МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК

Микропроцессоры являются самыми мощными потребителями энергии в современных компьютерах. Ток потребления современного микропроцессора может достигать величины нескольких десятков ампер. При этом качество питающего напряжения микропроцессора является важнейшим фактором, определяющим стабильность работы всей системы. О том, как производители системных плат решают проблему обеспечения микропроцессора мощным и качественным питанием, рассказывается в статье, предлагаемой вашему вниманию.

 

Преамбула

Тактовая частота микропроцессоров неуклонно растет и достигает сейчас уже нескольких ГГц. Повышение тактовой частоты микропроцессора сопровождается значительным увеличением потребляемой им мощности, а, соответственно, приводит и к увеличению температуры кристалла процессора. Кроме того, на энергопотребление микропроцессоров оказывает влияние и повышение количества транзисторов на его кристалле (чем современнее процессор, тем более высокой степенью интеграции он обладает). Хотя КМОП-транзисторы, составляющие основу микропроцессоров, потребляют в закрытом состоянии мизерные токи, но когда речь идет уже о нескольких миллионах транзисторов, расположенных на кристалле процессора, то пренебрегать этим уже не приходится. Основное потребление энергии КМОП-транзисторы осуществляют в момент его включения, и, естественно, что чем чаще транзисторы переключаются, тем большее количество энергии они потребляют. В результате, миллионы транзисторов, переключающихся с высокой частотой, способны обеспечить потребление микропроцессором такого тока, величина которого уже доходит до 50 и более Ампер. Таким образом, кристалл процессора начинает сильно разогреваться, что приводит к значительному ухудшению процессов переключения транзисторов и способно вывести их из строя. При этом решить проблему исключительно путем теплоотвода не удается.

Все это вынуждает производителей снижать питающее напряжение микропроцессоров, точнее, напряжение питания его ядра. Снижение питающего напряжения способно решить проблему мощности, рассеиваемой на кристалле микропроцессора и понизить его температуру. Если самые первые микропроцессоры семейства 80x86 имели питающее напряжение +5В (а впервые снижение напряжения до +3.3В было применено в I80486), то микропроцессоры последних поколений уже могут работать при питающем напряжении +0.5В (см. спецификацию VR11 от Intel).

Но дело в том, что такие низкие напряжения не вырабатываются системным источником питания. Напомним, что на его выходе формируются лишь напряжения +3.3V, +5V и +12V. Таким образом, на системной плате должен появиться собственный регулятор напряжения, способный понизить эти «высоковольтные» напряжения до уровня, необходимого для питания ядра процессора, т.е. до величины 0.5 – 1.6 В (рис.1).

Рис.1

Так как этот регулятор обеспечивает преобразование постоянного напряжения +12В в постоянное напряжение, но меньшего номинала, то регулятор получил название DC-DC Converter (преобразователь постоянного тока в постоянный ток). Хочется обратить внимание всех специалистов, что напряжение ядра процессора вырабатывается сейчас из напряжения +12V, а не из +5V или +3.3V, как это могло бы показаться более логичным. Дело в том, что напряжение канала +12V является наибольшим, и поэтому в нем можно создать значительно большую мощность при меньшем значении тока. Таким образом, в современных вычислительных системах важнейшим напряжением становится +12V, и именно в этом канале текут наибольшие токи. Это, кстати сказать, нашло отражение и в стандартах, описывающих требования к системным блокам питания, в соответствии с которыми, нагрузочная способность канала +12V является максимальной. Кроме того, на выходе блока питания должно быть два канала напряжения +12В (+12V1 и +12V2), причем контроль тока в каждом из этих каналов должен осуществляться независимо. Один из этих каналов, а именно +12V2, предназначен, как раз, для питания ядра процессора, и к нему предъявляются самые жесткие требования по стабильности и самые малые допуски на отклонения от номинального значения.

Необходимо отметить еще и следующий момент. Так как мощность, потребляемая процессорами, является достаточно большой (может достигать почти 100 Вт), то преобразование напряжения необходимо осуществлять импульсным методом. Линейное преобразование не способно обеспечить достаточно высокий КПД на такой мощности, и будет приводить к значительным потерям, а следовательно, и к нагреву элементов преобразователя. На сегодняшний день только импульсное преобразование позволяет получить эффективный и экономичный источник питания с небольшими габаритами и с приемлемой стоимостью исполнения. Таким образом, на системной плате находится DC-DC Converter, являющийся импульсным преобразователем понижающего типа (Step Down или Trim).

DC-DC Converter понижающего типа

Базовая схема понижающего преобразователя постоянного тока представлена на рис.2. Хочется отметить, что регуляторы такого типа в современной импортной литературе получили название Buck Converter или Buck Regulator. Транзистор Q1 в этой схеме является ключом, который, замыкаясь/размыкаясь, создает из постоянного напряжения импульсное напряжение.

Рис.2

При этом амплитуда формируемых импульсов равна 12В. Для повышения эффективности преобразования, Q1 должен переключаться с высокой частотой (чем выше частота, тем эффективнее преобразование). В реальных схемах регуляторов системных плат частота переключения транзисторов преобразователя может находиться в диапазоне от 80 кГц до 2 МГц.

