Мікропроцесори є найпотужнішими споживачами енергії в сучасних комп'ютерах. Струм споживання сучасного мікропроцесора може досягати величини декількох десятків ампер. При цьому якість напруги живлення мікропроцесора є найважливішим чинником, що визначає стабільність роботи всієї системи. Про те, як виробники системних плат вирішують проблему забезпечення мікропроцесора потужним і якісним харчуванням, розповідається в статті, що пропонується вашій увазі.
Тактова частота мікропроцесорів неухильно зростає і досягає зараз вже декількох ГГц. Підвищення тактової частоти мікропроцесора супроводжується значним збільшенням споживаної ним потужності, а, відповідно, призводить і до збільшення температури кристала процесора. Крім того, на енергоспоживання мікропроцесорів впливає і підвищення кількості транзисторів на його кристалі (чим сучасніше процесор, тим більш високим ступенем інтеграції він володіє). Хоча КМОП-транзистори, що становлять основу мікропроцесорів, споживають в закритому стані мізерні струми, але коли мова йде вже про кілька мільйонів транзисторів, розташованих на кристалі процесора, то нехтувати цим вже не доводиться. Основне споживання енергії КМОП-транзистори здійснюють в момент його включення, і, природно, що чим частіше транзистори перемикаються, тим більша кількість енергії вони споживають. В результаті, мільйони транзисторів, що перемикаються з високою частотою, здатні забезпечити споживання мікропроцесором такого струму, величина якого вже доходить до 50 і більше Ампер. Таким чином, кристал процесора починає сильно розігріватися, що призводить до значного погіршення процесів перемикання транзисторів і здатне вивести їх з ладу. При цьому вирішити проблему виключно шляхом тепловідведення не вдається.
Все це змушує виробників знижувати напругу живлення мікропроцесорів, точніше, напруга живлення його ядра. Зниження напруги живлення здатне вирішити проблему потужності, що розсіюється на кристалі мікропроцесора і знизити його температуру. Якщо найперші мікропроцесори сімейства 80x86 мали напругу живлення +5 В (а вперше зниження напруги до +3.3 було застосовано в I80486), то мікропроцесори останніх поколінь вже можуть працювати при напрузі + 0.5В (див. Специфікацію VR11 від Intel).
Але справа в тому, що такі низькі напруги які не виробляються системним джерелом харчування. Нагадаємо, що на його виході формуються лише напруги + 3.3V, + 5V і + 12V. Таким чином, на системній платі повинен з'явитися власний регулятор напруги, здатний знизити ці «високовольтні» напруги до рівня, необхідного для живлення ядра процесора, тобто до величини 0.5 - 1.6 В (рис.1).
Так як цей регулятор забезпечує перетворення постійної напруги + 12В у постійну напругу, але меншого номіналу, то регулятор отримав назву DC-DC Converter (перетворювач постійного струму в постійний струм). Хочеться звернути увагу всіх фахівців, що напруга ядра процесора виробляється зараз з напруги + 12V, а не з + 5V або + 3.3V, як це могло б здатися більш логічним. Справа в тому, що напруга каналу + 12V є найбільшим, і тому в ньому можна створити значно більшу потужність при меншому значенні струму. Таким чином, в сучасних обчислювальних системах найважливішим напругою стає + 12V, і саме в цьому каналі течуть найбільші струми. Це, до речі сказати, знайшло відображення і в стандартах, що описують вимоги до системних блоків живлення, відповідно до яких, здатність навантаження каналу + 12V є максимальною. Крім того, на виході блоку живлення повинно бути два канали напруги + 12В (+ 12V1 і + 12V2), причому контроль струму в кожному з цих каналів має здійснюватися незалежно. Один з цих каналів, а саме + 12V2, призначений, як раз, для живлення ядра процесора, і до нього пред'являються найжорсткіші вимоги по стабільності і найменші допуски на відхилення від номінального значення.
Необхідно відзначити ще й наступний момент. Так як потужність, споживана процесорами, є досить великий (може досягати майже 100 Вт), то перетворення напруги необхідно здійснювати імпульсним методом. Лінійне перетворення не здатна забезпечити досить високий ККД на такій потужності, і буде призводити до значних втрат, а отже, і до нагрівання елементів перетворювача. На сьогоднішній день тільки імпульсна перетворення дозволяє отримати ефективний і економічний джерело живлення з невеликими габаритами і з прийнятною вартістю виконання. Таким чином, на системній платі знаходиться DC-DC Converter, який є імпульсним перетворювачем понижуючого типу (Step Down або Trim).
DC-DC Converter понижуючого типу
Базова схема понижуючого перетворювача постійного струму представлена на рис.2. Хочеться відзначити, що регулятори такого типу в сучасній імпортної літературі отримали назву Buck Converter або Buck Regulator. Транзистор Q1 в цій схемі є ключем, який, замикаючись / розмикаючи, створює з постійної напруги імпульсна напруга.
При цьому амплітуда формованих імпульсів дорівнює 12В. Для підвищення ефективності перетворення, Q1 повинен перемикатися з високою частотою (чим вище частота, тим ефективніше перетворення). У реальних схемах регуляторів системних плат частота перемикання транзисторів перетворювача може перебувати в діапазоні від 80 кГц до 2 МГц.
