ФИЛЬТР ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ В ЦЕПЯХ ПИТАНИЯ БОЛЬШИХ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Российский патент 2004 года по МПК H02M1/14 

Изобретение относится к элементам конструкций цифровых вычислительных машин, а именно к конструкции цепей распределения питания больших цифровых интегральных схем: скоростных процессоров и видеопроцессоров, микросхем памяти и их сборок с числом транзисторов порядка или более миллиона.

Известны фильтры для цепей распределения питания на основе Г-образных RC звеньев фильтров нижних частот (см. “Электропитание спецаппаратуры”, Г.С.Векслер, издание второе, Киев, Вища школа, 1979, стр. 122, рис.VI.1.б). Приведенные RC фильтры имеют низкий коэффициент полезного действия и применяются только для слаботочных нагрузок.

Фильтры на основе активных транзисторных фильтров могут работать в широком диапазоне токов нагрузки, но они имеют низкий коэффициент полезного действия, на больших токах выделяют значительное количество тепла и как сложные устройства снижают общую надежность устройства, в котором они работают (см. “Электропитание спецаппаратуры”, Г.С.Векслер, издание второе, Киев, Вища школа, 1979, стр. 139). Кроме этого, они не могут обеспечить подавление помех, генерируемых большими цифровыми интегральными схемами, имеющих большую мощность и широкий спектральный состав из-за частотных ограничений, наложенных на используемые фильтрующие конденсаторы и активные элементы.

Известно применение дополнительных фильтрующих элементов, в схемах питания быстродействующих цифровых интегральных схем, где для подавления высокочастотных составляющих помех применяются дополнительные фильтры в цепях питания, содержащие один керамический конденсатор КМ-5а-890-0,047 мкФ на 6 корпусов логических микросхем (см. “Справочник по интегральным микросхемам” под редакцией Б.В.Тарабрина, издание второе, Москва, Энергия, 1980, стр. 599). Данная схема фильтра рассматривается как одиночный фильтрующий элемент, подбираемый опытным путем по данной рекомендации или экспериментально. Кроме этого, данный фильтр способен работать на частотах помехи до 10-20 МГц из-за наличия больших паразитных индуктивностей цепей разводки питания, что следует из ограничения - “6 корпусов логических микросхем” и поэтому не могут обеспечить подавление помех, генерируемых большими цифровыми интегральными схемами, имеющих большую мощность и широкий спектральный состав.

Известны также многозвенные фильтры для фильтрации напряжения питания электронной аппаратуры (см. “Электропитание спецаппаратуры”, Г.С.Векслер, издание второе, Киев, Вища школа, 1979, стр. 136). Они представляют собой несколько любых перечисленных выше фильтрующих звеньев, включенных последовательно между источником питания и нагрузкой. Они предназначены для получения качественной фильтрации, но не могут обеспечить подавление помех, генерируемых большими цифровыми интегральными схемами, имеющих большую мощность и широкий спектральный состав из-за частотных ограничений, наложенных на применяемые фильтрующие конденсаторы.

Известны параллельные RнC фильтры, которые могут работать при больших токах нагрузки, имеют хороший КПД (см. “Электропитание спецаппаратуры”, Г.С.Векслер, издание второе, Киев, Вища школа, 1979, стр. 123, рис.VI.1.в) - прототип. По этой схеме реализован однозвенный фильтр на серийно выпускаемых фирмой Abit материнских платах ВЕII-6 и аналогичные фильтры, применяемые другими фирмами.

