Как найти малое потребление на плате

Как проверить и измерить потребление электроэнергии

На протяжении многих лет я был свидетелем множества «споров» о том, кто или что вызвало повышение счета за электроэнергию.

Я также слышал много дезинформации о том, какие устройства потребляют больше всего электроэнергии.

В этом сообщении в блоге я расскажу о нескольких устройствах, которые вы можете использовать для проверки потребления электроэнергии. Эти устройства помогут вам понять, что потребляет больше всего электроэнергии, и вы сможете экономить энергию!

Как вы увидите, не существует универсального подхода к мониторингу энергопотребления. Устройство, которое вам нужно, различается в зависимости от того, проверяете ли вы пивной холодильник, измеряете ли квартиру бабушки или отслеживаете, сколько энергии использует караван.

1. Как измерить потребление электроэнергии приборами.

Такие как телевизоры, компьютеры, холодильники, морозильники, посудомоечные машины, стиральные машины, обогреватели и переносные вентиляторы.

У фена, чайника и зарядного устройства для мобильного телефона есть одна общая черта: стандартная розетка. Благодаря этому их относительно легко проверить на предмет высокого или низкого потребления электроэнергии. Фактически, все , что имеет обычный штекер на 10 ампер, можно измерить с помощью подключаемого измерителя мощности .

Прежде чем приступить к блиц-измерениям, я бы порекомендовал вам сначала проверить счет за электроэнергию . В частности, вам следует записать среднесуточную цифру в кВтч. Это число дает вам возможность сравнить измеренное потребление электроэнергии.

Например: вы можете измерить холодильник на 24 часа и узнать, что он потребляет 1,2 кВтч в день. Если ваше общее энергопотребление составляет 12 кВт-ч в день, теперь вы знаете, что на холодильник приходится около 10% вашего счета за электроэнергию (1,2 кВт-ч, разделенные на 12 кВт-ч = 0,1 или 10%).

В настоящее время для этой цели мы продаем три съемных измерителя мощности:

1. Измеритель мощности уменьшения оборотов . Этот недорогой вариант выполняет всю работу по специальному мониторингу в доме. Он не подходит для непрерывной регистрации данных об использовании электроэнергии.
2. Умная вилка Wi-Fi с монитором энергии . Это отличное решение, если вам нужны дополнительные функции в дополнение к возможности проверки потребления электроэнергии. Например, вы можете использовать его для удаленного включения и выключения техники со смартфона, даже если вас нет дома.
3. Power Mate Lite . T его более профессионального инструмента для энергоаудиторов, электриков или технических энтузиастов. Существует также 15 амп модель для 15 усилителей приборов , которые вы можете найти в коммерческих кухнях, караван парков, а также в других местах.

Два наших самых популярных съемных измерителя мощности.

2. Как проверить потребление электроэнергии в доме.

Например, весь ваш дом или помещение для малого бизнеса. Включая бытовые электроприборы, такие как солнечные фотоэлектрические панели, схемы освещения, кондиционеры, спа, духовки и системы горячего водоснабжения.

Вскоре вы поймете, что некоторые ключевые потребители энергии не могут быть подключены к электросети . Такие предметы, как осветительные приборы , кондиционер обратного цикла, наружные спа и электрические системы горячего водоснабжения.

Чтобы отслеживать потребление электроэнергии этими предметами, вам необходимо установить беспроводной монитор энергопотребления.

Мониторы энергопотребления отображают общее энергопотребление в режиме реального времени. Вот несколько способов, которыми они могут помочь выявить основные проблемы использования энергии и затрат:

• Включите и выключите рассматриваемый прибор. Запишите, насколько увеличивается и уменьшается значение «кВт» на мониторе энергопотребления. Как это отразится на цифре затрат?
• Перед выходом на улицу проверьте потребление электроэнергии. Сколько энергии используется? Что еще может быть на том, чего не должно быть?
• Проверьте потребление энергии на ночь. Должно ли потребление быть таким высоким, когда все спят? Или на работе, когда офис закрыт?

Мы продаем три основных типа беспроводных опций мониторинга энергии:

1. Powerpal энергии монитор. Это устройство можно легко самостоятельно установить на любой интеллектуальный или цифровой счетчик электроэнергии. Powerpal отслеживает ваше использование на вашем телефоне с помощью приложения.
2. Efergy Elite . В этом устройстве используются зажимы датчика тока, установленные на плате счетчика.
3. Powersensor . Новый тип монитора энергии (и приложения), который идеально подходит для домашних хозяйств с солнечными батареями.

Типы беспроводных мониторов энергии.

3. Как измерить потребление электроэнергии для выставления счетов (или аналогичных).

Включая мастерские, субарендаторов офисов, квартиры для бабушек, домики, навесы, зарядные устройства для электромобилей, площадки для домов на колесах, лодочные причалы, прохладные помещения и многое другое.

Еще одна проблема, с которой я часто сталкиваюсь, — это подозрения по поводу потребления электроэнергии в определенной области собственности. Это место может быть занято мужем-мастером, самодеятельным подростком или вашими свекровями.

Или вы можете управлять гостиничным бизнесом с большим количеством отдельных участков (комнат, коттеджей или участков), но получать только один счет за электроэнергию.

Эти зоны хороши тем, что обычно у них есть собственная силовая цепь. Это делает их идеальным кандидатом на роль электромонтажника. Электрический субсчетчик позволяет вам измерять цепь или группу цепей для целей выставления счетов или просто для лучшей информированности.

Как только вы узнаете, сколько кВтч потребляет площадь, все, что вам нужно сделать, это вычесть это из основного счета за электроэнергию, чтобы понять его относительное влияние.

Мы предлагаем три субметровых варианта:

1. 45 ампер субметра — для небольших однофазных зон, многих зарядных устройств для электромобилей и т. Д.
2. 80 ампер субметра — для более крупных субаренд (большие квартиры, коммерческие офисы и т. Д.)
3. Трехфазный субметр на 100 ампер — для больших трехфазных подсхем.

Наши три размера электрических субметров. Они устанавливаются электриком на щитке вашего счетчика.

Как оплачивается потребление электроэнергии без счетчика?

Как оплачивается электроэнергия без счетчика? В каких случаях потребитель платить по среднему потреблению, а в каких — по нормативу? В каких случаях плата по нормативу выставляется с повышающим коэффициентом? И как, все-таки, выгоднее платить за свет — по счетчику или по нормативу? Посетители ЭнергоВОПРОС.ру нередко задают такого рода вопросы. Попробуем разобраться.

Оплата электроэнергии без счетчика: что говорит действующее законодательство

Как рассчитывается плата за электроэнергию в случае, если в квартире установлен и исправно работает счетчик электроэнергии, знают, наверное, все.

Есть счетчик. Есть его показания. Берете количество потраченных за месяц киловатт-часов, умножаете на действующий в вашем регионе тариф. Получаете сумму, которую нужно оплатить за потребление электроэнергии. Все просто!

Но как рассчитывается плата за электроэнергию без счетчика? Действующее законодательство сводит все многообразие жизненных ситуаций к следующим вариантам:

• счетчик есть, но его показания не были вовремя (в соответствии с установленной процедурой) переданы
• счетчик есть, но он оказался неисправным (сломался, истек срок поверки)
• счетчик есть, но представителей исполнителя услуги энергоснабжения к нему не пускают
• счетчик есть, но при проверке выяснилось, что он умышленно испорчен (либо электричество подключено мимо счетчика)
• наконец, счетчика попросту нет. И такая ситуация отнюдь не редкость.

Как рассчитывается плата за услугу электроснабжение в каждом из этих случаев подробно прописано в Правилах оказания коммунальных услуг.

Этот документ был утвержден постановлением правительства N 354 от 6 мая 2011 г. N 354 «Опредоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов». С тех пор в него вносились многочисленные изменения. С действующей версией Правил можно ознакомиться, например, здесь.

Следуя Правилам, давайте разберем перечисленные выше варианты.

