Преобразователи напряжения для систем PENTIUM/II/III

Зачем нужны преобразователи напряжения на плате.

Линейные стабилизаторы 3,3/2,5/1,5 вольт

Линейные стабилизаторы ядра процессора.

Импульсные стабилизаторы

Синхронные импульсные стабилизаторы

Комбинированные стабилизаторы

Производители компонентов для стабилизаторов


Зачем нужны преобразователи напряжения на плате.

   Как известно из древних манускриптов, первые процессоры (назовем первым i8080) изготавливались по NMOS технологии. В те времена довольно трудно было изготовить транзистор с точно заданым напряжением отсечки. Кроме этого при изготовлении микросхем образовывались диоды которые приходилось закрывать подачей на подложку минус 5 вольт.
    Таким образом для питания собствено процессора (сейчас это называется ядро процессора) подавалось +12 вольт, на подложку -5 вольт, а для общения со стандартными ТТЛ микросхемами +5 вольт.
    В современных системных платах -5 вольт не используется но практически во всех блоках питания присутствует. Правда нагрузочная способность обычно не превышает 0,05 Ампер.
    Но технология совершенствовалась и появились микросхемы NMOS микросхемы требующие только +5 вольт (i8055 отечественный аналог 580ВВ55). А затем и CMOS(КМОП) процессоры. (i8085, Z80, Квазар выпустил 580ВМ1 ).
    Как известно КМОП структуры потребляют мизерную энергию когда не переключаются. Потребление происходит только при заряде/разряде емкости затворов. От положительного полюса происходит заряд емкостей при включении, а при выключении заряд стекает на землю.
    Включение/выключение взаимно инверсны для N и P канального транзистора.

рис 1.Пример логического елемента КМОП структуры.
Пример логического елемента КМОП структуры.

    Кроме этого чем выше напряжение на затворе, тем меньше сопротивление канала открытого транзистора. Повышение температуры - повышает сопротивление канала. На быcтродействие влияют и физические размеры транзисторов на подложке.
    Еще много параметров влияют на быстродействие транзисторов и соответсвенно процессоров. Производители ищут золотую середину, но тенденция снижения напряжения питания просматривается четко.

Линейные стабилизаторы 3,3/2,5/1,8/1,5 вольт

    Первой серией процессоров Intel-архитектуры для настольных систем с напряжением питания меньше 5 вольт, стала 486 серия. Процессоры тогда выпускали кроме Intel - AMD, IBM, Cyrix, UMC. Напряжение питания ядра и I/O (ввода/вывода) совпадали. Но для разных процессоров имели разное значение 3,3 3,45 3,52 вольт.
    Так появились на плате первые стабилизаторы 3,3 вольта.

рис 2. Типичная структура линейного стабилизатора.
Типичная структура линейного стабилизатора.

    Принцип действия его довольно прост. Входное напряжение запитывает операционный усилитель и источник опорного напряжения.
    В простейшем случае стабилитрон и токоограничивающий резистор. В начальный момент на выходе стабилизатора напряжения нет опорное напряжение на неинвертирующем больше чем на инвертирующем входе. По этому на выходе ОУ появляется напряжение открывающее силовой транзистор напряжение с эмитера транзистора напряжение попадает на делитель R1/R2. С делителя поступает на инвертирующий вход ОУ и последний уменьшает выходное напряжение и силовой транзистор прикрывается.
Схема таким образом пытается сравнять напряжение на входах ОУ, и соответсвенно на выходе стабилизатора.
    Для устойчивой работы данной схемы требуется конденсатор на выходе и минимальная нагрузка( обычно сотые доли Ампера).
    Более подробно можно почитать здесь

По такой схеме собраны интегральные стабилизаторы LM317, LM1083/4/5, PQ30RV21, а также их аналоги.

рис 3. Интегральный линейный стабилизатор.
LT1084


    На системных платах я встречал LM1083/4/5, PQ30RV21. LM317 Имеет ток нагрузки 1,5A по этому возможно и не применялась.
LM1083/4/5 отдает в нагрузку 7,5/5/3 Ампера. Так как в Pentium системах питание 3,3 вольта может подаваться на DIMM, СASH, PCI то 5-ти амперные и менее мощные источники не применяются для питания ядра процессора. Так мне встречалась плата на чипсете VIA MVP3 в которой стабилизатор 3,3 вольта запитывал все устройства (кроме ядра процессора). Он был собран на LT1083, радиатор размером 1 на 2 сантиметра. Вода, капнутая на радиатор, закипала :-(((.
    На современных платах такие схемы применяются только для стабилизаторов 2,5 вольт генератора тактовых сигналов и 1,5 вольт для запитки терминаторов интерфейса между процессором и северным мостом.
    На 486 возможно применялись 1083 и для запитки ядра процессора. Давно было не помню :-))). Pentium Pro платы живьем видел раз 10 не больше.