В прототипе фильтр состоит из трех оксидных конденсаторов С1, С2, С3 емкостью 1500,0×6,3 в каждый из которых включен параллельно сопротивлению нагрузки rн, большой цифровой интегральной схеме - процессору. Данный фильтр, несмотря на нагрев оксидных конденсаторов С1, С2, С3 до 40-50°С, показал себя работоспособным в нормальных условиях, чего нельзя сказать про работу при температуре наружного воздуха более 40°С или длительную, 100% загрузку процессора. В таких условиях фильтры питания процессоров выходят из строя, а помехи приводят также к периодическим сбоям процессора. Это явление носит массовый характер (см. Internet-форум по адресу http://forum.ixbt.com/0009/037415-2.html). Причиной разрушения оксидных конденсаторов является их перегрев из-за воздействия на них мощных высокочастотных составляющих помех, генерируемых процессором, в результате чего температура оксидных конденсаторов превышает предельную, по маркировке на их оболочке 105°С и под избыточным давлением паров электролита они теряют герметичность. Это происходит при выделении на одном оксидном конденсаторе мощности более 1,5 Вт. Нагрев оксидного конденсатора определяется мощностью, выделяемой в объеме, а это потери энергии в диэлектрике и металлических элементах конденсатора (см. Дулин В.Н., Жук М.С. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств, М., Энергия, 1977 г., стр. 284). Потери в оксидных конденсаторах характеризуются тангенсом угла потерь tgδ_c. Типовое значение для оксидных конденсаторов tgδ_c=1000-2000×10^-4 на частоте 50-60 Гц, то есть, мощность потерь на частоте 50-60 Гц приближается к 10-20% мощности проходящих переменных составляющих токов на низкой частоте. А мощность потерь в металлических частях растет с ростом частоты. Поэтому, учитывая, что спектральный состав фильтруемых напряжений доходит до сотен мегагерц, а tgδ_c имеет тенденцию роста с ростом частоты - в тепло переходит более 80% мощности, генерируемой процессором, которая не может быть полностью отфильтрована RнС фильтрами. Повышение рабочей температуры оксидного конденсатора снижает сопротивление изоляции и пробивное напряжение. Падение сопротивления изоляции с ростом температуры на 10°С составляет 1,26 раза, а при предельной для данного типа оксидных конденсаторов температуре 105°С - в 7 раз. Электрическая прочность этих конденсаторов с ростом частоты падает в 3 раза при повышении частоты в 10 раз (см. Дулин В.Н., Жук М.С. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств, М., Энергия, 1977 г., стр. 286). Для подавления этих помех установлено 3 оксидных конденсатора, которые способны рассеять более 4,5 Вт тепловой мощности. Для примера использование одиночного конденсатора емкостью 5000,0×6,3 в позволяет рассеять в тех же условиях только около 2,6 Вт. Замена данных конденсаторов на более высоковольтные не решает проблему, т.к. в указанных условиях остается их нагрев, сбои процессора и переизлученные помехи. Помехи, имеющие частоты порядка 100 мгц, за счет большой собственной индуктивности оксидных конденсаторов в данной цепи не фильтруются этими оксидными конденсаторами и могут частично фильтроваться только на паразитной емкости монтажа, что приводит к переизлучению помех в пространство в виде радиопомех. Аналогичная схема применена и для питания процессоров на материнских платах многих производителей. Из технических характеристик различных типов конденсаторов и характера помех следует, что в этих условиях ни один тип конденсаторов не может работать, выполняя функцию подавления помех, генерируемых высокоскоростными процессорами, видеопроцессорами, сборками микросхем памяти и другими большими цифровыми интегральными схемами, имеющими среднюю мощность, превышающую несколько ватт, и занимающими полосу частот порядка 100 мгц.

Задачей изобретения является подавление помех генерируемых высокоскоростными процессорами, видеопроцессорами, сборками микросхем памяти и другими большими цифровыми интегральными схемами, которые имеют среднюю мощность, превышающую несколько ватт, и занимают полосу частот порядка или больше 100 мгц, то есть исключение сбоев процессоров и выхода из строя элементов цепей распределения их питания.

Сущность изобретения состоит в том, что для осуществления задач изобретения применен фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем, содержащий регулятор напряжения и по крайней мере один оксидный конденсатор, включенный параллельно нагрузке - большой цифровой интегральной схеме, являющейся источником помех с эквивалентным внутренним сопротивлением источника помех Ri и сопротивлением нагрузки Rн, причем Ri больше rн. При этом фильтр содержит несколько RiCn звеньев, где Cn - конденсатор звена фильтра нижних частот, включенный параллельно в линию питания нагрузки с эквивалентным внутренним сопротивлением источника помех Ri, a n - номер звена фильтра нижних частот, отсчитываемый от регулятора напряжения. При этом конденсаторы звеньев фильтра нижних частот расположены в порядке убывания их емкости от регулятора напряжения к нагрузке. При этом последний конденсатор минимальной емкости расположен на минимально возможном расстоянии от нагрузки и выполнен в виде безвыводного высокочастотного конденсатора, а конденсаторы центральных звеньев, между первым и последним конденсаторами звеньев фильтра нижних частот, выполнены не оксидными. Причем первый конденсатор выполнен в виде одного или нескольких оксидных конденсаторов. Для всех конденсаторов, кроме первого, их реактивное сопротивление Хс равно эквивалентному внутреннему сопротивлению нагрузки, как источника помех, с сопротивлением Ri, на частоте среза каждого звена фильтра нижних частот, в которое входит данный конденсатор.

Фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем также содержит включенную в токовую цепь последовательную цепочку дросселей Ln между конденсаторами Cn, дроссели Ln совместно с конденсаторами фильтра Cn образуют Г-образные LnCn звенья фильтра нижних частот, где Ln - дроссель, Cn - конденсатор, n - номер звена фильтра, отсчитываемый от регулятора напряжения, причем ближайшее к нагрузке звено не имеет дросселя, при этом реактивное сопротивление дросселя Ln равно реактивному сопротивлению конденсатора Хс на частоте среза каждого звена фильтра нижних частот.

Параллельные RiCn звенья ослабляют помехи, генерируемые нагрузкой при их распространении в направлении регулятора напряжения. Причем ослабление основано на частотно-зависимом шунтировании (подавлении) конденсатором Cn звена фильтра высокочастотных составляющих спектра помех, а частота среза определяет низкочастотную границу рабочего диапазона этого звена. Высокочастотная граница рабочего диапазона звена (конденсатора) определяется его конструктивными параметрами. Набор n звеньев, с частотами среза, расположенными во всем диапазоне частот генерируемых помех, и обеспечивает шунтирование (подавление) помех во всем этом диапазоне, причем более высокочастотное звено защищает низкочастотное от попадания на него нежелательного высокочастотного участка спектра помехи.

В случае выполнения фильтра с дросселями Ln, включенными между конденсаторами Сn, последовательно в токовую цепь, дроссели Ln образуют с конденсаторами фильтра Сn Г-образные LnCn звенья фильтра нижних частот. Этим создается в токовой цепи частотно-зависимое последовательное сопротивление, дополнительно ослабляющее помеху, причем имеющее наибольшее ослабление на высоких частотах. Частота среза звена RiCn равна соответствующему ему LnCn звену, при этом конденсатор звена Сn является для них общим.

Применение фильтра для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем дает положительный технический результат, а именно позволяет подавить помехи, генерируемые этими нагрузками во всем диапазоне мощностей и частот. А также снизить тепловыделение в корпусе системного блока компьютера, повысить устойчивость работы процессора в режиме 100% загрузки, а также позволяет снизить требования к топологии цепей питания процессоров на материнских платах, снизить емкость конденсатора фильтра. Причем применение варианта с RiCn звеньями фильтра нижних частот является оптимальным, так как в этом варианте решается проблема не только ослабления помех, попадающих на низкочастотные элементы фильтра, но и улучшается качество напряжения, питающего процессор за счет отсутствия в токовой цепи реактивных сопротивлений. Данное решение поясняется схемами электрическими "Фильтра для подавления помех в цепи питания больших цифровых интегральных схем".

На фиг.1 изображен вариант схемы применения RiCn звена фильтра нижних частот; на фиг.2 - вариант схемы применения LnCn и RiCn звеньев фильтра нижних частот.

Фильтр, изображенный на фиг.1, содержит С1, С2, C_n-1, Cn конденсаторы звеньев фильтра нижних частот, образующих фильтр из звеньев CnRi. Фильтр подключен параллельно процессору (CPU) на его контакты питания Vcc (+ напряжения питания) и GND (общий вывод). Причем конденсатор С1 обеспечивает фильтрацию питающего напряжения, а величина конденсатора С1 определяется из условия обеспечения фильтрации питающего напряжения. В то же время звено C1Ri можно рассматривать и как звено фильтра нижних частот, участвующее в подавлении низкочастотных составляющих помехи. Причем Ri - эквивалентное внутреннее сопротивление генератора помех всегда больше Rн - сопротивления нагрузки процессора по постоянному току. Звено CnRi, где конденсатор расположен на минимальном расстоянии от нагрузки, обеспечивает подавление помех, генерируемых в верхнем участке спектра, а центральные звенья от C2Ri до C_n-1Ri обеспечивают подавление помех в диапазоне частот от максимальной рабочей частоты С1 до частоты среза высокочастотного звена фильтра CnRi, причем число звеньев n определяется максимальной мощностью помех и допустимой реактивной мощностью на каждый конденсатор звена фильтра.

n=2Рг/Рn,

где n - число звеньев;

Рг - мощность, генерируемая БЦИС;

Рn - реактивная мощность конденсатора звена n (вар):

2 - коэффициент запаса мощности.