Оплата электроэнергии, если не переданы вовремя показания счетчика

Начнем сначала. Для того, чтобы иметь возможность оплачивать электроэнергию, исходя из показаний счетчика, надо эти показания передать тому, кто поставляет вам электроэнергию.

Как передать показания счетчика? В какой срок? Кому? Эти вопросы вполне уместны и заслуживают отдельного разбора. Если вкратце, то показания передаются либо в энергосбытовую компанию (вашему поставщику электроэнергии), либо в управляющую компанию вашего дома, либо через городской (региональный) расчетный центр.

Есть так же еще несколько путей. Но здесь и сейчас важно отметить – если показания счетчика не переданы, то и оплачивать электроэнергию по ним не получится. Выглядит справедливо.

Так вот, в случае если вы не предоставили показания счетчика, плата за электроэнергию определяется исходя из вашего среднемесячного объема потребления.

«Среднемесячное» потребление в таком случае рассчитывается исходя из тех показаний, который вы сдавали (или они были получены, например, в ходе проверки вашего счетчика) в течение последних шести месяцев.

Исключение, о котором говорится в Правилах, представляют случаи, когда расчеты по счетчику начались менее чем за шесть месяцев до того момента, как вы не передали его показания. Например, счетчик вам поставили в июне, а уже в октябре вы не передали показания. В таком случае берется за основу ваш средний месячный расход электроэнергии за период фактической работы счетчика. Но не менее 3 месяцев.

Вы не передали показания один месяц, второй, третий… Что дальше? Начиная с четвертого месяца, в течении которого вы не передаете показания счетчика вас переведут на оплату по нормативам. Как это выглядит – см. здесь.

Если вам интересует, как сказанное выше сформулировано в Правилах оказания коммунальных услуг, то вам нужно изучить п. 59 (б) этого документа.

Оплата электроэнергии, если счетчик оказался (былпризнан) неисправным

Представим: вы каким-то образом обнаружили, что ваш счетчик неисправен. Был разбит в ходе ремонтных работ. Пострадал при пожаре. Просто перестал работать, и это видно даже вам. Как вариант – был украден. Или у него истек срок поверки, или закончился срок эксплуатации… Как начисляется плата за свет в таком случае?

Ситуацию описывает пункт 59 (а) Правил предоставления коммунальных услуг. Прежде всего определяется момент наступления «события», то есть когда именно прибор учета признается неисправным (утраченным)?

Это может будет дата вашего заявления в энергосбытовую компанию о неисправном счетчике. Или дата составления акта о неисправности счетчика по итогам его осмотра инспектором. Либо дата истечения межповерочного интервала счетчика. Если точной даты нет, то за «точку отсчета» принимается месяц (платежный период) в котором произошло «событие».

С этой даты вас переводят на оплату по среднему месячному потреблению. Среднее месячное потребление рассчитывается так же, как и в предыдущем пункте – исходя из последних шести месяцев.

Однако «по среднему» вам будут начислять лишь три месяца подряд. После чего переведут на платежи по нормативу. Как рассчитывается плата за электроэнергию по нормативу см. здесь.

Стоит отметить, что с некоторых пор потребителям, у которых прибор учета электроэнергии вышел из строя и которые живут без счетчика более трех месяцев, плату по нормативу начисляют с повышающим коэффициентом 1.5. Так что с установкой нового счетчика хорошо бы поторопиться.

Отдельно стоит рассмотреть случай, когда неисправность прибора учета обнаруживается в ходе проверки счетчика представителем энергосбытовой компании и при этом инспектор настаивает на том, что имело место быть несанкционированное вмешательство в работу прибора учета. Перечень признаков такого вмешательства дан в п. 81.11 Правил.

Нарушения должны быть описаны в специальном Акте. С даты его подписания проводится перерасчет потребления электроэнергии исходя из норматива, увеличенного в 10 раз (пронорматив, опять-таки см. по ссылке).

Срок перерасчета – три месяца, предшествующие дате выявления нарушения и до даты их устранения (что в большинстве случаев означает замену счетчика).

Счетчик есть, но представителей энергосбытовой компании к нему допускают. Как начисляется плата за свет?

Сперва давайте определимся – что значит «не пускают»? Часто счетчики электроэнергии установлены непосредственно в квартире или же в тамбуре, доступ в который со стороны лестничной площадки закрыт «хорошей железной дверью» (с).

То есть постороннему лицу проникнуть к счетчику не так-то просто. При этом инспектора энергосбытов имеют привычку посещать абонентов в рабочее время. По ночам или ранним утром они не ходят. Значит, шансов пересечься с обитателями квартиры у них немного.

Как раз на такой случай в Правилах предоставления коммунальных услуг подробно расписана процедура, которой должен следовать представитель энергосбыта, чтобы согласовать с хозяином квартиры время проверки.

Представители организации – поставщика электроэнергии обязаны заблаговременно уведомить хозяев проверяемой квартиры. Те, в свою очередь, должны подтвердить, что в предлагаемое время будут дома.

Они не подтверждают? Значит, исполнитель коммунальной услуги обязан отправить повторное уведомление. Если и на второй раз согласовать дату визита не получается (или же проверяющие пришли в согласованное время, а дома все равно никого нет), то составляется специальный документ — Акт об отказе допуска исполнителя к приборам учета.

Каждая итерация этой непростой процедуры подробно описана в п. 85 Правил. Если вам действительно необходимо точно знать — кто, что и в какой последовательности должен делать? – обязательно почитайте.

С даты, когда оформляется Акт об отказе в допуске, потребителя переводят на оплату по среднемесячному потреблению. Если вопрос с проверкой счетчика не решается в течении трех месяцев, то вам начнут приходить платежки за свет, рассчитанные по нормативу.

Как рассчитывается плата за свет, если счетчик умышленно испорчен, или (как вариант) электричество идет в квартиру, минуя прибор учета?

Чуть выше об уже писалось. Эта ситуация самая неприятна для потребителя. Способ расчета за электроэнергию в таких обстоятельствах описывает п. 62 Правил предоставления коммунальных услуг.

Итак, в ходе проверки инспектора обнаружили, что ваш электросчетчик умышленно приведен в неисправное состояние и считает электроэнергию в «вашу пользу», или же электричество в вашу квартиру (дома) заведено мимо счетчика. Что будет дальше? Последствия достаточно суровые.

Коммунальщики имеют право доначислить плату за электроэнергию, исходя из общего количества потребителей электроэнергии в квартире (частном доме) и потребляемой ими максимальной мощности. Расчет производится исходя из того, что потребление электроэнергии происходит круглосуточно. А сами доначисления производятся за три месяца, предшествующие устранению несанкционированного подключения мимо счетчика.

Если же определить, какие потребители электроэнергии находятся в квартире и какова их максимальная мощности, невозможно, то плата за электроэнергию в таком случае рассчитывается исходя из норматива, увеличенного в десять раз.

Про норматив читайте чуть ниже, здесь же стоит отметить, что суммы, начисляемые таким образом, в несколько раз, а то и на порядок превосходят плату по фактическому потреблению электроэнергии.

Как и в случае расчета, исходя из максимальной мощности, перерасчет по 10-ти кратно увеличенному нормативу производится за три месяца, предшествующих устранению подключения к электросетям мимо счетчика.

Небольшое уточнение – если менее чем за три месяца до выявления нарушения вас посещали проверяющие и ничего «криминального» не обнаружили, то расчет платы за электроэнергию по максимально возможному ее потреблению (или 10-кратному нормативу) будет производиться с даты этого визита.

Как платить за свет, если в вашей квартире нет счетчика? И (или) никогда не было? Т.е. по нормативу?

Электросчетчики — это, конечно, не счетчики на воду, массово устанавливать которые начали только в последнее десятилетие.

Счетчиками электроэнергии квартиры начали оборудовать в обязательном порядке еще во времена СССР. И, тем не менее, во многих квартирах (один из наиболее частных случаев – квартиры в бывших общежитиях) и частных домах счетчиков до сих пор нет. Плата за электроэнергию в таком случае рассчитывается по нормативу.

