Память

— Почему на материнской плате разделены цепи питания для ЦП, ГП и ОЗУ?

\$\начало группы\$

Несмотря на то, что в корпусе компьютера есть блок питания, почему на материнской плате разделены цепи питания для процессора, графического процессора и оперативной памяти?

Я имею в виду, почему CPU, RAM и GPU не могут просто брать свою энергию от блока питания?

• блок питания
• память
• процессор
• материнская плата
• GPU

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Потому что эти микросхемы требуют лотов мощности, а это означает большой ток. Высокопроизводительный процессор может потреблять более сотни ампер при работе с полной нагрузкой! Не рекомендуется использовать токи в сотни ампер по всей вашей печатной плате, если вы когда-либо сможете этого избежать.

Но, к счастью, процессор работает при напряжении ядра всего около 1 В. Если вы передаете питание через плату при более высоком напряжении, обычно 12 В, а затем понижаете его с помощью понижающего преобразователя именно там, где это необходимо, вы можете сократить текущие требования в 10 или более раз (в идеале в 12, в этом примере, но преобразователь не идеален)! По той же причине мощность сети передается при очень высоком напряжении и понижается с помощью трансформаторов вне зданий; высокое напряжение передачи означает низкий ток передачи означает меньшие потери.

Использование локального регулирования мощности также позволяет регулировать напряжение, подаваемое на ЦП: небольшое увеличение напряжения может обеспечить более быструю работу при необходимости, а уменьшение его в режиме ожидания может снизить энергопотребление. Современные компьютеры делают все это автоматически — ноутбук, на котором я сейчас это печатаю, в настоящее время имеет напряжение процессора, которое колеблется от 0,6 В до 1,1 В* (синхронно с тактовой частотой от 900 до 4200 МГц) как более или менее мощность нужна.

Это относится и к графическим процессорам, которые также потребляют много энергии — часто больше, чем процессоры. Оперативной памяти не требуется столько энергии, но ее напряжение должно быть понижено по сравнению с напряжением системы, поэтому для нее также используется преобразователь.

---

*Согласно диагностическому инструменту CPU-Z.

\$\конечная группа\$

5

\$\начало группы\$

То, что вы описываете, на самом деле невозможно без дурацкой развязки.

Современный ЦП может потреблять 100 А при ступенчатом изменении нагрузки на 20 А, при постоянном напряжении 1 В и требующем +-20 мВ. Это кошмар, с которым нужно иметь дело в лучшие времена.

Не обращая внимания на то, что происходит внутри самого процессора (хотя это и половина удовольствия 🙂 ), давайте посмотрим, что происходит снаружи.

У вас обычно есть куча конденсаторов прямо вокруг ЦП в области 1 В. Их работа состоит в том, чтобы буферизовать изменения нагрузки на время, достаточное для того, чтобы местные регулирующие органы адаптировали . Однако из-за того, что эти конденсаторы настолько низковольтные, они не могут хранить много энергии — энергия, хранящаяся в конденсаторе, составляет ½CV², а напряжение мало, поэтому мы находимся на неправильном конце квадратичного уравнения. Кроме того, процессор относительно чувствителен к скачкам напряжения, так что мы также не можем сильно разряжать конденсаторы. Таким образом, множество конденсаторов здесь по-прежнему обеспечивают лишь скромное накопление энергии.

Затем вы попадаете на слой местных регуляторов, настроенных на быстрый ответ . Они сами обеспечивают определенное количество энергии, но в основном они просто передают изменения нагрузки на следующий уровень как можно скорее.

Потом на плате есть куча фильтров питания 12В. Каждый конденсатор здесь в 144 раза эффективнее конденсатора в области 1 В! (Более того, потому что мы можем просто спроектировать наши регуляторы так, чтобы они справлялись с большим спадом на входе и могли опустить шину питания ниже.) И все же вам все еще требуется изрядная сумма для покрытия, пока источник питания не сможет среагировать.

