Аспекты надежности

Материал из Wiki.ROM.by
Перейти к: навигация, поиск

Содержание

Алюминиевые электролиты

Танталовые конденсаторы

OS-CON

Полимерные

Примеры применения полимерных конденсаторов. Апгрейд матплат. /* Здесь надо добавить текст от Николай_александрович */

Старая модель платы с обычными электролитами
Новая - с полимерными конденсаторами

Фирма ADVANTECH для решения проблемы перегрева полевых транзисторов в новых версиях системных плат использует полимерные конденсаторы, что делает плату более надёжной при работе при высоких температурах. Это ещё раз доказывает, что полимерные конденсаторы со временем постепенно вытеснят и заменят устаревшие алюминиевые электролитические конденсаторы.
Касательно дружбы обычных электролитов и полимеров

GA-K8N51GMF.JPG

Слева полимер 820mF x 2,5V, справа две штуки обычных 3300mF x 6,3V Мамка GIGABYTE GA-K8N51GMF rev 1.0


Есть ТРИ основополагающих фактора, приводящих к выходу электролитов из строя на мат платах

Далее идут подпункты в порядке убывания важности

Качество конденсатора

Температура окружающей среды

Время работы

Все остальные факторы - качество БП, керамика (кроме минимально необходимой), разводка плата, и тд, и тп - играют роль на порядок меньше этих пунктов. Это выстрадано огромной статистикой. Когда единого мнения не вырабатывается - обратитесь к практикам.

Напайка керамики на электролиты

Внимание! Все написанное ниже не является руководством к действию.
Все действия вы предпринимаете на свой страх и риск, полностью осознавая их
потенциальную опасность. Автор не несет ответственности за вред, причиненный вашему
имуществу или данным, связанный с данной публикацией. 
Кроме шуток, речь идет о действительно опасных вещах... 

Учитывая значительный интерес, проявляемый к данной теме и разбросанность советов по топикам/постам (искал, где лежит всё вместе, да не нашел - наверное, плохо искал. Да и интернет у меня в редко-урывочном режиме, не обессудьте...), хотелось бы представить Вашему вниманию данные заметки. Оговорюсь сразу, что всё изложенное далее является моим личным мнением, не претендующим на полноту описания или теоретическую строгость. Знающие и подкованные в данном вопросе люди всегда могут меня поправить/дополнить, т.к. всё известно давно и широко. Рассматривайте написанное как рассуждения на заданную тему.

К вопросу о применении керамических конденсаторов в цепях питания материнских (и иных компьютерных) плат.

Цепи питания

1. Условимся, что речь идет о цепях питания, в которых имеется:

  • высокочастотный импульсный стабилизатор (собственно "источник" питания),
  • емкостной фильтр-накопитель (те самые электролитические конденсаторы),
  • потребитель энергии, который может скачкообразно изменять потребляемый ток во многие десятки раз за мизерный промежуток времени (CPU, GPU, RAM, чипсет и т.п.).

Применение

2. Применение керамических конденсаторов в цепях питания на платах компьютерной техники обычно преследует три масштабные цели:

  • сглаживание высокочастотных пульсаций на выходе импульсного стабилизатора;
  • обеспечение нормального режима по питанию для потребителя.
  • обеспечение приемлемого температурного режима для электролитических

конденсаторов (далее - электролитов) фильтра питания.

Могут возразить, что первые две цели суть одно и то же - отнюдь! Во всяком случае с учетом п.1 это совсем не так. Думаю, вы со мной в этом согласитесь, прочитав материал до конца. Разберем по порядку.

Сглаживание пульсаций

3. Сглаживание высокочастотных пульсаций. Общеизвестно, что импульсный стабилизатор передает энергию не постоянно (как это делают т.н. компенсационные стабилизаторы), а порциями (импульсами), следующими с большой частотой (от ~500 килогерц и выше, вплоть до единиц мегагерц на современных платах - прогресс шагает в сторону повышения частоты преобразования для уменьшения габаритов/массы/стоимости). Для точного получения требуемого напряжения эти порции/импульсы надо усреднить, что и призваны делать фильтрующие конденсаторы. Ответственный разработчик обязательно поставит на выход импульсного стабилизатора керамику. На таких частотах электролиты абсолютно непригодны (причины этого рассмотрим ниже), да и требуемая ёмкость совсем невелика, если расчет вести исходя только из частоты преобразования и максимального тока потребления.