Норматив в данном случае – это расчетная величина потребления электроэнергии в жилом помещении, которая привязывается к количеству комнат в квартире и типе ее благоустройства(газовая плита или электрическая).

В Правилах предоставления коммунальных услуг вопрос платы за электроэнергию по нормативу разбирается в пункте 42. Давайте по нему пройдемся.

Итак, берется три показателя:

• количество граждан, постоянно или временно проживающих в жилом помещении
• норматив потребления электроэнергии, он определяется для каждого региона отдельным решением местных властей
• тариф на электроэнергию, действующий для данного типа потребителя

Эти три цифры перемножаются и получается стоимость электроэнергии, которая указывается в платежке.

К этому стоит добавить следующее:

Первое: если в квартире никто официально не зарегистрирован (ни постоянно, не временно), то плата по нормативу рассчитывается исходя из количества собственников жилья

Второе: власти сильно хотят, чтобы во всех домах и квартирах были установлены счетчики электроэнергии, поэтому если жилое помещение не оборудовано прибором учета электроэнергии, то плата по нормативу начисляется с коэффициентом 1,5 (без коэффициента взимается плата по нормативу в тех случаях, когда счетчик есть, но его показания не передаются).

Что выгоднее: по счетчику или по нормативу?

Часто спрашивают – а как выгоднее платить за свет? По нормативу или, все же, по счетчику, потратившись не его покупку и установку?

Если говорить в «общем», то ответ будет такой:

• если в квартире фактически проживает больше людей, чем официально зарегистрировано, то платить по нормативу может оказаться выгоднее,
• а если наоборот – зарегистрировано больше, чем проживает, то, конечно, по счетчику оплачивать электроэнергию будет дешевле.

Ну а если вас интересует конкретика, надо поискать решение тарифного органа вашего региона, которым утверждены нормативы потребления. Дальше вооружаетесь калькулятором и считаете.

Но все-таки, рискнем предположить, что в большинстве случаев все-таки выгоднее будет поставить прибор учета.

Техника разводки печатных плат: аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила

Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешности общего вида, описанные в этой статье, могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.

Намерением этой статьи является обсуждение распространенных ошибок, совершаемых разработчиками печатных плат, описание воздействия этих ошибок на качественные показатели и рекомендации по разрешению возникших проблем.

Печатная плата — компонент схемы

Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы. В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.

Макетирование

Разработчики цифровых схем могут скорректировать небольшие ошибки на изготовленной плате, дополняя ее перемычками или, наоборот, удаляя лишние проводники, внося изменения в работу программируемых микросхем и т.п., переходя очень скоро к следующей разработке. Для аналоговой схемы дело обстоит не так. Некоторые из распространенных ошибок, обсуждаемых в этой статье, не могут быть исправлены дополнением перемычек или удалением лишних проводников. Они могут и будут приводить в нерабочее состояние печатную плату целиком.

Очень важно для разработчика цифровых схем, использующего такие способы исправления, прочесть и понять материал, изложенный в этой статье, заблаговременно, до передачи проекта в производство. Немного внимания, уделенного при разработке, и обсуждение возможных вариантов помогут не только предотвратить превращение печатной платы в утильсырье, но и уменьшить стоимость из-за грубых ошибок в небольшой аналоговой части схемы. Поиск ошибок и их исправление может привести к потерям сотен часов. Макетирование может сократить это время до одного дня или менее. Макетируйте все свои аналоговые схемы

Источники шума и помех

Шум и помехи являются основными элементами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнал-процессоры (DSP).

Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д. Даже если аналоговая схема работает в звуковом частотном диапазоне, радиочастотные помехи могут создавать заметный шум в выходном сигнале.

Категории печатных плат

Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Наиболее подходящим и удобным для разработчика будет, если изготовитель печатных плат находится неподалеку. В этом случае легко осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной — основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель компонентов, используемых при производстве печатных плат.

Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 — наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в табл. 1.

Не используйте печатную плату категории FR-1. Есть много примеров использования печатных плат FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. Печатные платы этой категории более похожи на картон.

FR-4 часто используется при изготовлении промышленного оборудования, в то время, как FR-2 используется в производстве бытовой техники. Эти две категории стандартизованы в промышленности, а печатные платы FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Но иногда неидеальность характеристик этих категорий заставляет использовать другие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала печатных плат используются фторопласт и даже керамика. Однако, чем экзотичнее материал печатной платы, тем выше может быть цена.

При выборе материала печатной платы обращайте особое внимание на его гигроскопичность, поскольку этот параметр може оказать сильный негативный эффект на желаемые характеристики платы — поверхностное сопротивление, утечки, высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения) и механическая прочность. Также обращайте внимание на рабочую температуру. Участки с высокой температурой могут встречаться в неожиданных местах, например, рядом с большими цифровыми интегральными схемами, переключения которых происходят на высокой частоте. Если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами, повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы.

Таблица 1

бумага, фенольная композиция: прессование и штамповка при комнатной температуре, высокий коэффициент гигроскопичности

бумага, фенольная композиция: применимый для односторонних печатных плат бытовой техники, невысокий коэффициент гигроскопичности

бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими механическими и электрическими характеристиками

стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные механические и электрические свойства

стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность при повышенных температурах, отсутствие воспламенения

стеклоткань, эпоксидная композиция: высокие изоляционные свойства, наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности

стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность на изгиб при повышенных температурах, высокая сопротивляемость растворителям

После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.

Количество слоев печатной платы

В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.

Однослойные печатные платы

Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже, односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам. Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.

Двухслойные печатные платы

На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Применение FR-4 более предпочтительнее, поскольку в печатных платах из этого материала отверстия получаются более лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

• общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь «много» общего провода для упрощения разводки
• увеличивается механическая прочность платы
• уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки
• увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум
• полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона

Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала из-за такого большого интервала.

Многослойные печатные платы

Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:

• такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы
• сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников
• между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум

Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:

• лучшее подавление электромагнитных (EMI) и радиочастотных (RFI) помех благодаря эффекту отражения (image plane effect), известному еще во времена Маркони. Когда проводник размещается близко к плоской проводящей поверхности, большая часть возвратных высокочастотных токов будет протекать по плоскости непосредственно под проводником. Направление этих токов будет противоположно направлению токов в проводнике. Таким образом, отражение проводника в плоскости создает линию передачи сигнала. Поскольку токи в проводнике и в плоскости равны по величине и противоположны по направлению, создается некоторое уменьшение излучаемых помех. Эффект отражения эффективно работает только при неразрывных сплошных полигонах (ими могут быть как полигоны земли, так и полигоны питания). Любое нарушение целостности будет приводить к уменьшению подавления помех.
• снижение общей стоимости при мелкосерийном производстве. Несмотря на то, что изготовление многослойных печатных плат обходится дороже, их возможное излучение меньше, чем у одно- и двухслойных плат. Следовательно, в некоторых случаях применение лишь многослойных плат позволит выполнить требования по излучению, поставленные при разработке, и не проводить дополнительных испытаний и тестирований. Применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дБ по сравнению с двухслойными платами.

Порядок следования слоев

У неопытных разработчиков часто возникает некоторое замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Возьмем для примера 4-слойную плату, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя — слой земли и слой питания. Какой порядок следования слоев лучший? Сигнальные слои между полигонами, которые будут служить экранами? Или же сделать полигонные слои внутренними, чтобы уменьшить взаимовлияние сигнальных слоев?

При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.

Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.

Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.

Заземление

Хорошее заземление — общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.

Основное правило: разделение земли.

Разделение земли на аналоговую и цифровую части — один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т.е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.

Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого производятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.

Другие правила формирования земли:

• Шины питания и земли должны находится под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости
• Не допускайте перекрытий аналоговых и цифровых полигонов (рис. 1). Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Если в каком-либо месте существует перекрытие аналогового и цифрового полигона, распределенная емкость между перекрывающимися участками будет создавать связь по переменному току, и наводки от работы цифровых компонентов попадут в аналоговую схему. Такие перекрытия аннулируют изоляцию полигонов

Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что не только основная тактовая частота может вызывать проблему, но и ее высшие гармоники.