Далее, полученное импульсное напряжение сглаживается дросселем L1 и электролитическим конденсатором C1. В результате, на C1создается постоянное напряжение, но меньшей величины. При этом величина созданного постоянного напряжения будет пропорциональна ширине импульсов, полученных на выходе Q1. Если транзистор Q1 открывается на большее время, то энергия, накопленная на L1, также будет больше, что, в итоге, приводит к повышению напряжения на C1. Соответственно, и, наоборот – при меньшей длительности открытого состояния транзистора Q1 , напряжение на С1 снижается. Этот метод регулирования постоянного напряжения получил название широтно-импульсная модуляция - ШИМ (PWM – Pulse Width Modulation).

Очень важным элементом схемы является диод D1. Этим диодом поддерживается ток нагрузки, создаваемый дросселем L1, в те периоды времени, когда транзистор Q1 закрыт. Другими словами, при открытом Q1, ток дросселя и ток нагрузки обеспечивается источником питания, а в дросселе при этом накапливается энергия. После закрывания транзистора Q1, ток нагрузки поддерживается за счет энергии, накопленной на дросселе. Этот ток протекает через D1, т.е. энергия дросселя расходуется на поддержание тока нагрузки (см. рис.3).

Рис.3

Однако в практических схемах понижающих регуляторов, формирующих мощные токи, возникают некоторые проблемы. Дело в том, что большинство диодов не обладает достаточным быстродействием, а также имеют относительно большое сопротивление открытого p-n перехода. Все это не имеет решающего значения при малых токах нагрузки. А вот при больших токах, все это приводит к значительным потерям, сильному разогреву диода D1, всплескам напряжения и к возникновению обратных токов через диод при переключениях транзистора Q1. Именно поэтому данная схема была доработана с целью повышения быстродействия и снижения потерь, в результате чего вместо диода D1 стали использовать еще один транзистор – Q2 (рис.4).

Рис.4

Транзистор Q2, являясь МОП-транзистором, имеет очень малое сопротивление открытого канала и обладает высоким быстродействием. Так как Q2 выполняет функцию диода, то он работает синхронно с Q1, но строго в противофазе, т.е. в момент запирания Q1, транзистор Q2 открывается, и, наоборот, при открытом Q1, транзистор Q2 – закрыт (см. рис.5).

Рис.5

Именно такое решение и является единственно возможным для организации преобразователей напряжения современных системных плат, где, как мы уже говорили, требуются очень большие токи для питания процессора.

Закончив обзор базовых технологий организации импульсных регуляторов напряжения, переходим к рассмотрению практических схем их реализации.

 

Основы организации регуляторов напряжений ядра процессора

Сразу стоит оговориться, что уже достаточно давно производители элементной базы начали выпуск специализированных микросхем, предназначенных для построения импульсных регуляторов напряжения системных плат персональных компьютеров. Применение подобных специализированных микросхем позволяет улучшить характеристики регуляторов, обеспечить их высокую компактность и снизить стоимость, как самих регуляторов, так и стоимость их разработки. На сегодняшний день можно выделить три типа микросхем, использующихся в регуляторах напряжения системных плат, предназначенных для питания ядра процессора:

- основной контроллер (Main Controller), который называют еще, как ШИМ-контроллером (PWM-Controller) или регулятором напряжения (Voltage Regulator);

- драйвер управления МОП-транзисторами (Synchronous-Rectifier MOSFET Driver);

- комбинированный контроллер, совмещающий в себе функции и ШИМ-контроллера, и драйвера МОП-транзисторов.

С учетом разновидности используемых микросхем, в современных системных платах мы можем встретить два основных варианта построения импульсных регуляторов напряжения для питания ядра процессора.

I вариант. Этот вариант характерен для применения в системных платах начального уровня, отличающихся невысокой производительностью, т.е. он, чаще всего, применяется на системных платах, в которых не предусмотрено использование высокопроизводительных и мощных процессоров. В этом варианте управление силовыми транзисторами преобразователя осуществляется микросхемой комбинированного контроллера. Эта микросхема обеспечивает выполнение следующих функций:

- считывание состояния сигналов идентификации питающего напряжения процессора (VIDn);

- формирование ШИМ-сигналов для синхронного управления силовыми МОП-транзисторами;

- контроль величины формируемого напряжения питания;

- осуществление токовой защиты силовых МОП-транзисторов;

- формирование сигнала, подтверждающего правильную работу регулятора и наличие на его выходе корректного напряжения для питания ядра процессора (сигнал PGOOD).

Пример такого варианта регулятора напряжения представлен на рис.6. В этом случае, как мы видим, силовые транзисторы непосредственно подключены к выходам микросхемы комбинированного контроллера. В качестве такого контроллера достаточно часто использовалась микросхема HIP6004.

Рис.6

II вариант. Этот вариант характерен для системных плат, предназначенных для работы с высокопроизводительными процессорами. Так как высокопроизводительный процессор подразумевает потребление больших токов, то регулятор напряжения делают многоканальным (рис.7).