Обеспечение нормального режима

4. Обеспечение нормального режима по питанию для потребителя. Для чего же производители (даже китайские!) тратятся на электролиты, спросите вы? Причин этому две:

  • скачкообразный характер изменения тока нагрузки в широких пределах;
  • конечная скорость реакции стабилизатора на эти изменения из-за инерционности (запаздывания) его цепи регулирования (обратной связи). Т.е. если процессор вдруг запустился на полную мощность, то ток, возросший за микросекунды с, допустим, 20 до 80 Ампер, способен запросто просадить напряжение почти до нуля (грубо говоря, в 4 раза), пока стабилизатор начнёт реагировать на возросший аппетит своего протеже. Естественно, это приведет к сбою.

Итак, возникает настоятельная потребность в энергоаккумуляторе, который будет способен удовлетворять возросший аппетит потребителя до тех пор, пока система регулирования стабилизатора не "спохватится" и не увеличит количество энергии, отдаваемой в нагрузку. Другая сторона медали - внезапный останов (что-то вроде команды HALT). Конвейеры освободились, и потребление снизилось с 80 до 20 Ампер. А стабилизатор-то не знает![(с)"Толстяк"], и продолжает закачивать в нагрузку прежние 80 Ампер. И напряжение на почившем повысилось, грубо говоря, в те же 4 раза (от того и почил, что 4х1,25=считайте сами...). Т.е. теперь нам необходим некий резервный бассейн, куда можно слить излишек энергии, не опасаясь катастрофического повышения напряжения на время, нужное системе регулирования стабилизатора для того, чтобы "опомниться" и "закрыть кран". Именно эти функции энергоаккумулятора/бассейна попеременно и выполняет блок электролитов большой ёмкости. Ну а как же четыре сотых микросекунды превратились в единицы микросекунд? При помощи такого же по сути энергоаккумулятора/бассейна, только выполненного на керамических конденсаторах, расположенных непосредственно возле ног микросхемы-потребителя и на её подложке/корпусе.

Эффективность конденсаторов зависит как от их качества (ESR и ESL), так и их расположения по отношению к потребителю (процессору). Наиболее высокочастотные выбросы должны подавляться локально (вблизи от источника). Эти высокочастотные помехи способна подавлять обвязка самого ядра процессора. Индуктивность контактов между воротами (gate) и потребителем достаточна, чтобы сделать неэффективной работу фильтра материнской платы на частотах близких и превышающих 30МГц. По мере роста частоты помех, всё большее влияние оказывают паразитные сопротивление (ESR) и индуктивность (ESL)

Расчёт необходимой ёмкости производится по следующей формуле: C=I/(∆V/∆t), где

I – необходимая компенсация силы тока

∆V – допустимое падение напряжения (не должно превышать определённых рамок, указанных в даташите на процессор)

∆t – время, в течение которого, конденсатор должен обеспечивать энергией потребителя до реакции его блока питания.

Максимально допустимый ESR считается по формуле: ESR=V/I, где I – необходимая компенсация силы тока (разница между максимальным током и минимальным, можно узнать из даташита) V – максимальное отклонение напряжение при скачке (аналогично верхнему)

В качестве примера приведём процессор Celeron Tualatin 1400MHz (256 cache). Ток потребления равен 22.6А (возьмём 24 для круглого счёта). Минимальный ток возьмём равным 0. При нагрузке 24А допустимо проседание тока в 0,121В. Возьмём время в 10 микросекунд. Тогда:

C=24/(0,121/10e-5)=1983мкФ – это минимально допустимая ёмкость ESR=0,121/24=0,005Ом – это максимальный возможный ESR (ЭПС).

Подчеркиваю, что эти конденсаторы (возле разъёма) почти никакого отношения к профилактике вздувания электролитов не имеют. "Почти" означает "на практике", теоретически-то некое слабое влияние есть...

Обеспечение температурного режима

5. Обеспечение приемлемого температурного режима для электролитических конденсаторов фильтра питания.