• Хорошей концепцией является размещение аналоговой части схемы вблизи к входным/выходным соединениям платы. Разработчики цифровых печатных плат, использующие мощные интегральные схемы, часто склонны разводить шины шириной 1 мм и длиной несколько сантиметров для соединения аналогововых компонентов, полагая, что малое сопротивление трассы поможет избавиться от наводок. То, что при этом получается, представляет собой протяженный пленочный конденсатор, на который будут наводиться паразитные сигналы от цифровых компонентов, цифровой земли и цифрового питания, усугубляя проблему

Пример хорошего размещения компонентов

На рисунке 4 показан возможный вариант размещения всех компонентов на плате, включая источник питания. Здесь используются три отделенных друг от друга и изолированных полигона земли/питания: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Цепи земли и питания аналоговой и цифровой частей объединяются только в источнике питания. Высокочастоный шум отфильтровывается в цепях питания дросселями. В этом примере высокочастотные сигналы аналоговой и цифровой частей отнесены друг от друга. Такой дизайн имеет очень высокую вероятность на благоприятный исход, поскольку обеспечено хорошее размещение компонентов и следование правилам разделения цепей.

Имеется лишь один случай, когда необходимо объединение аналоговых и цифровых сигналов над областью полигона аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи размещаются в корпусах с выводами аналоговой и цифровой земли. Принимая во внимание предыдущие рассуждения, можно предположить, что вывод цифровой земли и вывод аналоговой земли должны быть подключены к шинам цифровой и аналоговой земли соответственно. Однако в данном случае это не верно.

Названия выводов (аналоговый или цифровой) относятся лишь к внутренней структуре преобразователя, к его внутренним соединениям. В схеме эти выводы должны быть подключены к шине аналоговой земли. Соединение может быть выполнено и внутри интегральной схемы, однако получить низкое сопротивление такого соединения довольно сложно из-за топологических ограничений. Поэтому при использовании преобразователей предполагается внешнее соединение выводов аналоговой и цифровой земли. Если этого не сделать, то параметры микросхемы будут значительно хуже приведенных в спецификации.

Необходимо учитывать то, что цифровая элементы преобразователя могут ухудшать качественные характеристики схемы, привнося цифровые помехи в цепи аналоговой земли и аналогового питания. При разработке преобразователей учитывается это негативное воздействие так, чтобы цифровая часть потребляла как можно меньше мощности. При этом помехи от переключений логических элементов уменьшаются. Если цифровые выводы преобразователя не сильно нагружены, то внутренние переключения обычно не вызывают особых проблем. При разработке печатной платы, содержащей АЦП или ЦАП, необходимо должным образом отнестись к развязке цифрового питания преобразователя на аналоговую землю.

Частотные характеристики пассивных компонентов

Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.

Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так — высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.

Резисторы

Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 5.

Обычно применяются резисторы трех типов:

1. Проволочные
2. Углеродные композитные
3. Пленочные

Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 кОм можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.

Конденсаторы

Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.

Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:

Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кГц и 160 мкОм на частоте 100 МГц. Так ли это?

В действительности, никто никогда не видел электролитического конденсатора с реактивным сопротивлением 160 мкОм. Обкладки пленочных и электролитических конденсаторов представляют собой свитые слои фольги, которые создают паразитную индуктивность. Эффект собственной индуктивности у керамических конденсаторов значительно меньше, что позволяет использовать их при работе на высоких частотах. Кроме этого, конденсаторы обладают током утечки между обкладками, который эквивалентен включенному параллельно их выводам резистору, добавляющему свое паразитное воздействие к воздействию последовательно включенного сопротивления выводов и обкладок. К тому же, электролит не является идеальным проводником. Все эти сопротивления складываясь создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Конденсаторы, используемые в качестве развязок должны обладать малым ESR, поскольку последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры довольно значительно увеличивает эквивалентное последовательное сопротивление и может привести к ухудшению характеристик конденсатора. Поэтому, если предполагается использование алюминиевого электролитического конденсатора при повышенной рабочей температуре, то необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа (105°С).

Выводы конденсатора также вносят свой вклад в увеличение паразитной индуктивности. Для малых значений емкости важно оставлять длину выводов короткой. Сочетание паразитных индуктивности и емкости может создать резонансный контур. Полагая, что выводы имеют индуктивность порядка 8 нГн на один сантиметр длины, конденсатор емкостью 0,01 мкФ с выводами длиной по одному сантиметру будет иметь резонансную частоту около 12,5 МГц. Этот эффект известен инженерам, которые десятилетия назад разрабатывали электронные вакуумные приборы. Тот, кто восстанавливает антикварные радиоприемники и не знает об этом эффекте, сталкивается с множеством проблем.

При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.

В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.

Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой:

Следовательно, индуктивность 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кГц, а на частоте 100 МГц — сопротивлением 6,28 МОм. Верно?

В действительности, не существует индуктивности с реактивным сопротивлением 6,28 МОм. Природу возникновения паразитного сопротивления легко понять — витки катушки выполнены из провода, обладающего некоторым сопротивлением на единицу длины. Паразитная емкость воспринимается труднее до тех пор, пока не принять во внимание то, что следующий виток катушки расположен вплотную к предыдущему, и между близко расположенными проводниками возникает емкостная связь. Паразитная емкость ограничивает верхнюю рабочую частоту. Небольшие проволочные индуктивности начинают становиться неэффективными в диапазоне 10. 100 МГц.

Печатная плата

Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.

Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.

Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образовывают своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой статье. Тем не менее, некоторые основы здесь приводятся.

Немного из теории антенн

Одним из основных типов антенн является штырь или прямой проводник. Такая антенна работает, потому что прямой проводник обладает паразитной индуктивностью и поэтому может концентрировать и улавливать излучение от внешних источников. Полный импеданс прямого проводника имеет резистивную (активную) и индуктивную (реактивную) составляющие.

На постоянном токе или низких частотах преобладает активная составляющая. При повышении частоты реактивная составляющая становится все более и более значимой. В диапазоне от 1 кГц до 10 кГц индуктивная составляющая начинает оказывать влияние, и проводник более не является низкоомным соединителем, а скорее выступает как катушка индуктивности.

Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:

Обычно, трассы на печатной плате обладают значениями от 6 нГн до 12 нГн на сантиметр длины. Например, 10-сантиметровый проводник обладает сопротивлением 57 мОм и индуктивностью 8 нГн на см. На частоте 100 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 мОм, а на более высоких частотах проводник будет представлять собой скорее индуктивность, чем активное сопротивление.

Правило штыревой антенны гласит, что она начинает ощутимо взаимодействовать с полем при своей длине около 1/20 от длины волны, а максимальное взаимодействие происходит при длине штыря, равной 1/4 от длины волны. Поэтому 10-сантиметровый проводник из примера в предыдущем параграфе начнет становиться довольно хорошей антенной на частотах выше 150 МГц. Необходимо помнить, что несмотря на то, что генератор тактовой частоты цифровой схемы может и не работать на частоте выше 150 МГц, в его сигнале всегда присутствуют высшие гармоники. Если на печатной плате присутствуют компоненты со штыревыми выводами значительной длины, то такие выводы также могут служить антеннами.

Другой основной тип антенн — петлевые антенны. Индуктивность прямого проводника сильно увеличивается, когда он изгибается и становится частью дуги. Увеличивающаяся индуктивность понижает частоту, на которой начинает происходить взаимодействие антенны с линиями поля.

Опытные дизайнеры печатных плат, достаточно хорошо разбирающиеся в теории петлевых антенн, знают, что нельзя создавать петли для критичных сигналов. Некоторые разработчики, однако, не задумываются об этом, и проводники возвратного и сигнального тока в их схемах представляют собой петли. Создание петлевых антенн легко показать на примере (рис. 8). Кроме того, здесь показано и создание щелевой антенны.