Итак, все сказано:

1. Система находится в равновесии при 80А.
ЦП
2. ступенчато меняет ток с 80 А на 100 А, как раз в тот момент, когда напряжение сети находится на нулевом пересечении.
3. Развязывающие конденсаторы вокруг ЦП начинают падать под нагрузкой (80 А на входе; 100 А на выходе)
4. Местные регуляторы начинают реагировать на дополнительную нагрузку. Вероятно, с небольшим превышением.
5. Развязывающие конденсаторы начинают восстанавливаться после падения напряжения, но 12В фильтрация платы начинает свисать в свою очередь.
6. Провода датчиков источника питания обнаруживают, что выходное напряжение падает, и начинают увеличивать выходное напряжение источника питания 12 В.
7. Питание платы 12 В начинает восстанавливаться, но входная шина постоянного тока внутреннего источника питания, в свою очередь, начинает падать.
8. Вход источника питания. Рельс постоянного тока начинает проседать.
9. В следующем цикле преобразование переменного тока в постоянный увеличивает нагрузку.
10. Я мог бы продолжать лезть в розетку, но давайте остановимся здесь.

Теперь давайте предположим, что вместо этого я просто попытался напрямую запустить шину 1,0 В от блока питания к процессору. Сколько развязки мне нужно? Что ж, мне нужно достаточно, чтобы покрыть все время от ступенчатого изменения процессора до того, как блок питания сможет реагировать. …все на 1,0 В… …и все с возможностью потреблять только 20 мВ от конденсаторов.

Итак, в первом приближении берем всю фильтрацию 12В на материнской плате и умножаем на 144х, и еще немного, потому что ее тоже нужно лучше регулировать. И попытайтесь втиснуть это на материнскую плату, не отходя слишком далеко от процессора.

И постарайтесь сделать его конкурентоспособным по стоимости с текущим дизайном. Веселиться!

Ох, и GPU хуже.

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Короткий ответ заключается в том, что контакты 24-контактного разъема блока питания ATX не рассчитаны на обеспечение достаточной мощности современных высокопроизводительных процессоров.

Поскольку они, вероятно, хотят сохранить обратную совместимость с другими платами ATX, они не могут просто заменить 24-контактный разъем. Поэтому решение состоит в том, чтобы добавить дополнительные разъемы. Дополнительные 8-контактные разъемы питания ЦП имеют три контакта 12 В, что дает дополнительные 24 А на разъем. Вы часто будете видеть, что высокопроизводительные процессоры будут иметь несколько таких 8-контактных разъемов.

ПОДРОБНОСТИ

24-контактный разъем ATX является эквивалентом Molex 39-28-1243. Он имеет три контакта на 12 В, и эти контакты рассчитаны только на 8 А каждый (см. спецификацию разъема на стр. 8). Таким образом, основной разъем может подавать не более 24 А при 12 В = 288 Вт.

Как указал Харт, ЦП и ГП потребляют много энергии (потенциально сотни ампер при низком напряжении).

Высокопроизводительный процессор, такой как Intel i9-13900K, периодически потребляет до 253 Вт. Учитывая, что преобразователи постоянного тока, которые преобразуют 12 В в напряжение ядра процессора, имеют потери эффективности, наличие источника 288 Вт в лучшем случае является предельным. Кроме того, могут быть и другие устройства, которые также требуют 12 В. По обеим этим причинам необходимы дополнительные контакты разъема 12 В.

Что касается другой части вашего вопроса,

Я имею в виду, почему CPU, RAM и GPU не могут просто взять свою энергию из блок питания?

Процессор, оперативная память и графический процессор питаются от источника питания. В обычном настольном компьютере, если вы посмотрите на кабели, все они должны быть подключены к блоку питания ATX на одном конце.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Чтобы добавить к существующему ответу, процессоры и графические процессоры будут масштабировать свою частоту с нагрузкой, и увеличение частоты потребует дополнительного напряжения питания, чтобы оставаться стабильным. Поскольку нагрузки ЦП и ГП плохо связаны, эти частоты, напряжения и источники питания, обеспечивающие напряжение, должны быть независимыми.