Отчего греются электролиты? От ВЧ наводки на частоте преобразования? Не только! Сами по себе эти ВЧ наводки не способны сильно разогреть эл. конденсатор, ведь для них он представляет собой большое сопротивление, через которое может протекать только небольшой ток. Конечно, есть слабое разогревающее воздействие от ВЧ поля, но при амплитуде в доли вольта этим можно пренебречь. Гораздо больший нагрев вызывают многоамперные токи зарядки/разрядки, вызванные резким изменением тока нагрузки (для рассмотренного в п.4 примера амплитуда таких токов будет составлять 60 [прописью - шестьдесят] Ампер) и скоростная переполяризация электролита. Ведь выводы и, в особенности, обкладки эл. конденсаторов, а также межэлектродный электролит обладают ненулевым омическим сопротивлением и при таких токах на них выделяется мощность P=R*I^2. А что касается переполяризации электролита, то проводимость в электролите обеспечивают ионы, и частая раскачка их в противоположных направлениях есть прямое преобразование энергии переменного тока в тепловую (кинетическую) энергию ионов.

Ослабления последних двух эффектов можно добиться напайкой на выводы эл. конденсаторов керамических - они (за счет меньших паразитных индуктивности и сопротивления) принимают на себя пиковые токовые перегрузки, оставляя на долю эл.кондера роль медленного "догоняющего, плетущегося в хвосте".

Несколько замечаний

6. Ещё несколько замечаний. Будем различать профессиональный ремонт мат.плат и желание улучшений для себя, любимого. Для профессионала имеют значение (если не прав - поправьте):

  • потраченное время;
  • потраченные деньги;
  • товарный вид результата починки;
  • реноме, т.е. разумная, с учетом перечисленного, надежность

отремонтированного устройства;

  • ... список может быть продолжен ...

Для себя же нас интересует, скорее всего, только надежность, и, в меньшей степени, товарный вид. Поэтому выводы, изложенные в конце данного творения, адресованы, прежде всего, для собственного потребления, эдакий Hi-End по оптимизации питания. Профи же и "сами с усами", не мне им что-то советовать.

Выводы

7. Выводы.

а) На выводы каждого эл. конденсатора, стоящего после (или перед) каждого дросселя надо напаять один или несколько керамических конденсаторов общей ёмкостью 2...10 мкФ.

Для удобства и безопасности (в плане сохранности материнки) следует использовать маленькие вспомогательные плАточки из одностороннего фольгированного текстолита с отверстиями в соответствии с расстоянием между выводами конкретного эл. конденсатора. Я взял двусторонний (он дешевле) и острым ножом расщепил его на две односторонние. Фольга между отверстиями на плате должна быть удалена (не вся! только узкая полоса поперек линии, соединяющей отверстия), ширина разреза 2...3 мм:

                             Отверстия  для выводов 
  ____________ __ ___________  / 
 !            !  !           !/ 
 !            !  !           ! 
 !            !  !          /! 
 !  О         !  !        О  ! 
 !            !  !           ! 
 !            !  !    \      ! 
 !____________!__!_____\_____!  
                        \    
                ^        \ 
                |         \ 
                |          Фольга 
              разрез  
         (фольга удалена)

На эти плАточки сначала напаиваем керамику (лучше брать SMD (чип-исполнение), у них наименьшая паразитная индуктивность выводов, затем надеваем плАточки на выводы эл.конденсаторов.

Предостережения, рекомендации

ВАЖНО!!! Перед работой все комплектующие (проц, память, платы, кабеля и т.п.)
с платы должны быть сняты.
Внимание! Если эл. конденсаторы стоят в ряд и выводы у всех на одной линии,
убедитесь, что вы не ошиблись и не надели плату на выводы разных соседних
конденсаторов. 
Ещё Внимание! Платы с керамикой устанавливать деталями и фольгой НАРУЖУ от материнки! 
Паять хорошо прогретым заземленным низковольтным паяльником. 

б) Чтобы проверить эффективность глушения выбросов, оба входных вывода (сигнальный и земляной) щупа осциллографа следует подключать к соответствующим выводам одного и того же эл. конденсатора, т.к. на имеющихся здесь частотах "земли" как опорного уровня для отсчета сигнала попросту не существует. В частности, и поэтому так широко распространился дифференциальный способ передачи тактовых (а также SATA, USB и т.п.) сигналов.

