Технология изготовления процессоров не стоит на месте, и каждый год производители выпускают новые технологичные решения на замену старым. Так, например, с каждым годом растет спрос на более мощные и производительные центральные процессоры, которые обеспечивают высокое быстродействие и большую вычислительную мощность, необходимую для самых разнообразных энерго- и ресурсозатратных задач. Чтобы раскрыть весь потенциал таких процессоров, инженеры и производители улучшают схемотехническую составляющую материнских плат ежегодно, добавляя новые технологичные решения.
Основным параметром материнской платы, на который в первую очередь стоит смотреть при выборе материнской платы, является ее система питания процессора, или же зона VRM. VRM (Voltage Regulator Module) — это один из самых энергоемких элементов материнской платы, с его помощью осуществляется необходимое питание процессора, то есть задача заключается в том, чтобы свести к минимуму скачки мощности при изменении нагрузки на центральный процессор, чтобы обеспечить его дальнейшую бесперебойную работу.
Цепь питания материнской платы состоит из следующих компонентов: контроллер, драйвер, MOSFET-транзисторы, дроссели и конденсаторы. Структурная схема цепи питания материнской платы приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема однофазной цепи питания
У каждого из компонентов цепи питания имеется свое предназначение:
– PWM-контроллер — это чип, рассчитывающий с каким сдвигом по времени будет работать та или иная фаза. Именно он является центром всей подсистемы питания процессора.
– Драйвер — устройство, выполняющее операции контроллера по открытию и закрытию полевого транзистора.
– MOSFET-транзисторы — это полевые транзисторы со структурой «металл-оксид-полупроводник» выполняют роль тумблера, регулирующего подачу тока в цепь питания процессора.
– Дроссели — катушки индуктивности, стабилизирующие напряжение.
– Конденсатор — радиоэлемент, помогающий стабилизировать напряжение и уменьшить пульсации
Катушка индуктивности в совокупности с конденсатором образуют сглаживающий LC-фильтр (фильтр низких частот) именно благодаря ему все переходные процессы начинают протекать с меньшей скоростью во времени, как следствие он позволяет эффективно бороться от скачков напряжений и уменьшить пульсации.
Современным процессорам для стабильной работы необходимо напряжение питания ниже 1,5 Вольт. Блок питания преобразует переменное напряжение сети 220–230 Вольт в несколько постоянных напряжений, номиналом 12, 5 и 3,3 Вольт. Именно для питания центрального процессора отведена двенадцативольтовая линия. Но как же происходит преобразование с 12 Вольт до 1–1,5 Вольт? В блоках питания используются DC-DC преобразователи, основанные на ШИМ (широтно-импульсной модуляции) и именно они помогают регулировать напряжение.
В своем схемотехническом исполнении блок питания должен иметь импульсный преобразователь напряжения. Роль такого преобразователя заключается в стабилизации напряжения, в котором регулирующий элемент работает в импульсном режиме, то есть периодически открывается и закрывается. Общий смысл его работы следующий: на вход подается постоянное напряжение 12 Вольт, предположим, что за секунду первую одну шестую времени будет 12 Вольт, а оставшийся пять шестых секунды 0 Вольт, то в среднем получим значение в 2 Вольта. Далее, необходимо полученный сигнал пропустить через сглаживающий LC-фильтр, что в итоге приводит к тому, что на выходе получается некое постоянное напряжение и некое подобие относительно высокого КПД. Если говорить кратко — это и есть принцип работы импульсного преобразователя напряжения. Но у такого преобразователя имеются два существенных недостатка:
– Пульсации. Сигнал, пройдя через LC-фильтр, будет иметь определенные пульсации. Это связанно с тем, что не существует идеальных LC-фильтров — гармоники никогда не подавляются полностью. Решается эта проблема двумя способами. Первый заключается в том, чтобы делать импульсы пропорционально чаще и при этом короче по длине, то в итоге получится короче промежуток времени, на котором происходит сглаживание. Второй способ борьбы с пульсациями это равномерное смещение промежутков включения каждой цепи питания.
– Ограничение по величине тока. Решается эта проблема с недостатком пропускной способности по току путем установки нескольких цепей питания, то есть просто увеличивать количество транзисторах сборок. Это позволяет ставить более мощные процессоры в материнскую плату и подвергать их «разгону» по частоте.