Что касается зависимости частоты от напряжения:

1. Задержка распространения логического элемента КМОП уменьшается с увеличением напряжения (https://web.mit.edu/6.012/www/SP07-L13.pdf стр. 4- 5), достижимая частота процессора будет обратно пропорциональна задержкам вентилей.
2. Современное компьютерное оборудование реализует динамическое масштабирование частоты (https://en. wikipedia.org/wiki/Dynamic_frequency_scaling) для снижения энергопотребления.

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Я добавлю еще один сценарий: когда компьютер находится в режиме ожидания с низким энергопотреблением или в спящем режиме .

Энергетическое законодательство требует, чтобы компьютеры могли переходить в режим сна с низким энергопотреблением (Energy Star, EPEAT, экодизайн ЕС). Пользователи ноутбуков хотят иметь возможность быстро перевести свой компьютер в спящий режим и возобновить работу, не потребляя при этом чрезмерного количества энергии аккумулятора.

Для этого требуется, чтобы большинство устройств было выключено, а некоторые устройства оставались включенными. Как правило, ЦП выключается, а ОЗУ переходит в режим пониженного энергопотребления для сохранения содержимого памяти. Кроме того, USB и сетевые карты остаются в режиме пониженного энергопотребления, чтобы разбудить компьютер.

Возможно дальнейшее снижение мощности. Современные ПК используют состояние мягкого выключения, при котором будильник реального времени или сетевая карта могут запустить компьютер, но оперативная память отключена. Другой сценарий — переключаемая графика, когда ноутбук отключает свой графический процессор при питании от батареи.

Эти комбинации состояний низкого энергопотребления требуют разделения шин питания. В настольных блоках питания отдельный резервный блок питания оптимизирован для работы с малым током и не требует для работы вентилятора блока питания.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Можно добавить к существующим ответам, материнская плата с питанием 12 В — очень устаревшее решение, которое используется, потому что трудно изменить наследие отрасли.

В FAANG компании провели НИОКР по энергосбережению в своих облаках, и пришли к использованию 35В от блока питания к материнской плате, и заявляя на несколько десятков процентов лучшую энергоэффективность, чем по широко используемой в настоящее время «классической» схеме (это легко — в 3 раза больше напряжение, значит в 3 раза меньше ток при той же мощности, а медь сейчас дорогая). Конечно, это специально разработанные материнские платы, не стоит пытаться кормить с полки нестандартным напряжением.

И 35В очень умеренное усиление. — В воздушном пространстве широко используется переменный ток 127В 400Гц для питания электроники, поэтому экономия еще значительнее.

Электромобилей уже произведено гораздо больше — для них характерно использование 500-1500В для большинства потребляющих устройств, но для столь высоких напряжений нужна гораздо более сильная изоляция и значительные меры предосторожности при производстве и обслуживании (медиасистемы и т.п., обычно питаемые от отдельной сети, 12 В / 24 В / 48 В, а некоторые производители газовых автомобилей, такие как Jeep, предлагают дополнительный генератор, вместо обычного генератора ~ 1,8 кВт установите около 3 кВт).

\$\конечная группа\$

2

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Питание памяти DDR | ДигиКей

Недорогая в производстве память с удвоенной скоростью передачи данных (DDR) (и более поздние варианты, такие как DDR2 и DDR3) стала основой оперативной памяти в настольных и портативных компьютерах. За счет тактирования памяти как по переднему, так и по заднему фронту последовательности импульсов пропускная способность памяти удваивается при незначительном увеличении рассеиваемой мощности.

Однако, чтобы максимально использовать эту пропускную способность и избежать типичных проблем с такой высокочастотной схемой, например, звона и отражений, которые могут непреднамеренно вызвать срабатывание логических устройств, схема оконечной нагрузки шины требует собственного источника питания. Для эффективной работы этот блок питания должен обеспечивать ровно половину входного напряжения питания основного набора микросхем памяти, при этом он может как отдавать, так и потреблять ток.

В этой статье описываются уникальные требования к источникам питания для памяти DDR, а затем исследуются некоторые специализированные контроллеры питания от основных поставщиков, облегчающие задачу инженера-конструктора.

