Уменьшение нагрева деталей фильтров в цепях питания процессора

[Alt]

боян уже наверно, но столь подробно, только щас встретил


Уменьшение нагрева деталей фильтров в цепях питания процессора.
При "оживлении" компьютера с процессором ATHLON AMD К7-600 и системной платой GIGABYTE GA-7IXE автора статьи неприятно удивил сильный нагрев оксидных конденсаторов и дросселей фильтров питания процессора - температура явно превышала приемлемое значение. Но плата была новой, на гарантии, и с этим фактом пришлось смириться. При последующих периодических проверках явный перегрев конденсаторов и дросселей напоминал, что с этим вопросом все же следует разобраться. Но, как часто бывает в жизни, для выполнения этой работы не хватало "запускающего импульса". Им стала, как пишет автор, статья А. Сорокина "Особенности применения оксидных конденсаторов в цепях питания микропроцессоров", опубликованная в "Радио", 2003, 1.

Известно, что алюминиевые оксидные конденсаторы обладают большой собственной индуктивностью, пропорциональной их емкости, и не могут нормально работать на высоких частотах (ВЧ). Поэтому в цепях с широкополосным сигналом параллельно им обязательно устанавливают практически безындуктивные керамические конденсаторы. Именно так выполнены фильтры в цепях питания радиоприемников и телевизоров, и для разработчиков все это давно стало азбучной истиной.

Приведем конкретные данные цепей питания процессора для платы, на которой проводилась доработка. Эти сведения не только помогут читателю лучше понять суть внесенных изменений, но и послужат ориентиром при проведении аналогичных работ на системных платах других типов.

Фильтр питания процессора напряжением 1,6 В состоит из пяти включенных параллельно оксидных конденсаторов 1200 мкФ х 6,3 В и двух соединенных также параллельно дросселей, а фильтр питания напряжением 5 В - из четырех таких конденсаторов и одного дросселя. На плате установлены керамические конденсаторы для поверхностного монтажа, шунтирующие оксидные, но они, похоже, оказались малоэффективными.

Целью первого этапа работы была "разгрузка" оксидных конденсаторов от ВЧ составляющей. Лучший вариант - установка керамических конденсаторов непосредственно на печатной плате, на которой смонтирован микропроцессор, но это усложняло работу, и возникала опасность повреждений. Поэтому пришлось ограничиться несколько менее эффективной мерой - монтажом безвыводных конденсаторов на выводах оксидных. Всего было установлено шесть конденсаторов емкостью 2,2 мкФ с номинальным напряжением 16 В: четыре в цепи питания 1,6 В и два в цепи питания 5 В. Поскольку расстояние между выводами оксидного конденсатора больше длины керамического, один торец последнего припаивался непосредственно к выводу оксидного, а другой - через вставку из согнутого пополам отрезка луженого провода диаметром 0,5...0,6 мм.

После доработки нагрев оксидных конденсаторов существенно снизился, а добавленные несколько позже еще три безвыводных конденсатора (по одному на каждый оставшийся оксидный) практически не изменили картину.

Следующая задача - уменьшение нагрева дросселей. В цепи питания 1,6 В они имели по три витка эмалированного провода диаметром 1,7 мм, намотанного на кольцевой сердечник с внешним диаметром 12,7 мм, а в цепи питания 5 В - пять витков провода диаметром 1,4 мм на таком же сердечнике. Материал сердечников неизвестен, но можно предположить, что это феррит.

Причины нагрева дросселей хорошо известны. Это выделение мощности на активном сопротивлении провода обмотки (джоулево тепло) и так называемый поверхностный эффект, вызывающий увеличение этого сопротивления для ВЧ составляющих. Поскольку активное сопротивление обмотки не превышает долей ома (измерить его обычными приборами невозможно), влияние первой составляющей невелико и в первом приближении ею можно пренебречь. Наибольший "вклад" вносит вторая составляющая. Кроме того, из-за насыщения сердечника большим током индуктивность дросселя оказывается недостаточной для хорошей фильтрации переменной составляющей.

Простейшая доработка дросселя - введение зазора в сердечнике. Для этого дроссель выпаивают из платы и алмазной пилой делают разрез шириной около 1 мм в том месте, где она не затрагивает провод. Индуктивность дросселя при этом несколько уменьшается, но ее нетрудно восстановить увеличением числа витков.

Снизить влияние поверхностного эффекта - более сложная задача, поскольку требует замены провода обмотки жгутом с такой же площадью сечения, свитым из более тонких проводов. Чем они тоньше, тем меньше сказывается поверхностный эффект, меньше диаметр жгута (благодаря большему коэффициенту заполнения) и, кроме того, он становится мягче и его легче наматывать. Однако большое число проводов усложняет изготовление жгута, поэтому был выбран провод ПЭВ-2 0,35. Для обмотки дросселя в цепи питания +5 В применен жгут из 16 проводов длиной 180 мм, а дросселей в цепи питания ядра - из 25 проводов длиной 160 мм.