Рассмотрим три случая:

Вариант A — пример скверного дизайна. В нем вовсе не используется полигон аналоговой земли. Петлевой контур формируется земляным и сигнальным проводником. При прохождении тока возникают электрическое и перпендикулярное ему магнитное поля. Эти поля образовывают основу петлевой антенны. Правило петлевой антенны гласит, что для наибольшей эффективности длина каждого проводника должна быть равно половине длины волны принимаемого излучения. Однако, следует не забывать, что даже при 1/20 от длины волны петлевая антенна все еще остается достаточно эффективной.

Вариант Б лучше варианта A, но здесь присутствует разрыв в полигоне, вероятно, для создания определенного места для разводки сигнальных проводников. Пути сигнального и возвратного токов образуют щелевую антенну. Другие петли образуются в вырезах вокруг микросхем.

Вариант В — пример лучшего дизайна. Пути сигнального и возвратного тока совпадают, сводя на нет эффективность петлевой антенны. Заметьте, что в этом варианте также присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.

Теория отражения и согласования сигналов находится близко к теории антенн.

Когда проводник печатной платы поворачивает на угол 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит, главным образом, из-за изменения ширины пути прохождения тока. В вершине угла ширина трассы увеличивается в 1.414 раза, что приводит к рассогласованию характеристик линии передачи, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы. Довольно часто необходимо повернуть на печатной плате трассу на 90°. Многие современные CAD-пакеты позволяют сглаживать углы проведенных трасс или проводить трассы в виде дуги. На рисунке 9 показаны два шага улучшения формы угла. Только последний пример поддерживает постоянной ширину трассы и минимизирует отражения.

Совет для опытных разводчиков печатных плат: оставляйте процедуру сглаживания на последний этап работ перед созданием каплеобразных выводов и заливкой полигонов. Иначе, CAD-пакет будет производить сглаживание дольше из-за более сложных вычислений.

Паразитные эффекты печатной платы

Между проводниками печатной платы, находящимися на разных слоях, возникает емкостная связь, когда они пересекаются. Иногда это может создать проблему. Проводники, находящиеся друг над другом на смежных слоях, создают длинный пленочный конденсатор. Емкость такого конденсатора рассчитывается по формуле, приведенной на рисунке 10.

Например, печатная плата может обладать следующими параметрами:

• 4 слоя; сигнальный и слой полигона земли — смежные
• межслойный интервал — 0,2 мм
• ширина проводника — 0,75 мм
• длина проводника — 7,5 мм

Типовое значение диэлектрической постоянной ER для FR-4 равняется 4.5.

Видно, что происходит удвоение амплитуды выходного сигнала на частотах, близких к верхнему пределу частотного диапазона ОУ. Это, в свою очередь, может привести к генерации, особенно на рабочих частотах антенны (выше 180 МГц).

Этот эффект порождает многочисленные проблемы, для решения которых, тем не менее, существует много способов. Самый очевидный из них — уменьшение длины проводников. Другой способ — уменьшение их ширины. Нет причины применения проводника такой ширины для подводки сигнала к инвертирующему входу, т.к. по этому проводнику протекает очень небольшой ток. Уменьшение длины трассы до 2,5 мм, а ширины до 0,2 мм приведет к уменьшению емкости до 0,1 пФ, а такая емкость уже не приведет к столь значительному подъему частотной характеристики. Еще один способ решения — удаление части полигона под инвертирующим входом и проводником, подходящим к нему.

Инвертирующий вход операционного усилителя, особенно, высокоскоростного, в большой степени склонен к генерации в схемах с высоким коэффициентом усиления. Это происходит из-за нежелательной емкости входного каскада ОУ. Поэтому, крайне важно уменьшить паразитную емкость и располагать компоненты обратной связи настолько близко к инвертирующему входу насколько это возможно. Если, несмотря на принятые меры, происходит возбуждение усилителя, то необходимо пропорционально уменьшить сопротивления резисторов обратной связи для изменения резонансной частоты цепи. Также может помочь и увеличение резисторов, правда, значительно реже, т.к. эффект возбуждения зависит и от импеданса схемы. При изменении резисторов обратной связи нельзя забывать и об изменении емкости корректирующего конденсатора. Также нельзя забывать и о том, что при уменьшении сопротивлении резисторов увеличивается потребляемая мощность схемы.

Ширину проводников печатной платы невозможно бесконечно уменьшить. Предельная ширина определяется как технологическим процессом, так и толщиной фольги. Если два проводника проходят близко друг к другу, то между ними образуется емкостная и индуктивная связь (рис. 12).

Зависимости, описывающие эти паразитные эффекты, достаточно сложны, чтобы их приводить в этой статье, но их можно найти в литературе, посвященной линиям передачи и полосковым линиям.

Сигнальные проводники не должны разводиться параллельно друг другу, исключая случаи разводки дифференциальных или микрополосковых линий. Зазор между проводниками должен быть минимум в три раза больше ширины проводников.

Емкость между трассами в аналоговых схемах может создать затруднения при больших сопротивлениях резисторов (несколько МОм). Относительно большая емкостная связь между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя легко может привести к самовозбуждению схемы.

Всякий раз, когда при разводке печатной платы появляется необходимость в создании переходного отверстия, т.е. межслойного соединения (рис. 13), необходимо помнить, что при этом возникает также паразитная индуктивность. При диаметре отверстия после металлизации d и длине канала h индуктивность можно вычислить по следующей приближенной формуле:

Например, при d=0,4 мм и h=1,5 мм (достаточно распространенные величины) индуктивность отверстия равна 1,1 нГн.

Имейте в виду, что индуктивность отверстия вместе с такой же паразитной емкостью формируют резонансный контур, что может сказаться при работе на высоких частотах. Собственная индуктивность отверстия достаточно мала, и резонансная частота находится где-то в гигагерцовом диапазоне, но если сигнал в течение своего пути вынужден проходить через несколько переходных отверстий, то их индуктивности складываются (последовательное соединение), а резонансная частота понижается. Вывод: старайтесь избегать большого числа переходных отверстий при разводке ответственных высокочастотных проводников аналоговых схем. Другое негативное явление: при большом количестве переходных отверстий в полигоне земли могут создаваться петлевые участки. Наилучшая аналоговая разводка — все сигнальные проводники располагаются на одном слое печатной платы.

Кроме рассмотренных выше паразитных эффектов существуют еще такие, которые связаны с недостаточно чистой поверхностью платы.

Помните, что, если в схеме присутствуют большие сопротивления, то особое внимание следует уделить очистке платы. На заключительных операциях изготовления печатной платы должны удаляться остатки флюса и загрязнений. В последнее время при монтаже печатных плат достаточно часто применяются водорастворимые флюсы. Являясь менее вредными, они легко удаляются водой. Но при этом отмывка платы недостаточно чистой водой может привести к дополнительным загрязнениям, которые ухудшают диэлектрические характеристики. Следовательно, очень важно производить отмывку печатной платы с высокоимпедансной схемой свежей дистиллированной водой.

Развязка сигналов

Как уже отмечалось, помехи могут проникать в аналоговую часть схемы через цепи питания. Для уменьшения таких помех применяются развязывающие (блокировочные) конденсаторы, уменьшающие локальный импеданс шин питания.

Если необходимо развести печатную плату, на которой имеются и аналоговая, и цифровая части, то необходимо иметь хотя бы небольшое представление об электрических характеристиках логических элементов.

Типовой выходной каскад логического элемента содержит два транзистора, последовательно соединенные между собой, а также между цепями питания и земли (рис. 14).

Эти транзисторы в идеальном случае работают строго в противофазе, т.е. когда один из них открыт, то в этот же момент времени второй закрыт, формируя на выходе либо сигнал логической единицы, либо логического нуля. В установившемся логическом состоянии потребляемая мощность логического элемента невелика.

Ситуация кардинально меняется, когда выходной каскад переключается из одного логического состояния в другое. В этом случае в течение короткого промежутка времени оба транзистора могут быть открыты одновременно, а ток питания выходного каскада сильно увеличивается, поскольку уменьшается сопротивление участка пути тока от шина питания до шины земли через два последовательно соединенных транзистора. Потребляемая мощность скачкообразно возрастает, а затем также убывает, что приводит к локальному изменению напряжения питания и возникновению резкого, кратковременного изменения тока. Такие изменения тока приводят к излучению радиочастотной энергии. Даже на сравнительно простой печатной плате может быть десятки или сотни рассмотренных выходных каскадов логических элементов, поэтому суммарный эффект от их одновременной работы может быть очень большим.