Особые требования для DDR

На рис. 1 показана популярная схема терминации для сети распределения компьютерных часов, предназначенная для предотвращения ложных звонков и отражений, которые могут непреднамеренно активировать логические устройства, подключенные к шине. Дополнительным преимуществом этой топологии является то, что она вдвое уменьшает мощность, рассеиваемую в тактовой сети (когда шина в половине случаев имеет высокий уровень, а в остальное время — низкий уровень) по сравнению с простым окончанием линии через резистор прямо на землю. Компромисс заключается в необходимости дополнительного источника питания для генерации В _ДД /2.

Рис. 1: Добавление второго источника питания к общей линии согласующего резистора шины вдвое уменьшает среднюю мощность, рассеиваемую на резисторе (любезно предоставлено Texas Instruments).

Согласующий резистор подключается ко второму напряжению питания (V _TT ), равному половине основного напряжения питания (V _DD ). Результатом подключения второго напряжения является то, что рассеиваемая мощность на согласующем резисторе остается постоянной независимо от напряжения питания и равна V _TT (или V _DD /2) в квадрате, деленное на согласующее сопротивление (от P = V²/R).

Однако требования к вторичному источнику питания необычны. Помимо того, что напряжение питания (V _TT ) составляет половину основного напряжения питания (V _DD ), устройству необходимо как источник, так и потребитель тока (рис. 2). Когда V _DD имеет низкий уровень, ток поступает от источника питания V _TT в драйвер. Однако, когда V _DD высокий, ток течет от драйвера к V _ТТ поставка. Также важно, чтобы источник питания V _TT плавно переключался между состояниями, чтобы избежать неэффективности, увеличивающей рассеиваемую мощность.

Рисунок 2: Режимы работы памяти DDR V _{Блок питания TT ​​}. Слева устройство работает в режиме buck и потребляет ток, справа — в режиме форсированного питания и втекающего тока (любезно предоставлено Texas Instruments).

Синхронный импульсный регулятор напряжения постоянного/постоянного тока обычно используется для V _TT , потому что он более эффективен, чем линейный стабилизатор с низким падением напряжения (LDO) (хотя некоторые разработчики предпочитают LDO, потому что его легче включить в конструкцию источника питания). Однако поддержание высокого КПД (низкое рассеивание мощности) и хороших переходных характеристик в этих двух различных режимах работы является сложной задачей.

В синхронном импульсном понижающем стабилизаторе переход от точки, где работает полевой МОП-транзистор верхнего плеча, к точке, где работает устройство нижнего плеча, тщательно контролируется. Переход с высокой на низкую сторону может быть выполнен почти без потерь. На практике сначала отключается переключатель верхнего плеча, что позволяет внешнему аккумулирующему индуктору качнуть фазное напряжение до нуля. Используя компаратор для измерения фазного напряжения, а затем включив нижний переключатель, когда на него не подается напряжение, можно добиться переключения при нулевом напряжении для обоих устройств. В отличие от этого, переход от низкого уровня к высокому является «жестким переключением», и возникает некоторая неэффективность, поскольку фазное напряжение должно переключаться, когда оно положительное, что приводит к некоторой перекрестной проводимости и емкостным потерям.¹

Однако в форсированном режиме происходит обратное: переключение при нулевом напряжении происходит во время перехода от низкого уровня к высокому, а жесткое переключение происходит, когда индуктор переводится в низкий уровень. Разработчики блоков питания придумали несколько хитрых приемов для преодоления неэффективности жесткого переключения, которые хорошо работают, когда блок питания работает в понижающей или повышающей конфигурации в течение длительного времени и редко, если вообще когда-либо, переключается между двумя режимами.

Постоянное быстрое переключение между понижающим и повышающим режимами (источник и ток потребления) вторичного стабилизатора напряжения в схеме памяти DDR, в то время как устройство поддерживает постоянное выходное напряжение, равное половине напряжения основного питания (В _DD ), независимо от входного напряжения и выходного тока, требует другого типа режима управления по сравнению с тем, который используется для обычных источников питания, если необходимо сохранить высокий КПД.