    Так как резисторы обычно имеют номинал килоомы и не горят, то диагностировать отказ довольно просто :
1) Померять напряжение на входе и выходе.
2) Если не равно требуемому то подменить на заведомо рабочий.
    Eсли нет чем подменить то можно собрать на весу схему из двух резисторов по 100 ом и конденсатора на выходе. При этом напряжение должно быть два опорных(типовое значение: 2*1,25=2,5 вольт).

    Кроме этого дизайнеру платы не возбраняется разместить стабилизатор 3,3 вольта в SMD корпусе для питания Stand By логики в ATX платах.
Или 78L05, для питания звуковой платы на борту. Так как их выходное напряжение фиксировано то проверить еще проще.
    А в чипсете i810 добавлен стабилизатор 1,8 вольт. Творчество не остановить :-)))

Линейные стабилизаторы ядра процессора.

    Линейные стабилизаторы ядра перестали использоваться с появлением процессоров с двойным питанием.(Pentium MMX, AMD K6-2)
    Так при напряжении ядра 3,3 вольта, КПД линейного стабилизатора в лучшем случае равнялся 66% то при 2,8 уже 56%, а для cовременных AMD K6-2+ при напряжении 2,0 всего 40%.
    Таким образом с силового элемента нужно отводить можность равную или большую мощности потребляемой CPU. Для K6-2-400 ток потребления 11,25 Ампер при 2,2 вольта, при этом на силовом элементе выделиться (5-2,2)*11,25=31,5 ватт. Компактный недорогой паяльник :-))).

По этому производители начали переходить на импульсные стабилизаторы.

    С линейных стабилизаторов мне встречались два схемных решения.

Схемы используемые для построения линейных стабилизаторов.
TL431 2951
рис 4. Регулируемый стабилитрон рис 5. Линейный стабилизатор на 100мА

Если посмотреть на первый рисунок, то видно что он имеет отличия от типовой схемы линейного стабилизатора но включает те же элементы. Этот регулируемый стабилитрон LM/TL431 с помощью трех резисторов и силового элемента легко превратить в мощный стабилизатор.

рис 5. Линейных стабилизатор на TL431.
TL431 + NPN


    Так как cиловой элемент внешний, то заменяя его можно собрать стабилизатор и на 10 и более Ампер.
    Единственный вопрос: куда девать рассеиваемую мощность?

Принцип работы схемы отличается от указанной на рис 2.
Резистор Rb обеспечивать ток для питания собственно регулируемого стабилитрона и базовый ток силового транзистора.
    Источник опорного напряжения подключен к инвертирующему входу, и по этому регулировка выходного напряжения происходит за счет понижения напряжения/повышения напряжения на базе.
То есть в первой схеме ОУ управлял напряжением на базе и задавал ток базы (соответственно и нагрузки), то в данной схеме только регулирует выходное напряжение.

    Так как коэффициент усиления транзистора при больших токах низок то требуется большой базовый ток.
Так что данная типовая схема включения используется редко. Чаще устанавливается транзистор типа Дарлингтон.
Но данный тип транзисторов имеет обычно высокое значение напряжение насыщения коллектор эмиттер. Типично 2 вольта и выше.
    Я встречал два решения:
1) Понадеятся что транзисторы имеют лучшее Uce(sat) чем обьявленый в паспорте и поcтавить Дарлингтон  TIP102.
2) Подрассчитать резистор Rb и поставить   D45H  который имеет Uce(sat) не более 1,5 вольт и коэффициент усиления 40..60.

    В данный момент наиболее распространена схема с заменой биполярного транзистора на полевой с изолированым N каналом.
Эта схема применяется для 1,5/1,8/2,5/3,3 вольт, но для питания ядра я не встречал. Как указывал выше, сейчас применяют импульсные стабилизаторы.

рис 6. Линейных стабилизатор на TL431 и N-канальном полевике.
TL431 + N chanel


    Данная схема экономичней, проще в рассчете, но защиты по току нет :-(((.
    Если паралельно R3 в схемах на рис. 5 и 6 поставить набор резисторов и перемычек, то можно регулировать выходное напряжение.
Теоретически нижный предел напряжения равен опорному (2,5 вольт). Но обычно при питании ядра ниже чем 2,8 происходит перегрев силового транзистора.