Изготовление жгутов несложно, хотя и весьма трудоемко. Вначале один из концов каждого провода освобождают от изоляции на длине 5...8 мм и облуживают, затем складывают провода залуженными концами вместе и, выровняв торцы, скручивают в жгут. Поскольку его диаметр в любом случае получается больше диаметра заменяемого провода, отрезок последнего (предварительно зачищенный и облуженный) вставляют в торец жгута, место соединения обматывают тонким луженым проводом и тщательно пропаивают. Затем жгут наматывают на сердечник с предварительно сделанным разрезом. Для компенсации уменьшения индуктивности из-за введения зазора число витков увеличивают соответственно до 9 и 5. После намотки второй конец жгута укорачивают до необходимой длины и подготавливают к монтажу аналогично описанному выше.

Новые дроссели невозможно установить вплотную к плате так, как стояли не переделанные, но это даже лучше, поскольку появившийся зазор улучшает условия охлаждения платы и самих дросселей. В итоге получается двойной эффект - снижение температуры дросселей и улучшение условий их охлаждения.

Проверка доработанных фильтров питания показала следующее.
После включения компьютера и загрузки операционной системы нагрев конденсаторов и дросселей едва ощутим.
При большой загрузке процессора (решение сложной задачи) нагрев дросселей становится заметным, но он значительно меньше, чем до переделки.

В заключение, несколько советов тем, кто, прочитав эту статью, задумается о повышении надежности работы своего компьютера. В первую очередь, необходимо выяснить реальную необходимость описанной доработки. В современных процессорах, например, ATHLON 1700, развязывающие керамические конденсаторы смонтированы непосредственно на плате, на которой установлен микропроцессор. Кроме того, ввиду большой вычислительной мощности во многих случаях (например, при наборе текста в редакторе "Word"') процессор фактически "отдыхает", поэтому он и элементы фильтров питания нагреваются мало. Нагрев может существенно возрасти при загрузке процессора сложными математическими задачами (кстати, к ним относятся и игры типа 3D-"стрелялок"). И если в таком режиме компьютер используется подолгу, есть смысл его доработать. Оксидные конденсаторы в любом случае целесообразно шунтировать керамическими. В дросселях попробовать ограничиться пропилом сердечника, а если этого окажется недостаточно, заменить одиночный провод жгутом.

А. Гришин, г. Москва.
Редактор В. Фролов.

[Wizard]

Только если вместо требуемых нормальных низкоимпедансных конденсаторов на материнке находилась какая-либо дрянь, то она могла греться. Тогда, действительно, шунтирование тогда поможет. Но лучше просто заменить конденсаторы. Хорошие конденсаторы греться не должны.
Также и дроссели. Она должны быть намотаны на магнитодиэлектрике с распределенным зазором (кул-мю или типа того) с требуемыми параметрами и желательно в 3-5 проводов. Если же там было порошковое железо или что еще хуже - феррит без зазора, то так и получится, как описано.

Т.е. преобразователь собран из явно левых деталей раз так себя ведет. А пилить зазоры в исправных дросселях не стоит, они и так не греются.

[DafT]

щас уже начинают ставить цифровое управление питанием) такшта тема начинает терять свою актуальность))))

[Professor]

щас уже начинают ставить цифровое управление питанием) такшта тема начинает терять свою актуальность))))

Лех причем тут управление и его фильтрация и стабилизация?

[Professor]

Только если вместо требуемых нормальных низкоимпедансных конденсаторов на материнке находилась какая-либо дрянь, то она могла греться. Тогда, действительно, шунтирование тогда поможет. Но лучше просто заменить конденсаторы. Хорошие конденсаторы греться не должны.
Также и дроссели. Она должны быть намотаны на магнитодиэлектрике с распределенным зазором (кул-мю или типа того) с требуемыми параметрами и желательно в 3-5 проводов. Если же там было порошковое железо или что еще хуже - феррит без зазора, то так и получится, как описано.

Т.е. преобразователь собран из явно левых деталей раз так себя ведет. А пилить зазоры в исправных дросселях не стоит, они и так не греются.

Правильно Wizard говорит, лучше заменить на неподдельный Jamicon, Elna, Black Gate - у них у всех есть серии конденсаторов предназначенных для работы с ВЧ составляющей.

[DafT]

щас уже начинают ставить цифровое управление питанием) такшта тема начинает терять свою актуальность))))

Лех причем тут управление и его фильтрация и стабилизация?

а потомучто нету там вообще конденсаторов)))
http://www.overclockers.ru/hardnews/22982.shtml
http://www.overclockers.ru/hardnews/22490.shtml
http://www.overclockers.ru/hardnews/22512.shtml фтыкайте)))

[Professor]

щас уже начинают ставить цифровое управление питанием) такшта тема начинает терять свою актуальность))))

Лех причем тут управление и его фильтрация и стабилизация?

а потомучто нету там вообще конденсаторов)))
http://www.overclockers.ru/hardnews/22982.shtml
http://www.overclockers.ru/hardnews/22490.shtml
http://www.overclockers.ru/hardnews/22512.shtml фтыкайте)))

Поправочка, там нету электролитов, керамика как была так и осталась )

[Wizard]

Керамические конденсаторы куда более надежны, чем электролитические.
На самом деле это наверняка то же самое (многофазный импульсный преобразователь c ШМИ), но ключи с контроллером запихали в один модуль, что позволило повысить частоту преобразования, соответственно, в фильтре обойтись намного меньшей емкостью. А ее можно набрать и из керамики. Весьма хорошо (если, конечно, эти модули не будут лететь от малейшей перегрузки).