Емкость конденсатора звена фильтра нижних частот определяется по формуле, полученной из равенства эквивалентного внутреннего сопротивления источника помех Ri и реактивного сопротивления конденсатора фильтра Хс. Это условие обеспечивает падение напряжения помехи на 6 дБ на частоте среза звена фильтра.

где Cn - емкость конденсатора n-го звена фильтра (Ф);

R_i - эквивалентное внутреннее сопротивление источника помех (Ом);

f_cp - частота среза звена (Гц).

Индуктивность дросселя Ln, звена фильтра нижних частот определяется по формуле, полученной из равенства реактивного сопротивления дросселя x_L и реактивного сопротивления конденсатора фильтра Хс. Это условие обеспечивает падение напряжения помехи на 6 дБ на частоте среза звена фильтра, причем, если полученная индуктивность настолько мала, что ее невозможно конструктивно выполнить, ее значение принимается равным нулю, и это звено работает только как RiCn звено фильтра нижних частот.

где Cn - емкость конденсатора звена фильтра звена n (Ф);

Ln - индуктивность дросселя звена n (Гн);

f_cp - частота среза звена n (Гц).

В случае невозможности выполнить индуктивности в нескольких звеньях фильтра нижних частот, хотя бы в одном, самом низкочастотном, на токоведущий проводник устанавливается ферритовое кольцо - трубка, частотные характеристики которой близки к индуктивности.

Фильтр, изображенный на фиг.2, содержит элементы фильтра по п.1. дополненные последовательной цепочкой дросселей L1-Ln, включенных между конденсаторами Cn в токовую цепь питания нагрузки так, что они совместно с конденсаторами С1-Сn образуют Г-образные звенья фильтра нижних частот для помехи, распространяющейся от нагрузки к регулятору напряжения, причем индуктивность дросселя самого высокочастотного звена равна нулю, а сам конденсатор расположен на минимальном расстоянии от нагрузки.

Работает фильтр по фиг.1 следующим образом. Напряжение питания подается от регулятора напряжения на конденсаторы, включенные параллельно нагрузке, которые совместно осуществляют фильтрацию напряжения питания, причем наличие неоксидных конденсаторов позволяет эффективно отфильтровать высокочастотные составляющие гармоник напряжения питания. В результате на процессор подается качественное отфильтрованное напряжение. Помехи, генерируемые в нагрузке, распространяются в обратном направлении, от нагрузки к регулятору напряжения. Ближайший к нагрузке безвыводный высокочастотный конденсатор, имея пренебрежимо малую индуктивность, эффективно замыкает на себя все помехи, имеющие частоту выше частоты среза этого звена. На последующее звено фильтра помехи поступают за вычетом вырезанного предыдущим звеном участка спектрального диапазона. И так каждое звено фильтра шунтирует помехи в выделенном ему участке спектрального диапазона от собственной частоты среза до частоты среза более высокочастотного звена. Тем самым, защищая более низкочастотные звенья от высокочастотных помех, а в сумме все конденсаторы, включая оксидный, подавляют помехи во всем спектральном диапазоне, генерируемом нагрузкой, и предотвращают их переизлучение или попадание в цепи распределения питания. Частота среза этих звеньев определяется из условия распределения мощности помех, равномерно между конденсаторами звеньев, не превышая предельную для каждого конденсатора реактивную мощность. (В простейшем случае, при равенстве допустимой реактивной мощности на каждый конденсатор, распределяется равномерно в диапазоне частот помехи).

Работает фильтр по фиг.2 аналогичным образом и отличается только тем, что помехи, генерируемые в нагрузке и распространяющиеся в обратном направлении от нагрузки к регулятору напряжения, ослабляются не только звеном RiCn, но и претерпевают дополнительное ослабление на дросселе LnCn звена фильтра нижних частот. Суммарное подавление помех при совместной работе LnCn и RiCn звеньев составляет 12 дБ на частоте среза такого звена.