    Стабилизатор на AS/LP2951 собирается по схеме аналогичной регулируемому стабилитрону:

Линейных стабилизатор на LP2951.
2951 + PNP 2951 + P канал
рис 7. С применением PNP транзистора. рис 8. С применением P-канального транзистора


    Эти схемы взяты с документации на AS2951.
Но если внимательно посмотреть на рис 2, прочитать документацию на микросхему, то можно прийти к такой схеме:

рис 9. Функциональная схема стабилизатора на LP2951.
Функциональная схема стабилизатора на LP2951


    С точки зрения производителя эта схема возможно эта схема никудышняя (прохождение тока через микросхему большое (0,0004 Ампера потребляет микросхема а через нее "валит" весь базовый ток, греет и провоцирует отказ).
Но вполне работоспособна.
    Так как основное применение предполагалось в переносных/носимых устройствах, то и выходной ток микросхемы ток начинает ограничиваться около 0,15 Ампер и ток через силовой транзистор соответственно ограничивается.
    Это cвойство опять ставит перед вибором Дарлингтон/обычный транзистор или полевой с отказом от защиты по току или усложнением схемы.
    Чаще всего встречались схеми с D45H2.

    Отказывает чаще всего в данной схеме, конечно же, силовой элемент.

Импульсные стабилизаторы

    Ну наконец то добрались до основной темы данной краткой статьи.
Импульсные стабилизаторы намного выгоднее в использовании:
    1. Нагрев силовых элементов намного меньше.
    2. Не требуется мощные радиаторы/вентиляторы.
    3. Емкости фильтрующих конденсаторов меньше.

    Сторонники линейных стабилизаторов выдвинут свои аргументы:
    1. В случае пробоя на схему пойдет напряжение в два и более раз выше номинального.
    2. Нужно мотать не стандартные узлы(индуктивность).
    3. Емкости фильтрующих конденсаторов меньше, но требуюся специализированые.

    Решительно отметаем эти аргументы:
    1.Надежность импульсных стабилизаторов намного выше и вероятность отказа намного меньше. Для особо "трусливых" можно предложить варистор или резистор+стабилитрон+тиристор+предохранитель для защиты от перенапряжения.
    2. Сколько той катушки не более десяти витков.
    3. Да требуются специальные конденсаторы которые рассчитаны на высокочастотные пульсации.
Обычно такие конденсаторы упакованы в коричневый пластик. Но можно и черные, рассчитание на 105 градусов.
Зато какая экономия обьема и места на плате.

рис 10. Функциональная схема импульсного понижающего стабилизатора.
Функциональная схема импульсного понижающего стабилизатора


Данный рисунок я получил из  университетской статьи о преобразователях.
    В статье обстоятельно описана теория выпрямления и преобразования c формулами и примерами. А также моделями PcSpice и MathCad.
  Здесь можно почитать на русском. Читать легче, но есть Ашипки и очепятки :-))), по английски читаю хуже и ошибок не вижу.
    Принцип действия несколько похож на линейный стабилизатор.

       1) Схема управления при подаче входного напряжения открывает силовой электронный ключ и напряжение поступает на нагрузку через катушку индуктивности.
       2) Напряжение на на нагрузке начинает расти, и часть его через обратную связь поступает на схему управления.
       3) При превышении на нагрузке напряжения выше заданного, схема управления отключает силовой ключ.
       4) Так как катушка индуктивности накопила энергию, то она начинает отдавать ток в нагрузку. Напряжение на ней меняется на противоположное(слева минус) и диод открывается - цепь замыкается.
       5) По мере отдачи энергии напряжение на нагрузке падает и через обратную связь сравнивается с опорным.
       6) При падении напряжения ниже опорного, схема управления включает ключ и поступающее напряжение закрывает диод - "все возвращается на круги своя".

рис 11. Понижающий стабилизатор с N-канальным транзистором.
Понижающий стабилизатор с N-канальным транзистором.


    Это схема стабилизатора на 3,3 вольта с системной платы PC Chips.
Для открытия ключа контроллер MC34063 выдает на выходе напряжение несколько меньше 12 вольт. Это напряжение через диод D3 попадает на затвор Q1 и открывает его. Когда напряжение на выходе достигло заданного, контроллер снимает напряжение. Положительный заряд на затворе через эмиттер, базу R3 начинает стекать на землю. Как только в цепи базы появляется ток - переход коллектор эмиттер открывается и заряд полностью стекает на землю.
    При напряжении отсечки (3..5 вольт для мощных полевиков) транзистор Q1 закрывается.