Далі, отримане імпульсна напруга згладжується дроселем L1 і електролітичним конденсатором C1. В результаті, на C1создается постійна напруга, але менші за розміром. При цьому величина створеного постійної напруги буде пропорційна ширині імпульсів, отриманих на виході Q1. Якщо транзистор Q1 відкривається на більший час, то енергія, накопичена на L1, також буде більше, що, в підсумку, призводить до підвищення напруги на C1. Відповідно, і, навпаки - при меншій тривалості відкритого стану транзистора Q1. напруга на С1 знижується. Цей метод регулювання постійної напруги отримав назву широтно-імпульсна модуляція - ШІМ (PWM - Pulse Width Modulation).
Дуже важливим елементом схеми є діод D1. Цим діодом підтримується струм навантаження, що створюється дроселем L1, в ті періоди часу, коли транзистор Q1 закритий. Іншими словами, при відкритому Q1, ток дроселя і струм навантаження забезпечується джерелом живлення, а в дроселі при цьому накопичується енергія. Після закривання транзистора Q1, струм навантаження підтримується за рахунок енергії, накопиченої на дроселі. Цей струм протікає через D1, тобто енергія дроселя витрачається на підтримання струму навантаження (див. рис.3).
Однак в практичних схемах понижувальних регуляторів, що формують потужні струми, виникають деякі проблеми. Справа в тому, що більшість діодів не володіє достатнім швидкодією, а також мають відносно великий опір відкритого p-n переходу. Все це не має вирішального значення при малих токах навантаження. А ось при великих токах, все це призводить до значних втрат, сильного розігріву діода D1, сплесків напруги і до виникнення зворотних струмів через діод при перемиканні транзистора Q1. Саме тому дана схема була доопрацьована з метою підвищення швидкодії і зниження втрат, в результаті чого замість діода D1 стали використовувати ще один транзистор - Q2 (рис.4).
Транзистор Q2, будучи МОП-транзистором, має дуже малий опір відкритого каналу і володіє високою швидкодією. Так як Q2 виконує функцію діода, то він працює синхронно з Q1, але строго в протифазі, тобто в момент замикання Q1, транзистор Q2 відкривається, і, навпаки, при відкритому Q1, транзистор Q2 - закритий (див. рис.5).
Саме таке рішення і є єдино можливим для організації перетворювачів напруги сучасних системних плат, де, як ми вже говорили, потрібні дуже великі струми для живлення процесора.
Закінчивши огляд базових технологій організації імпульсних регуляторів напруги, переходимо до розгляду практичних схем їх реалізації.
Основи організації регуляторів напруги ядра процесора
Відразу варто обмовитися, що вже досить давно виробники елементної бази почали випуск спеціалізованих мікросхем, призначених для побудови імпульсних регуляторів напруги системних плат персональних комп'ютерів. Застосування подібних спеціалізованих мікросхем дозволяє поліпшити характеристики регуляторів, забезпечити їх високу компактність і знизити вартість, як самих регуляторів, так і вартість їх розробки. На сьогоднішній день можна виділити три типи мікросхем, що використовуються в регуляторах напруги системних плат, призначених для живлення ядра процесора:
- основний контролер (Main Controller), який називають ще, як ШІМ-контролером (PWM-Controller) або регулятором напруги (Voltage Regulator);
- драйвер управління МОН-транзисторами (Synchronous-Rectifier MOSFET Driver);
- комбінований контролер, який поєднує в собі функції і ШІМ-контролера, і драйвера МОП-транзисторів.
З урахуванням різновиду використовуваних мікросхем, в сучасних системних платах ми можемо зустріти два основні варіанти побудови імпульсних регуляторів напруги для живлення ядра процесора.
I варіант. Цей варіант характерний для застосування в системних платах початкового рівня, що відрізняються невисокою продуктивністю, тобто він, найчастіше, застосовується на системних платах, в яких не передбачено використання високопродуктивних і потужних процесорів. У цьому варіанті управління силовими транзисторами перетворювача здійснюється мікросхемою комбінованого контролера. Ця мікросхема забезпечує виконання таких функцій:
- зчитування стану сигналів ідентифікації напруги живлення процесора (VIDn);
- формування ШІМ-сигналів для синхронного управління силовими МОП-транзисторами;
- контроль величини формованого напруги живлення;
- здійснення струмового захисту силових МОП-транзисторів;
- формування сигналу, що підтверджує правильну роботу регулятора і наявність на його виході коректного напруги для живлення ядра процесора (сигнал PGOOD).
Приклад такого варіанту регулятора напруги представлений на рис.6. У цьому випадку, як ми бачимо, силові транзистори безпосередньо підключені до виходів мікросхеми комбінованого контролера. В якості такого контролера досить часто використовувалася мікросхема HIP6004.
II варіант. Цей варіант характерний для системних плат, призначених для роботи з високопродуктивними процесорами. Так як високопродуктивний процесор має на увазі споживання великих струмів, то регулятор напруги роблять багатоканальним (рис.7).