Невозможно точно предсказать диапазон частот, в котором будут находиться эти выбросы тока, поскольку частота их возникновения зависит от множества причин, в том числе и от задержки распространения переключений транзисторов логического элемента. Задержка, в свою очередь, также зависит от множества случайных причин, возникающих в процессе производства. Шум от переключений имеет широкополосное распределение гармонических составляющих во всем диапазоне. Для подавления цифрового шума существует несколько способов, применение которых зависит от спектрального распределения шума.

В таблице 2 представлены максимальные рабочие частоты для распространенных типов конденсаторов.

Таблица 2

Тип	Максимальная частота
алюминиевый электролитический	100 кГц
танталовый электролитический	1 МГц
слюдяной	500 МГц
керамический	1 ГГц

Из таблицы очевидно, что танталовые электролитические конденсаторы применяются для частот ниже 1 МГц, на более высоких частотах должны применяться керамические конденсаторы. Необходимо не забывать, что конденсаторы имеют собственный резонанс и их неправильный выбор может не только не помочь, но и усугубить проблему. На рисунке 15 показаны типовые собственные резонансы двух конденсаторов общего применения — 10 мкФ танталового электролитического и 0,01 мкФ керамического.

Реальные характеристики могут отличаться у различных производителей и даже от партии к партии у одного производителя. Важно понимать, что для эффективной работы конденсатора подавляемые им частоты должны находиться в более низком диапазоне, чем частота собственного резонанса. В противном случае характер реактивного сопротивления будет индуктивным, а конденсатор перестанет эффективно работать.

Не стоит заблуждаться относительно того, что один 0,1 мкФ конденсатор будет подавлять все частоты. Небольшие конденсаторы (10 нФ и менее) могут работать более эффективно на более высоких частотах.

Развязка питания ИС

Развязка питания интегральных схем с целью подавления высокочастотного шума состоит в применении одного или нескольких конденсаторов, подключенных между выводами питания и земли. Важно, чтобы проводники, соединяющие выводы с конденсаторами, были короткими. Если это не так, то собственная индуктивность проводников будет играть заметную роль и сводить на нет выгоды от применения развязывающих конденсаторов.

Развязывающий конденсатор должен быть подключен к каждому корпусу микросхемы, независимо от того, сколько операционных усилителей находится внутри корпуса — 1, 2 или 4. Если ОУ питается двухполярным питанием, то, само собой разумеется, что развязывающие конденсаторы должны располагаться у каждого вывода питания. Значение емкости должно быть тщательно выбрано в зависимости от типа шума и помех, присутствующих в схеме.

В особо сложных случаях может появиться необходимость добавления индуктивности, включенной последовательно с выводом питания. Индуктивность должна располагаться до, а не после конденсаторов.

Другим, более дешевым способом является замена индуктивности резистором с малым сопротивлением (10. 100 Ом). При этом вместе с развязывающим конденсатором резистор образует низкочастотный фильтр. Этот способ уменьшает диапазон питания операционного усилителя, который к тому же становится более зависимым от потребляемой мощности.

Обычно для подавления низкочастотных помех в цепях питания бывает достаточно применить один или несколько алюминиевых или танталовых электролитических конденсаторов у входного разъема питания. Дополнительный керамический конденсатор будет подавлять высокочастотные помехи от других плат.

Развязка входных и выходных сигналов

Множество шумовых проблем является результатом непосредственного соединения входных и выходных выводов. В результате высокочастотных ограничений пассивных компонентов реакция схемы на воздействие высокочастотного шума может быть достаточно непредсказуемой.

В ситуации, когда частотный диапазон наведенного шума в значительной степени отличается от частотного диапазона работы схемы, решение просто и очевидно — размещение пассивного RC-фильтра для подавления высокочастотных помех. Однако, при применении пассивного фильтра надо быть осторожным: его характеристики (из-за неидеальности частотных характеристик пассивных компонентов) утрачивают свои свойства на частотах, в 100. 1000 раз превышающих частоту среза (f3db). При использовании последовательно соединенных фильтров, настроенных на разные частотные диапазоны, более высокочастотный фильтр должен быть ближайшим к источнику помех. Индуктивности на ферритовых кольцах также могут применяться для подавления шума; они сохраняют индуктивный характер сопротивления до некоторой определенной частоты, а выше их сопротивление становится активным.

Наводки на аналоговую схему могут быть настолько большими, что избавиться (или, по крайней мере, уменьшить) от них возможно только с помощью применения экранов. Для эффективной работы они должны быть тщательно спроектированы так, чтобы частоты, создающие наибольшие проблемы, не смогли попасть в схему. Это означает, что экран не должен иметь отверстия или вырезы с размерами, большими, чем 1/20 длины волны экранируемого излучения. Хорошая идея отводить достаточное место под предполагаемый экран с самого начала проектирования печатной платы. При использовании экрана можно дополнительно использовать ферритовые кольца (или бусинки) для всех подключений к схеме.

Корпуса операционных усилителей

В одном корпусе обычно размещаются один, два или четыре операционных усилителя (рис. 16).

Одиночный ОУ часто также имеет дополнительные входы, например, для регулировки напряжения смещения. Сдвоенные и счетверенные ОУ имеют лишь инвертирующий и неинвертирующий входы и выход. Поэтому при необходимости иметь дополнительные регулировки надо применять одиночные операционные усилители. При использовании дополнительных выводов необходимо помнить, что по своей структуре они являются вспомогательными входами, поэтому управление ими должно осуществляться аккуратно и в соответствии с рекомендациями производителя.

В одиночном ОУ выход располагается на противоположной стороне от входов. Это может создать затруднение при работе усилителя на высоких частотах из-за протяженных проводников обратной связи. Один из путей преодоления этого состоит в размещении усилителя и компонентов обратной связи на разных сторонах печатной платы. Это, однако, приводит к как минимум двум дополнительным отверстиям и вырезам в полигоне земли. Иногда стоит использовать сдвоенный ОУ для разрешения данной проблемы, даже если второй усилитель не используется (при этом его выводы должны быть подключены должным образом). Рисунок 17 иллюстрирует уменьшение длины проводников цепи обратной связи для инвертирующего включения.

Сдвоенные ОУ особенно часто используются в стереофонических усилителях, а счетверенные — в схемах многокаскадных фильтров. Однако, в этом есть довольно значительный минус. Несмотря на то, что современная технология обеспечивает приличную изоляцию между сигналами усилителей, расположенных на одном кремниевом кристалле, между ними все же существуют некоторые перекрестные помехи. Если необходимо иметь очень малую величину таких помех, то необходимо использовать одиночные операционные усилители. Перекрестные помехи возникают не только при использовании сдвоенных или счетверенных усилителей. Их источником может служить очень близкое расположение пассивных компонентов разных каналов.

Сдвоенные и счетверенные ОУ, кроме вышесказанного, позволяют осуществить более плотный монтаж. Отдельные усилители как бы зеркально расположены друг относительно друга (рис. 18).

На рисунках 17 и 18 показаны не все подключения, требуемые для нормальной работы, например, формирователь среднего уровня при однополярном питании. На рисунке 19 приведена схема такого формирователя при использовании счетверенного усилителя.

На схеме показаны все необходимые подключения для реализации трех независимых инвертирующих каскадов. Необходимо обратить внимание на то, что проводники формирователя половины напряжения питания располагаются непосредственно под корпусом интегральной схемы, что позволяет уменьшить их длину. Этот пример иллюстрирует не то, как должно быть, а то, что должно быть сделано. Напряжение среднего уровня, например, могло бы быть единым для всех четырех усилителей. Пассивные компоненты могут быть соответствующего размера. Например, планарные компоненты типоразмера 0402 соответствуют расстоянию между выводами стандартного корпуса SO. Это позволяет сделать длину проводников очень короткой для высокочастотных приложений.