    Похожая схема применялась в стабилизаторе блока питания компьютера. Только вместо D3, Q2 стояла пара транзисторов PNP и NPN (2N3906, 2N3904). Через один транзистор напряжение поступало на затвор, а через другой стекало на землю (типичная схема: базы вместе - вход, эмиттеры вместе - выход, колекторы - врозь, на землю и питание ).
    Поскольку диод Шотки дорогой (центов 5 наверное), то китайские головы решили снять его, и вцепили RC цепочку в затвор.
    При этом транзистор перешел в линейный режим. Позже догадались, что импульсный контроллер для линейного режима не нужен и переработали совсем схему.

    В принципе ключевым элементом в схеме может быть и биполярный транзистор(PNP и NPN) а также P-канальный полевой.

рис 12.Импульсный стабилизатор c NPN транзистором.
Импульсный стабилизатор c NPN транзистором.

    Так как P-канальный транзистор дороже (правда позволяет работать только с одним питающим напряжением), а биполярные менее эффективны, то на системных платах используют в основном N-канальные.
    Кроме этого импульсные стабилизаторы позволяют получить выходное напряжение выше входного, а также отрицательное напряжение.

    По схеме с N-канальным транзистором я собирал стабилизатор на 10 ампер. На входе поставил обьемно-пористый танталовый конденсатор на 47 микрофарад.
    При нагрузке в 5А и транзисторе IRL2203N( сопротивление в открытом состоянии 0.007 Ом!!!) транзистор не нагревался выше 30 градусов на печатной плате, с оставленной фольгой 2х2 сантиметра для охлаждения.
    Но при нагрузке 10А в течении минуты, с конденсатора дым. Пришлось заменить на 1000 микрофарад. При этом чуствовался нагрев конденсатора. Транзистор работал (~70..80 градусов).
    Максимальная рабочая тампература его по паспорту 175.

    Эту информацию желательно учитывать при замене компонентов на системной плате.

    По такой схеме построены многие интегральные стабилизаторы например: US3034 , RC5037.

рис 13. Блок схема RC5037.
Блок схема RC5037.


    Здесь явно видно частотозадающий конденсатор С1 , делитель обратной связи R2/R3 и датчик тока R1. Схема заряда и разряда емкости затвора находиться внутри микросхемы.
    Такаие схемы применяются для стабилизаторов 3,3 вольт на AT/ATX платах, а также в дорогих платах для питания DIMM.
    Обычно отказывает силовой транзистор. Для проверки нужно выпаять затвор (или весь транзистор) и прозвонить на сток/исток. При этом должен звониться обрыв. Если прозванивать цифровым тестером(плюс на затвор, минус на исток ) то на затворе образуется заряд, и переход сток исток звониться на 0 в обоих направлениях.

Микросхема при этом на выходе выдает 12 вольт, Его нет или не около 12 вольт то и микросхема сдохла тоже.
   Правда было пару случаев, умельцы пережигали дорожку подачи 12 вольт, подсоединяя кнопку Reset к питанию вентилятора. Так что перед тем как выбросить микросхему, желательно проверить наличие +5 и +12 вольт на ней.

    Интересное решение: питание ядра процессора типа Pentium II/III разработанное PCChips с автонастройкой.

рис 14. Cхема питания ядра на MC34063..
Cхема питания ядра на MC34063.


    У этой схемы есть недостаток - без процессора на выходе напряжение растет до 5 вольт.

    Вот типовое включение микросхемы TL494   в режиме понижающего импульсного преобразователя:

рис 15. Понижающий стабилизатор на TL494.
Понижающий стабилизатор на TL494.


    Мне встречались платы в которых биполярный транзистор (2N3906) работал на мощный N-канальный полевик в стабилизаторе 3.3 вольт.
В интернете достаточно информации о данной микросхеме, и на русском языке тоже. Так что подробно останавливаться не буду.