Применение фильтра для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем дает положительный технический результат, а именно позволяет эффективно отфильтровать помехи во всем диапазоне частот и мощностей, где может использоваться технология печатных плат, в цепях питания таких узлов современных высокопроизводительных вычислительных систем, как процессоры, видеопроцессоры, модули памяти, чип сеты и другие большие цифровые интегральные схемы. Причем снижение тепловыделения обеспечивается за счет фильтрации помех на реактивных элементах фильтра с малыми тангенсами угла потерь в пределах их рабочего диапазона. Для современных процессоров достаточным является трехзвенный фильтр, который способен отфильтровать 5-10 вар (ватт реактивных) мощности, генерированных этим процессором. Эффективная фильтрация, полученная при применении данного фильтра, снижает уровень помех ниже порога помехоустойчивости во всем диапазоне загрузки процессора, позволяет достичь надежности и устойчивости работы компьютера при 100% загрузке процессора. Требования к топологии снижаются за счет уменьшения расстояния от генератора помех - процессора до первого звена предложенного фильтра. Это снижает индуктивность этого отрезка цепей распределения питания и соответственно напряжения помехи - напряжения самоиндукции на данной индуктивности на фронтах импульсов токов переключения. При частотах преобразования, принятых в блоках питания современных компьютеров, и токах, потребляемых нагрузкой, емкость конденсатора фильтра С1 можно несколько снизить без снижения качества фильтрации, а применение в фильтре неоксидных конденсаторов повышает качество фильтрации на гармониках питающего напряжения. Кроме этого, данный фильтр устраняет излучение не отфильтрованных высокочастотных составляющих помехи, как это имело место в исходной схеме, чем достигается общее повышение устойчивости системы.

Еще один положительный эффект при применении данного фильтра заключается в снижении температуры процессора, в режиме 100% загрузки, что можно объяснить снижением потерь в изоляционных слоях кристалла процессора в результате подавления высокочастотных составляющих помех.

Данный фильтр был реализован автором на материнской плате BEII-6 производства фирмы Abit, показал хорошую работоспособность, при этом температура оксидных конденсаторов снизилась до комнатной, отсутствовали сбои процессора.

Изобретение относится к элементам конструкций цифровых вычислительных машин, например, к конструкции цепей распределения питания скоростных прооцессоров, видеопроцессоров, микросхем памяти и других больших цифровых интегральных схем. Технический результат заключается в повышении надежности, снижении тепловыделения и снижении емкости оксидного конденсатора. Фильтр содержит несколько RiCi звеньев. Конденсаторы (К) звеньев фильтра нижних частот (ФНЧ) расположены в порядке убывания их емкости от регулятора напряжения к нагрузке. При этом последний К минимальной емкости выполнен в виде безвыводного высокочастотного К. А К центральных звеньев выполнены не оксидными, причем первый К выполнен в виде одного или нескольких оксидных К. Для всех К, кроме первого, их реактивное сопротивление Хс равно эквивалентному внутреннему сопротивлению нагрузки на частоте среза каждого звена ФНЧ, в которое входит данный К. Фильтр для подавления помех также содержит цепочку дросселей, которые с К фильтра образуют звенья ФНЧ. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем, содержащий регулятор напряжения и, по крайней мере, один оксидный конденсатор, включенный параллельно нагрузке - большой цифровой интегральной схеме, являющейся источником помех с эквивалентным внутренним сопротивлением источника помех Ri, отличающийся тем, что содержит фильтр нижних частот, содержащий несколько RiCn звеньев, где Cn - конденсатор звена фильтра нижних частот, включенный параллельно в линию питания нагрузки с эквивалентным внутренним сопротивлением источника помех Ri, a n - номер звена фильтра нижних частот, отсчитываемый от регулятора напряжения, при этом конденсаторы звеньев фильтра нижних частот расположены в порядке убывания их емкости от регулятора напряжения к нагрузке, при этом последний конденсатор минимальной емкости расположен на минимально возможном расстоянии от нагрузки и выполнен в виде безвыводного высокочастотного конденсатора, а конденсаторы центральных звеньев, между первым и последним конденсаторами звеньев фильтра нижних частот, выполнены не оксидными, причем первый конденсатор выполнен в виде одного или нескольких оксидных конденсаторов, для всех конденсаторов, кроме первого, их реактивное сопротивление Хс равно эквивалентному внутреннему сопротивлению нагрузки как источника помех с сопротивлением Ri, на частоте среза каждого звена фильтра нижних частот, в которое входит данный конденсатор.2. Фильтр для подавления помех в цепях питания больших цифровых интегральных схем по п.1, отличающийся тем, что в токовую цепь включена последовательная цепочка дросселей Ln между конденсаторами Сn и дроссели Ln совместно с конденсаторами фильтра Сn образуют Г-образные LnCn звенья фильтра нижних частот, где Ln - дроссель, Сn - конденсатор, n - номер звена фильтра, отсчитываемый от регулятора напряжения, причем ближайшее к нагрузке звено не имеет дросселя, при этом реактивное сопротивление дросселя Ln равно реактивному сопротивлению конденсатора Хс на частоте среза каждого звена фильтра нижних частот.