Цепи питания со смещением импульсов друг относительно друга называются фазами питания, наглядный пример изображен на рисунке 2. Существуют материнские платы, в которых число цепей и фаз питания равны друг другу, это в случае если все цепи питания разнесены друг относительно друга по фазам. В таком случае каждая цепь имеет свою уникальную фазу в работе. Так же встречаются случаи, когда число фаз и число цепей питания разное. Например, материнская плата, у которой существует 4 цепи питания, но две пары из них синфазны, то есть имеют совпадающие фазы. То у такой материнской платы 4 цепи питания, но при этом всего 2 фазы питания. С точки зрения ограничения по величине тока, что у первого варианта материнской платы, что у второго — проблем не будет. Но с точки зрения уменьшения пульсаций, первый вариант материнской платы, где имеется 4 цепи питания и 4 фазы питания, будет предпочтительней, чем материнская плата, в которой всего 4 цепи питания и 2 фазы питания.
Рис. 2. Пример схемы цепи питания со смещенными фазами питания друг относительно друга
В материнских платах используют технологию сдвоенных фаз. Количество фаз определяет PWM-контроллер. В современных материнских платах после каждого контроллера устанавливается делитель или дублер. Он разделяет сигнал на два потока, каждый из которых направляется к собственной цепочке, состоящей из драйвера, ключа и фильтра. Такое решение позволяет существенно увеличить общую мощность цепи питания, и параллельно снизить количество проходящего через каждую цепочку тока, соответственно увеличить срок службы материнской платы, а также снизить температуры при высоких нагрузках. Но у этого решения есть минус: сигнал существенно теряет в стабильности, поскольку временного смещения у пары потоков от одной фазы не будет. Таким образом 16-фазная система питания и цепь на 8 сдвоенных фаз у материнских плат на одном чипсете — это фактически одно и то же.
Так же стоит уделить отдельное внимание радиаторам цепей питания материнской платы. Так как ценовой сегмент материнских плат огромен, на рынке можно встретить платы как с радиатором в зоне VRM, так и без них. Предпочтительнее выбирать плату, где уже с завода установлены радиаторы охлаждения, так как такое решение способно сохранить и продлить срок службы компьютера, в частности это касается того, будем ли мы использовать мощный процессор и подвергать его «разгону». Если вы обычный пользователь, и не собираетесь проводить никаких махинаций с процессором, вам могут подойти материнские платы, не имеющие радиаторов в зоне цепей питания. Так, например, если установить мощный процессор, имеющий много ядер и потоков, в слабую материнскую плату, у которой слабая система питания и отсутствует радиатор в зоне VRM, возможно получить два исхода.
Первый исход, когда перегреваются электронные ключи и процессор перейдет в режим троттинга. Троттлинг — это принудительное ограничение быстродействия процессора и его вычислительной мощности путем снижения его частоты или пропуска тактов.
Второй исход при повышении температуры MOSFET-транзистора — это «пробой» верхнего или нижнего плеча. В случае, если первым «пробьет» нижнее плечо, то питание процессора закоротится на корпус. Если выйдет из строя верхнее плечо, то напряжение питания пройдет через дроссель на процессор, а он в свою очередь выйдет из строя.
Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод, что выбор материнской платы при сборке компьютера очень ответственный шаг. уже отталкиваться от этого выбора к тому, какой процессор к ней докупить. Подсистема фаз питания играет ключевую роль в обеспечении стабильности и долговечности работы компьютера. Учитывая это при выборе материнской платы, открывается возможность не только оптимизировать работу процессора, но и значительно продлить срок службы всех компонентов системы. Стоит понимать для каких целей вы покупаете, ту или иную материнскую плату и уже отталкиваться от этого выбора к тому, какой процессор к ней приобрести.
Литература:
- Красников Г. Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов Издание 2-е, исправленное Москва: Техносфера, 2011–800 с.
- Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1977–672 с.
- Нефедоров А. В., Аксенов А. И. Транзисторы для бытовой, промышленной и специальной аппаратуры. Справочное пособие. — М.: СОЛОН- Пресс, 2006–600 с.
- Рудометов Е., Рудометов В. Материнские платы и чипсеты — СПб: Питер, 2000. — 256 с.