в) Касательно керамики возле ног микросхем - здесь мало кто из производителей экономит (иначе плата попросту не стартанет или будет жечь процессоры один за другим). Но если вы запускаете на материнке процессор более жрущий, чем указано в её мануале / на сайте производителя, то допайка SMD керамики параллельно уже имеющимся также имеет смысл. Т.к. речь идет не о ВЧ наводках, а об энергобуфере, то на емкости экономить нет резона. Если же вы запускаете тулик на слотовой материнке (или апплебред на КТ133), осмелюсь настоятельно порекомендовать такую доработку. Главное, соплей не навешать. Определить, к каким кондюкам подпаиваться, можно с помощью тестера (при снятом процессоре) - прозвонить до дросселя импульсного стабилизатора.

Внимание! Перед напайкой керамики возле разъёма процессор должен быть снят!!! 

г) Каждый вновь напаиваемый кондер должен быть проверен на отсутствие КЗ. Каждая подсобранная плАточка должна быть проверена на отсутствие КЗ. После завершения напайки каждый уже напаянный кондер должен быть вновь проверен на отсутствие КЗ.

д) Процедура широко известная, но всё же кратенько по ключевым моментам... Только убедившись, что нигде ничего не коротит, можно подключить материнку (голую! Без всего!) к БП и попытаться её включить (берегите глаза! Всякое случается...). Если фейерверка не последовало, проверяем номиналы всех напряжений. Если всё в порядке - отключаем питание, устанавливаем только проц и динамик и по новой включаем питание. Если проц стартанул (заорал на отсутствие памяти) - отключаем питание и устанавливаем остальное.

Желающих понять теоретическую часть вопроса отсылаю к вечному и непоколебимому оплоту наших электронщиков - журналу "Радио", №1 за 2003 год (с. 20), статья "Особенности применения оксидных конденсаторов в цепях питания микропроцессоров", А.Сорокин, г.Радужный Владимирской обл.

Также стоит порекомендовать посетить сайт А.Д. Сорокина (aka AlexDS). На нём вы можете найти дальнейшие исследования вопроса и некоторые оценки существующих фильтров питания и способов их доработки.

Конденсаторы в цепях питания процессоров

А. СОРОКИН, г. Радужный Владимирской обл.

Для повышения надежности работы компьютера сильно нагревающиеся узлы (процессоры, чипсет, транзисторы блока питания) снабжают теплоотводами, устанавливают дополнительные вентиляторы в системный блок и на винчестеры. Но оказывается, тепловыделяющими элементами являются и оксидные конденсаторы фильтров питания этих узлов. Отчего это происходит и что надо сделать, чтобы предотвратить их нагрев, рассказывается в статье.

В микропропроцессоре к шине питания подключены миллионы транзисторов цифровых узлов, работающих по заданным программами алгоритмам, с суммарным потреблением мощности, достигающим нескольких десятков ватт. В первом приближении их подключения к шине питания являются случайными, поэтому в дальнейшем, для упрощения изложения, будем называть их шумами.

Длительность фронта изменения состояния ключей в микропроцессоре не превышает 10-8 нс, поэтому, несколько занижая ширину спектра генерируемых шумов (токов), можно определить его верхнюю границу fгр, как более 100 МГц (fгр >1/tф), а полосу частот — от 0 до более чем 100 МГц. В этом диапазоне сосредоточено 90 % мощности генерируемых шумов. Учитывая случайный (шумоподобный) характер процессов, реально этот диапазон еще шире.

Таким образом, микропроцессоры являются сложными нагрузками для источников питания и генерируют в цепях питания токи широкого спектрального состава (сотни мегагерц) и большой мощности (до 5...20 Вт). Максимальные токи генерируются при 100%-ной загрузке микропроцессора.

ECAP Ris1.gif

Рассмотрим для примера схему цепи питания ядра микропроцессора (рис.1) в системной плате BE6-II фирмы Abit (она анонсирована как плата для разгона процессоров). Напряжение питания 2,05 В через дроссель L1 и фильтр из трех оксидных конденсаторов С1—СЗ емкостью 1500 мкФ подается на выводы питания процессора. Конструктивная емкость См имеет малую собственную индуктивность и поэтому хорошо шунтирует высокочастотные (более 100 МГц) составляющие мощности генерируемых шумов.