Наявність декількох каналів дозволяє зменшити величину струму кожного каналу, тобто зменшити струми, комутовані МОП-транзисторами. Це, в свою чергу, підвищує надійність всієї схеми і дозволяє використовувати менш потужні транзистори, що позитивно позначається на вартості, як самого регулятора, так і системної плати в цілому.
Даний варіант регулятора характеризується використанням двох типів мікросхем: головного ШІМ-контролера і драйверів МОП-транзисторів. Синхронне управління МОП-транзисторами здійснюється драйверами, кожен з яких може управляти як однією, так і двома парами транзисторів. Драйвер забезпечує протифазне перемикання транзисторів відповідно до вхідного сигналу (найчастіше позначається PWM), який визначає частоту перемикання і час відкритого стану транзисторів. Кількість мікросхем драйверів відповідає кількості каналів імпульсного регулятора.
Управління всіма драйверами, здійснює головний контролер (Main Controller), до основних функцій якого можна віднести:
- формування імпульсів для управління драйверами МОП-транзисторів;
- зміна ширини цих керуючих імпульсів з метою стабілізації вихідної напруги регулятора;
- контроль величини вихідної напруги регулятора;
- забезпечення струмового захисту МОП-транзисторів;
- зчитування стану сигналів ідентифікації напруги живлення процесора (VIDn).
Крім цих функцій, можуть виконуватися і інші, допоміжні функції, наявність яких буде визначатися типом використовуваного головного контролера.
Загальна схема подібного регулятора напруги представлена на рис.8. Більшість сучасних головних контролерів є 4-х канальними, тобто мають 4 вихідних сигнали PWM для керування транзисторними драйверами.
Отже, на поточний момент часу, регулятори напруги для ядра процесора можуть бути 2-х канальними, 3-х канальними та 4-х канальними.
Приклад реалізації 2-х канального регулятора представлений на рис.9. Цей регулятор побудований з використанням мікросхеми Main Controller типу HIP6301, який, в принципі є чотирьохканальним, але два каналу залишилися незадіяними.
Як драйверів ключів в даній схемі використані мікросхеми HIP6601B.
Приклад реалізації 4-х канального регулятора з використанням того ж самого Main Controller'а представлений на рис.10.
Контролер HIP6301 декодує напруга ядра процесора з урахуванням 5-розрядного ідентифікаційного коду (VID0 - VID4) і формує вихідні ШІМ-імпульси з частотою до 1.5 МГц. Крім того, їм формується сигнал PGOOD (гарне харчування) в тому випадку, якщо напруга ядра процесора, сформований регулятором напруги, відповідає значенню, заданому за допомогою сигналів VIDn.
Особливості багатоканальних регуляторів
При використанні багатоканальних регуляторів напруги можна відзначити кілька проблем, які доводиться вирішувати розробникам системних плат. Справа в тому, що кожен канал являє собою імпульсний регулятор, який, перемикаючись з високою частотою, створює на своєму виході імпульси струму. Ці імпульси, природно, повинні згладжуватися, і для цього використовуються електролітичні конденсатори і дроселі. Але справа в тому, що через велику струмового навантаження, ємності конденсаторів і індуктивності дроселів, все-таки, не вистачає для створення дійсно постійної напруги, в результаті чого, на шині живлення процесора спостерігаються пульсації (рис.11). Причому від цих пульсацій не рятує ні збільшення кількості конденсаторів, ні збільшення ємності конденсаторів і індуктивності дроселів, ні збільшення частоти перетворення (якщо тільки не говорити про збільшення частоти в кілька разів). Природно, що ці пульсації здатні привести до нестабільної роботи процесора.
Вихід з проблеми, як раз, знайдений у використанні багатоканальної архітектури регулятора напруги. Але тільки лише використанням декількох паралельних каналів вирішити проблему, все одно, не вдасться. Необхідно зробити так, щоб ключі різних каналів переключалися з фазовим зсувом, тобто вони повинні відкриватися по черзі. Це дозволить зробити так, що кожен канал буде підтримувати вихідний струм регулятора в строго відведений період часу. Іншими словами, згладжують конденсатори будуть заряджатися постійно, але від різних каналів в різні моменти часу. Так, наприклад, при використанні 4-х канального регулятора, вихідні конденсатори заряджаються чотири рази за один тактовий період контролера, тобто імпульсні струми окремих каналів зміщені по фазі один відносно одного на 90 ° (див. рис.12). Це відповідає збільшенню частоти перетворення в 4 рази, і якщо частота перемикання транзисторів кожного каналу дорівнює 0.5 МГц, то частота імпульсів на згладжуючому конденсаторі становитиме вже 2 МГц.
Таким чином, ШІМ-імпульси, які формуються на виході мікросхеми головного контролера (вихідні сигнали PWM), повинні слідувати з певним фазовим зсувом і це фазовий зсув визначається внутрішньою архітектурою мікросхеми і задається, як правило, вже на етапі проектування мікросхеми. Але деякі контролери дозволяють конфігурувати їх під різні режими роботи: 2-фазну, 3-фазне або 4-фазну управління (про те, як це робиться можна дізнатися в описах на самі контролери).