Модули управления для блоков питания DDR

К счастью, разработчику блоков питания DDR не нужно беспокоиться о выборе режима управления, так как несколько ключевых поставщиков полупроводников уже обратили внимание на эту задачу и выпустили на рынок контроллеры, соответствующие уникальные требования к питанию памяти DDR.

Компания Fairchild Semiconductor предлагает контроллер FAN5026 Dual DDR/Dual Output Switching Controller для приложений памяти. Устройство предназначено для работы в качестве контроллера с двойной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), управляющего двумя синхронными импульсными регуляторами.

В режиме DDR один канал отслеживает выходное напряжение другого и обеспечивает необходимые возможности стока и источника выходного тока. Устройство имеет два выхода для основного источника питания (V _DD ) и вторичного источника питания (V _TT ), который отслеживает V _DD /2. Микросхема может работать в диапазоне входного напряжения от 3 до 16 В, и компания заявляет, что устройство обеспечивает высокую эффективность и регулирование для двух выходных напряжений, регулируемых в диапазоне от 0,9 до 5,5 В. Синхронное выпрямление и гистерезисная работа обеспечивают эффективность при малых нагрузках. .

Модуль предназначен для таких приложений, как мощность памяти DDR для серверов и настольных компьютеров или требования к мощности видеокарты. На рис. 3 показана прикладная схема для FAN5026.

Рисунок 3: Прикладная схема контроллера питания Fairchild FAN5026 DDR.

Texas Instruments также предлагает модуль контроллера DDR и DDR2, TPS51020. Микросхема может работать от входного напряжения от 4,5 до 28 В и специально разработана для высокопроизводительных и высокоэффективных приложений, где потери, связанные с токоизмерительным резистором, неприемлемы. Примеры включают портативные компьютеры с литий-ионным аккумулятором. Высокая эффективность в условиях легкой нагрузки может быть сохранена путем включения режима автопропуска в цепи ШИМ (рис. 4).

Рис. 4. TPS51020 от TI предназначен для портативных компьютеров.

Компания заявляет, что устройство представляет собой однокристальное решение для источника питания DDR с двойным импульсным стабилизатором. В режиме DDR TPS51020 обеспечивает все функции, необходимые для приложения DDR, включая отслеживание V _DD /2 для V _TT , возможности источника и приемника тока, а также опорный выход V _TT .

Со своей стороны Linear Technology предлагает LTC3876 в качестве комплексного решения для питания DDR. Устройство совместимо со стандартами DDR, DDR2, DDR3 и будущими стандартами низкого напряжения DDRX, интегрирует V _DD и V _TT , а также модель Precision Linear V _TT . Компания заявляет, что дифференциальный выходной усилитель считывания и прецизионный внутренний эталон в сочетании обеспечивают точное питание V _DD .

Контроллер V _TT отслеживает точное опорное значение V _TT с общей погрешностью постоянного тока менее 20 мВ. Эталон поддерживает точность регулировки 1,2% при отслеживании V _DD /2. LTC3876 имеет входной диапазон от 4,5 до 38 В, а В _DD может работать в диапазоне от 1,0 до 2,5 В, с соответствующим выходным диапазоном V _TT от 0,5 до 1,25 В. Память

DDR и ее более поздние варианты позволили современным компьютерам работать на высокой скорости без резкого увеличения рассеиваемой мощности. Однако питание чипсета и оконечная нагрузка на общую шину требуют тщательной разработки, чтобы избежать паразитных сигналов на высоких частотах, на которых работает DDR. К счастью, инженеры могут значительно ускорить разработку своих блоков питания, выбрав один из имеющихся на рынке коммерческих модулей питания DDR. Эти устройства включают в себя все функции, необходимые для питания как набора микросхем памяти, так и для подачи постоянного напряжения половинного значения для трассы согласования, которая точно соответствует основному источнику питания.

Для получения дополнительной информации о компонентах, описанных в этой статье, воспользуйтесь ссылками на страницы продуктов на веб-сайте Digi-Key.

Каталожные номера:

1. «Решение источника питания для терминирования шины DDR», Роберт Коллман, Джон Беттен и Банг С. Ли, Texas Instruments, Analog Applications Journal , июль 2001 г.

 

Отказ от ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и/или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.