В качестве С1—СЗ применены высококачественные гелевые оксидные конденсаторы с предельной рабочей температурой +105 °С, способные рассеивать мощность 0,5...5 Вт. Возможно, это и позволило производителям не обращать внимания на режим их работы.

Измерения показали, что в процессе длительной работы компьютера, в котором установлены два корпусных вентилятора (в блоке питания и дополнительный), процессор Celeron с вентилятором Golden Orb и видеокарта с вентилятором, нагрев корпусов упомянутых конденсаторов доходил до +60...80 °С. При высоких температурах наружного воздуха последовательно вышли из строя два из трех конденсаторов фильтра: вначале произошло механическое разрушение корпуса одного из них, после чего компьютер начал периодически "зависать" во время работы, затем то же самое случилось со вторым конденсатором и система начала отказывать уже на этапе обработки BIOS. Причина "зависаний" — появление в цепях питания выбросов напряжения, соизмеримых с амплитудой импульсов управляющих сигналов. Такие выбросы проникают в цепи управления или данных и нарушают работу процессора и целостность данных.

По температуре корпусов оксидных конденсаторов можно заключить, что они рассеивают мощность около 3...5 Вт. В чем же причины нагрева? Как известно, нагрев оксидного конденсатора определяется мощностью, выделяемой в его объеме, т. е. потерями в диэлектрике и металлических элементах. Потери описываются тангенсом угла потерь:

tg δс = Pп/P= (Pм + Pд)/P = tg δм + tg δд, где:

Рп — мощность потерь;

Рм — мощность потерь в металле;

Рд — мощность потерь в диэлектрике;

tg δм и tg δд — тангенс угла потерь для металла и диэлектрика соответственно.

Типовое значение tg δс оксидного конденсатора — (1000...2000)*10-4 на частоте 50 Гц. При таких его значениях от 10 до 20 % мощности низкочастотных токов переходят в тепло, а учитывая, что спектр фильтруемых токов (напряжений) простирается до десятков мегагерц и tg δс увеличивается с ростом частоты (tg δм = Rп2πfC) , в тепло переходит более 80 % энергии шума, генерируемой процессором и фильтруемой цепями питания.

Как влияет на работу оксидного конденсатора повышение температуры?

Сопротивление изоляции с ростом температуры на 10 °С падает в 1,26.. .2 раза, а при повышении температуры до предельной +105 °С — в 7...350 раз (минимальные значения соответствуют неорганическим диэлектрикам, а максимальные — органическим). Электрическая прочность конденсатора снижается в три раза при повышении частоты приложенного напряжения в 10 раз (при номинальной мощности потерь).

Все сказанное выше говорит о том, что использовать оксидные конденсаторы в цепях питания процессоров без принятия специальных мер недопустимо. Несоблюдение этого условия приводит к снижению надежности системной платы и может спровоцировать их выход из строя даже в рабочем интервале температур.

Напрашивается простое решение: для предотвращения проникания в оксидные конденсаторы высокочастотных составляющих (вплоть до десятков мегагерц) установить в непосредственной близости от выводов процессора бескорпусный керамический конденсатор емкостью 0,033 мкФ, а в качестве преграды низкочастотным составляющим (до сотен килогерц) включить керамический конденсатор емкостью 3,3...4,7 мкФ. Из-за малого tg δс таких конденсаторов шунтированная энергия не переходит в тепло. Суммарная реактивная мощность этих конденсаторов — 30 ВАр.

Измененная схема цепи питания ядра микропроцессора показана на рис.2. Доработка была выполнена на данной плате, что привело к снижению температуры корпусов оксидных конденсаторов до +20...30 °С. Плата успешно выдержала испытания в жаркий период лета 2002 г. при температуре воздуха в помещении +40...50 °С. Кроме того, снизился уровень излучаемых компьютером помех.

ECAP Ris2.gif

Подобной доработке целесообразно подвергнуть системные платы компьютеров, используемых в качестве серверов, других компьютеров, работающих со 100%-ной нагрузкой (например, в системах распределенных вычислений), а также видеокарты, т. е. все узлы, в которых процессоры работают с предельной нагрузкой. Полезна она и в компьютерах, используемых не столь интенсивно: снижение тепловыделения в системном блоке на 10...25 Вт благоприятно скажется на надежности работы системы.


Персональные инструменты
Google