลาของสัญญาณเหล่านี้ถูกนำมาใช้ภายในตัวควบคุมเดียวกัน ปรากฎว่าเมื่อใช้ตัวควบคุม PWM แบบ 6 ช่องสัญญาณสองตัวเพื่อจัดระเบียบตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 12 เฟส เฟสของแหล่งจ่ายไฟที่ควบคุมโดยตัวควบคุมหนึ่งจะรวมกันเป็นคู่กับเฟสของแหล่งจ่ายไฟที่ควบคุมโดยตัวควบคุมอื่น นั่นคือ เฟสพลังงานแรกของตัวควบคุมตัวแรกจะทำงานแบบซิงโครนัส (โดยไม่มีการเลื่อนเวลา) กับเฟสพลังงานแรกของตัวควบคุมตัวที่สอง เฟสจะสลับแบบไดนามิก ส่วนใหญ่จะเป็นคู่ด้วย โดยทั่วไปแล้วนี่ไม่ใช่ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 12 เฟสที่ "ซื่อสัตย์" แต่เป็นตัวควบคุม 6 เฟสรุ่นไฮบริดที่มีสองช่องสัญญาณในแต่ละเฟส
กำลังโหลด...