Типы корпусов операционных усилителей включают в себя, в основном, DIP (dual-in-line) и SO (small-outline). Вместе с уменьшением размера корпуса уменьшается и шаг выводов, что позволяет применять меньшие по размеру пассивные компоненты. Уменьшение размеров схемы в целом уменьшает паразитные индуктивности и позволяет работать на более высоких частотах. Однако это приводит также к возникновению более сильных перекрестных помех из-за увеличения емкостной связи между компонентами и проводниками.

Объемный и поверхностный монтаж

При размещении операционных усилителей в корпусах типа DIP и пассивных компонентов с проволочными выводами требуется наличие на печатной плате переходных отверстий для их монтажа. Такие компоненты в настоящее время используются, когда нет особых требований к размерам печатной платы; обычно они стоят дешевле, но стоимость печатной платы в процессе изготовления возрастает из-за сверловки дополнительных отверстий под выводы компонентов.

Кроме того, при использовании навесных компонентов увеличиваются размеры платы и длины проводников, что не позволяет работать схеме на высоких частотах. Переходные отверстия обладают собственной индуктивностью, что также накладывает ограничения на динамические характеристики схемы. Поэтому навесные компоненты не рекомендуется применять для реализации высокочастотных схем или для аналоговых схем, размещенных поблизости с высокоскоростными логическими схемами.

Некоторые разработчики, пытаясь уменьшить длину проводников, размещают резисторы вертикально. С первого взгляда может показаться что, это сокращает длину трассы. Однако при этом увеличивается путь прохождения тока по резистору, а сам резистор представляет собой петлю (виток индуктивности). Излучающая и принимающая способность возрастает многократно.

При поверхностном монтаже не требуется размещения отверстия под каждый вывод компонента. Однако возникают проблемы при тестирования схемы, и приходится использовать переходные отверстия в качестве контрольных точек, особенно при применении компонентов малого типоразмера.

Неиспользуемые секции оу

При использовании сдвоенных и счетверенных операционных усилителей в схеме некоторые их секции могут остаться незадействованными и должны быть в этом случае корректно подключены. Ошибочное подключение может привести к увеличению потребляемой мощности, большему нагреву и большему шуму используемых в этом же корпусе ОУ. Выводы неиспользуемых операционных усилителей могут быть подключены так, как изображено на рис. 20а. Подключение выводов с дополнительными компонентами (рис. 20б) позволит легко использовать этот ОУ при наладке.

Заключение

Помните следующие основные моменты и постоянно соблюдайте их при проектировании и разводке аналоговых схем.

• думайте о печатной плате как о компоненте электрической схемы
• имейте представление и понимание об источниках шума и помех
• моделируйте и макетируйте схемы

• используйте печатные платы только из качественного материала (например, FR-4)
• схемы, выполненные на многослойных печатных платах, на 20 дБ менее восприимчивее к внешним помехам, чем схемы, выполненные на двухслойных платах
• используйте разделенные, неперекрывающиеся полигоны для различных земель и питаний
• располагайте полигоны земли и питания на внутренних слоях печатной платы.

• осознавайте частотные ограничения, вносимые пассивными компонентами и проводниками платы
• старайтесь избегать вертикального размещения пассивных компонентов в высокоскоростных схемах
• для высокочастотных схем используйте компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа
• проводники должны быть чем короче, тем лучше
• если требуется большая длина проводника, то уменьшайте его ширину
• неиспользуемые выводы активных компонентов должны быть правильно подключены

• размещайте аналоговую схему вблизи разъема питания
• никогда не разводите проводники, передающие логические сигналы, через аналоговую область платы, и наоборот
• проводники, подходящие к инвертирующему входу ОУ, делайте короткими
• удостоверьтесь, что проводники инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ не располагаются параллельно друг другу на большом протяжении
• старайтесь избегать применения лишних переходных отверстий, т.к. их собственная индуктивность может привести к возникновению дополнительных проблем
• не разводите проводники под прямыми углами и сглаживайте вершины углов, если это возможно

• используйте правильные типы конденсаторов для подавления помех в цепях питания
• для подавления низкочастотных помех и шумов используйте танталовые конденсаторы у входного разъема питания
• для подавления высокочастотных помех и шумов используйте керамические конденсаторы у входного разъема питания
• используйте керамические конденсаторы у каждого вывода питания микросхемы; если необходимо, используйте несколько конденсаторов для разных частотных диапазонов
• если в схеме происходит возбуждение, то необходимо использовать конденсаторы с меньшим значением емкости, а не большим
• в трудных случаях в цепях питания используйте последовательно включенные резисторы малого сопротивления или индуктивности
• развязывающие конденсаторы аналогового питания должны подключаться только к аналоговой земле, а не к цифровой

Автор статьи: Bruce Carter. Перевод статьи Op Amps For Everyone, chapter 17. Circuit Board Layout Techniques. Design Reference, Texas Instruments

Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru

Схемотехника питания материнких плат

На все материнские платы подается постоянное напряжение, которое должно обеспечивать стабильность питания всех узлов материнской платы. Питание подается следующих номиналов: ±12, ±5 и +3,3В. При этом, по каждому каналу напряжений должен обеспечиваться соответствующий необходимый потребляемый ток.

Наибольший ток потребляется процессором и подается на видеокарту через слот AGP или PCI — Express и через дополнительные разъемы питания на ней. Для стабильности работы всех узлов материнской платы (процессора, слотов памяти, чипсета) необходимо обеспечить стабильность питания, подаваемого на плату, а также преобразовать подаваемые номиналы в необходимые на данном компоненте платы.

Применение VRM

На плате находится разъём для подключения питания, на сегодняшний день стандарт предусматривает установку минимум двух разъемов – 24-контактного ATX и 4-контактного ATX12V для дополнительной линии 12В. Иногда производители материнских плат устанавливают 8-контактный EPS12V вместо ATX12V, через него можно подвести две линии 12В. Питание, подаваемое блоком питания, проходит преобразование, стабилизацию и фильтрацию с помощью силовых полевых транзисторов ( MOSFET , «мосфетов»), дросселей и конденсаторов, составляющих VRM (Voltage Regulation Module, модуль регулирования напряжения). Питание процессора и чипсета осуществляется одним VRM, питание модулей памяти – чаще всего другим. Дополнительно для стабилизации питания, подаваемого через разъёмы PCI Express, иногда устанавливаются стандартные разъёмы Molex.

VRM разработан для того, чтобы существующие системные платы могли поддерживать несколько типов процессоров, а также те, которые появятся в будущем. Ведь каждый процессор имеет свое напряжение питания. При установке процессора в материнскую плату по соответствующим контактам VID (4 или 6 штук) тот определяет модель установленного процессора и подает на его кристалл (ядро) соответствующее напряжение питания. Фактически, комбинация 0 и 1 на выводах VID задает 4 или 6-битный код, по которому VRM «узнает» о модели процессора.

Для примера рассмотрим питание ядер процессоров модели Intel Core 2 Extreme (Conroe, техпроцесс, 65 нм, частота 2,93 ГГц, 4 Мбайт L2).

Для этого процессора значение VID находится в диапазоне 0,85–1,36525 В, максимальный ток для верхней модели E6800 может достигать величины 90 А, для остальных, представленных моделями E6300, Е6400, Е6600, Е6700, — 75 А. VRM для процессоров Intel Core 2 Duo должен удовлетворять спецификации 11.0.

Существует два типа регуляторов: линейный и импульсный. Применявшийся в более старых платах линейный регулятор напряжения представлял собой микросхему, понижающую напряжение за счет рассеяния его избытка в виде тепла. С уменьшением требуемого напряжения росла тепловая мощность, рассеиваемая такими регуляторами, поэтому они снабжались массивными радиаторами, по которым их легко было найти на материнской плате. При установке в материнскую плату процессора, потребляющего большую мощность, регулятор (а с ним и материнская плата) мог выйти из строя из-за перегрева. Поэтому в современных материнских платах применяется импульсный регулятор, содержащий сглаживающий фильтр низких частот, на который подается последовательность коротких импульсов полного напряжения.