Рис.7

Наличие нескольких каналов позволяет уменьшить величину тока каждого канала, т.е. уменьшить токи, коммутируемые МОП-транзисторами. Это, в свою очередь, повышает надежность всей схемы и позволяет использовать менее мощные транзисторы, что положительно сказывается на стоимости, как самого регулятора, так и системной платы в целом.

Данный вариант регулятора характеризуется использованием двух типов микросхем: главного ШИМ-контроллера и драйверов МОП-транзисторов. Синхронное управление МОП-транзисторами осуществляется драйверами, каждый из которых может управлять как одной, так и двумя парами транзисторов. Драйвер обеспечивает противофазное переключение транзисторов в соответствии с входным сигналом (чаще всего обозначается PWM), который определяет частоту переключения и время открытого состояния транзисторов. Количество микросхем драйверов соответствует количеству каналов импульсного регулятора.

Управления всеми драйверами, осуществляет главный контроллер (Main Controller), к основным функциям которого можно отнести:

- формирование импульсов для управления драйверами МОП-транзисторов;

- изменение ширины этих управляющих импульсов с целью стабилизации выходного напряжения регулятора;

- контроль величины выходного напряжения регулятора;

- обеспечение токовой защиты МОП-транзисторов;

- считывание состояния сигналов идентификации питающего напряжения процессора (VIDn).

Кроме этих функций, могут выполняться и другие, вспомогательные функции, наличие которых будет определяться типом используемого главного контроллера.

Общая схема подобного регулятора напряжения представлена на рис.8. Большинство современных главных контроллеров являются 4-х канальными, т.е. имеют 4 выходных сигнала PWM для управления транзисторными драйверами.

Рис.8

Итак, на текущий момент времени, регуляторы напряжения для ядра процессора могут быть 2-х канальными, 3-х канальными и 4-х канальными.

Пример реализации 2-х канального регулятора представлен на рис.9. Этот регулятор построен с использованием микросхемы Main Controller типа HIP6301, который, в принципе является четырехканальным, но два канала остались незадействованными.

Рис.9

В качестве драйверов ключей в данной схеме использованы микросхемы HIP6601B.

Пример реализации 4-х канального регулятора с использованием того же самого Main Controller'а представлен на рис.10.

Рис.10

Контроллер HIP6301 декодирует напряжение ядра процессора с учетом 5-разрядного идентификационного кода (VID0 – VID4) и формирует выходные ШИМ-импульсы с частотой до 1.5 МГц. Кроме того, им формируется сигнал PGOOD (хорошее питание) в том случае, если напряжение ядра процессора, сформированное регулятором напряжения, соответствует значению, заданному с помощью сигналов VIDn.

 

Особенности многоканальных регуляторов

При использовании многоканальных регуляторов напряжения можно отметить несколько проблем, которые приходится решать разработчикам системных плат. Дело в том, что каждый канал представляет собой импульсный регулятор, который, переключаясь с высокой частотой, создает на своем выходе импульсы тока. Эти импульсы, естественно, должны сглаживаться, и для этого используются электролитические конденсаторы и дроссели. Но дело в том, что из-за большой токовой нагрузки, емкости конденсаторов и индуктивности дросселей, все-таки, не хватает для создания действительно постоянного напряжения, в результате чего, на шине питания процессора наблюдаются пульсации (рис.11). Причем от этих пульсаций не спасает ни увеличение количества конденсаторов, ни увеличение емкости конденсаторов и индуктивности дросселей, ни увеличение частоты преобразования (если только не говорить об увеличении частоты в несколько раз). Естественно, что эти пульсации способны привести к нестабильной работе процессора.

Рис.11

Выход из проблемы, как раз, найден в использовании многоканальной архитектуры регулятора напряжения. Но только лишь использованием нескольких параллельных каналов решить проблему, все равно, не удастся. Необходимо сделать так, чтобы ключи разных каналов переключались с фазовым смещением, т.е. они должны открываться поочередно. Это позволит сделать так, что каждый канал будет поддерживать выходной ток регулятора в строго отведенный период времени. Другими словами, сглаживающие конденсаторы будут подзаряжаться постоянно, но от разных каналов в разные моменты времени. Так, например, при использовании 4-х канального регулятора, выходные конденсаторы подзаряжаются четыре раза за один тактовый период контроллера, т.е. импульсные токи отдельных каналов смещены по фазе друг относительно друга на 90° (см. рис.12). Это соответствует увеличению частоты преобразования в 4 раза, и если частота переключения транзисторов каждого канала равна 0.5 МГц, то частота импульсов на сглаживающем конденсаторе будет составлять уже 2 МГц.

Рис.12

Таким образом, ШИМ-импульсы, которые формируются на выходе микросхемы главного контроллера (выходные сигналы PWM), должны следовать с определенным фазовым смещением и это фазовое смещение определяется внутренней архитектурой микросхемы и задается, как правило, уже на этапе проектирования микросхемы. Но некоторые контроллеры позволяют конфигурировать их под разные режимы работы: 2-фазное, 3-фазное или 4-фазное управление (о том, как это делается можно узнать в описаниях на сами контроллеры).