Синхронные импульсные стабилизаторы

    Так как производители все повышают рабочую частоту процессоров, то растет и ток потребляемый ими и мощность рассеиваемая на стабилизаторах.
    Но если на процессор ставят радиатор и вентилятор (у Athlona два вентилятора), то на системных платах для охлаждения силовых элементов стараются поставить радиатор поменьше, или использовать печатную плату для для охлаждения.
    Так как рассеиваемая мощность на диоде например MBR2035CT    равна при токе 10 Ампер - 10*0,57=5,7 Ватт (когда он открыт). А на указанном выше IRL2203N всего 10*0,007=0,07 Ватт.
    Указанной цифре можно не верить. Мощность выделяемая на транзисторе в момент открывания/закрывания намного превышает 0,07 Ватт. Но все же схема с двумя транзисторами эффективнее комбинации транзистор плюс диод.
    Схемы с использованием двух транзисторов называются синхронными. При определенных условиях КПД достигает 98% (по крайней мере в информационных листах производителей чипов :-))).

рис 16. Типовая схема синхронного стабилизатора
Типовая схема синхронного стабилизатора


    Транзистор Q1 закачивает ток в катушку, а Q2 принимает ток при закрытии Q1.
    Для того чтобы предотвратить одновременное открытие обоих транзисторов, управляющая схема выдерживает паузу (dead time) после закрытия одного транзистора и открытием другого. Но так как ток не должен прерваться, то установлен маломощный диод D1.
    Так как емкость фильтрующих конденсаторов обычно превосходит 8000 микрофарад, то используется конденсатор С1 для плавного пуска (soft star).
    Защита от короткого замикания сделана "по хитрому". Когда открыт верхний транзистор, то на нем падает напряжение пропорционально току и сопротивлению канала.
    Это напряжение вычитается из напряжением, которое задается сопротивлением R1 и внутренним источником тока (смотри рис. 16, 17) При превышении током заданного значения, происходит изменение знака выходного напряжения операционного усилителя и отключение верхнего транзистора Q1.
    Выходное напряжение стабилизируется на уровне выбраном процессором с помощью входных сигналов VID0..VID4.
    Подробнее можно почитать в технической документации на контроллер, например: HIP6004.

рис 17. Блок схема HIP6004
Блок схема HIP6004


    Так как верхний транзистор Q1 рассеивает большую мощность чем Q2, то и отказывает чаще. Пробивается изоляция затвора.
При отказе управляющей микросхемы, выбивает и верхний транзистор.

    При отсутсвии процессора, на выходе стабилизатора может устанавливается минимально допустимое напряжение 1,3 вольта, около 0 вольт, кроме этого встречаются схемы включения стабилизирующие напряжение на уровне 2,0 вольт.
При отказе управляющей микросхемы и верхнего ключа, на затворе верхнего ключа появляется напряжение не равное плюс 12 вольт, а какое нибудь промежуточное, например: 7..8 вольт.
    Это напряжение через пробитый затвор попадает на выход. И с помощью тестера или осцилографа можно проследить нарастание напряжения ядра до 6..7 вольт в течении 1..2 минут. Что может служить для диагностики отказа.
В некоторых платах может отсутствовать диод, заменяющий нижний транзистор до его открытия. При этом роль диода выполняет технологический диод в силовом транзисторе.

Комбинированые стабилизаторы

    Дальнейшая интеграция преобразователей привела к обьединению в одной микросхеме нескольких стабилизаторов например HIP6019:

рис 18. Блок схема HIP6019
Блок схема HIP6019


    На рисунке явно видны: импульсный синхронный контроллер PWM1(целый чип HIP6004), классический импульсный контроллер PWM2, линейный контроллер с внешним силовым элементом, и полный регулятор (стабилизатор напряжения).

    Вот и все.

Производители компонентов для стабилизаторов


Сссылки прямо на страницу с информацией о микросхемах.
Если ссылка не работает то укоротите ей "хвост".



Cherry Semiconductor, успешно проглочена OnSemi подразделение Motorola
    Производит все.

Intersil подразделение Harris Semiconductor
    Контроллеры серии HIP60xx, силовые транзисторы.

Ratheon подразделение Fairchild, которое в свою очередь является подразделением National Semiconductor
    Контроллеры серии RC50xx,линейные стабилизаторы, силовые транзисторы.

Linear Tecnology
    ШИМ Контроллеры ,линейные стабилизаторы.

MicroSemi она же Linfinity Microelectronics
    Контроллеры серии LX16xx, линейные стабилизаторы, силовые элементы, и множество других полезностей.

National Semicondactor
    Контроллеры серии LM26xx, линейные стабилизаторы, силовые элементы, и множество других полезностей.

Semtech
    Контроллеры серии SC11xx, линейные стабилизаторы.

Unisem
    Контроллеры серии US30xx, линейные стабилизаторы.

Analog Integration corp.
    Контроллеры серии AIC15xx, линейные стабилизаторы, ключи .




Автора !