Импульсный стабилизатор содержит реактивно-индуктивный LC-фильтр, на который короткими импульсами подается полное напряжение питания, и за счет инерции емкости и индуктивности выравнивается до требуемой величины, причем бесполезных потерь энергии практически не происходит. Стабильность напряжения поддерживается путем управления частотой и шириной импульсов (широтно-импульсная модуляция, ШИМ). При широтно-импульсной модуляции в качестве несущего колебания используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов, а информационным параметром, связанным с дискретным модулирующим сигналом, является длительность этих импульсов. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности имеет постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов, то есть прямо пропорциональную их длительности. Пропустив импульсы через ФНЧ с частотой среза, значительно меньшей, чем частота следования импульсов, эту постоянную составляющую можно легко выделить, получив стабильное постоянное напряжение.

Применение импульсных стабилизаторов позволяет значительно сократить тепловыделение, однако создает дополнительный источник помех, который может влиять на работу видео- и звуковых адаптеров.

За счет инерционности фильтра импульсы сглаживаются в требуемое постоянное напряжение. КПД такого преобразователя весьма высок, поэтому паразитного нагрева почти не происходит. Узнать импульсный регулятор напряжения на плате можно по катушкам индуктивности. Во всех новых платах применяется многоканальный (многофазный) преобразователь напряжения, который понижает напряжение питания до необходимых 0,8—1,7 В на ядре процессора (в зависимости от модели).

Таким образом, VRM – это по сути ШИМ-регулятор на микросхеме с преобразователями на MOSFET и фильтром. Как правило, напряжение на системной плате выше, чем на ядре процессора.

Традиционно основные регуляторы напряжения расположены вокруг процессорного разъема. Учитывая высокие значения потребляемых токов, они создаются многоканальными (многофазными). Обычно их число три-четыре, но на топовых платах их число может достигать 8. Отказ от одноканального питания снижает нагрузку на регулирующие транзисторы. С целью улучшения температурных режимов их работы, а также повышения надежности, силовые транзисторы нередко снабжаются средствами охлаждения (радиаторами).

В дополнение к многоканальному VRM, индивидуальными системами энергопитания снабжены цепи видеоадаптера и модулей оперативной памяти. Они обеспечивают необходимые уровни напряжений и токов, а также снижают взаимное влияние, передаваемое по силовым шинам.

Большое количество вентиляторов, сосредоточенных в небольшом объеме, создает сравнительно высокий уровень акустического шума. Уменьшить его можно специальным дизайном материнских плат, предусматривающим использование решений на основе тепловых трубок (heat pipe).

В качестве примера можно привести плату Gigabyte GA-965P-DQ6. На ней радиаторы, установленные на обеих микросхемах чипсета, соединены несколькими тепловыми трубками с радиаторами, установленными на силовых транзисторах VRM.

Такое решение обеспечивает эффективное перераспределение тепловых потоков между несколькими радиаторами. В результате выравниваются температуры элементов, работающих в ключевых режимах, являющихся источниками неравномерного нагрева, как в пространстве, так и во времени. Охлаждению же всей конструкции способствует общий дизайн, предусматривающий использование воздушных потоков, порождаемых вентиляторами процессора и кулера.

Оценивая эффективность данного решения, необходимо отметить, что еще одним фактором, способствующим уменьшению тепловой и электрической нагрузок на транзисторы VRM, является реализация большого количества каналов (фаз) питания. Например, в архитектуре указанной платы их двенадцать. Столь большое количество каналов существенно упрощает конструкцию VRM, улучшает развязку по линиям питания, уменьшает электрические помехи и увеличивает устойчивость работы компьютерных подсистем. Кроме того, описанная конструкция с пассивными кулерами, аналог которой активно используется, кстати, в бесшумных моделях видеоадаптеров этого же производителя, уменьшает акустический шум и от материнской платы.

Конструкция регулятора напряжения позволяет подавать на него 5 или 12 В (на выходе – напряжение питания процессора). В системе в основном используется напряжение 5 В, но многие компоненты в настоящее время переходят на 12 В, что связано с их энергопотреблением. Кроме того, напряжение 12 В используется, как правило, приводным электродвигателем, а все другие устройства потребляют напряжение 5 В. Величина напряжения, потребляемого VRM (5 или 12 В), зависит от параметров используемой системной платы или конструкции регулятора. Современные интегральные схемы регуляторов напряжения предназначены для работы при входном напряжении от 4 до 36 В, поэтому их конфигурация всецело зависит от разработчика системной платы.

Как правило, в системных платах, предназначенных для процессоров Pentium III и Athlon/Duron, использовались 5-вольтные регуляторы напряжения. В последние годы возникла тенденция к переходу на регуляторы, потребляющие напряжение 12 В. Это связано с тем, что использование более высокого напряжения позволяет значительно уменьшить текущую нагрузку. Например, если использовать тот же 65-ваттный процессор AMD Athlon с рабочей частотой 1 ГГц, можно получить несколько уровней нагрузки при различных величинах потребляемого напряжения

При использовании напряжения 12 В сила потребляемого тока достигает только 5,4 А или, с учетом 75% эффективности регулятора напряжения, 7,2 А. Таким образом, модификация схемы VRM системной платы, позволяющая использовать напряжение 12 В, представляется достаточно простой. К сожалению, стандартный блок питания ATX 2.03 содержит в основном силовом разъеме только один вывод +12 В. Дополнительный разъем вообще не содержит выводов +12 В, поэтому толку от него немного. Подача тока силой 8 А и более на системную плату, осуществляемая при напряжении +12 В через стандартный провод, может привести к повреждению разъема.

Для повышения энергообеспечения системных плат в Intel была создана новая спецификация блоков питания ATX12V. Результатом этого стал новый силовой разъем, предназначенный для подачи дополнительного напряжения +12 В на системную плату.

В плате ASUS P5B-E Plus, основанной на чипсете Intel P965 Express, VRM используется 4-канальный, а значит, более приспособленный к надежной поддержке мощных (или сильно разогнанных) процессоров. Дизайном предусмотрено охлаждение половины из ключевых транзисторов, но на данной модели радиатор не установлен. Разъем подачи питания на VRM сделан 8-контактным, чтобы уменьшить вдвое ток, проходящий по линиям +12 В. Впрочем, если у вашего блока питания нет такого разъема, можно подключить плату и через 4-контактный разъем.

Питание процессора и чипсета осуществляется одним VRM, питание модулей памяти и видеоадаптера – чаще всего другими. Это обеспечивает необходимые уровни напряжений и токов, отсутствие просадок по питанию, а также снижает взаимное влияние, передаваемое по силовым шинам.

Схемотехника стабилизаторов питания

Практически все современные стабилизаторы строятся на базе того или иного интегрированного ШИМ-контроллера (PWM) — довольно сложной микросхемы с кучей выводов по краям. Одна группа выводов «заведует» выходным напряжением, которое выбирается комбинацией логических «1» и «0», подаваемых на эти ноги. В зависимости от конструктивной реализации эти выводы могут либо сразу идти на перемычки или быть мультиплексированы еще с чем-то другим.

Пару слов о ключевых элементах. Стабилизатор может быть собран либо на двух n-канальных МОП-транзисторах, в этом случае сток (drain) одного транзистора соединен в точке выхода (Vout) с истоком (source) другого. Оставшийся исток идет на массу, а сток — на стабилизируемое напряжение. Это облегчает поиск делителей на неизвестных микросхемах. Находим два мощных транзистора, смотрим — где они соединяются (там еще дроссель будет) и ищем резистор, ведущий к той же точке. Если с другим концом резистора соединен резистор, идущий на массу — делитель найден!

Большинство схем построено именно по такому принципу, однако вместо второго транзистора может использоваться и диод. Внешне он похож на транзистор, только на нем (как правило) написано MOSPEC, а два крайних вывода замкнуты накоротко. Такая схема проще в исполнении, содержит меньше деталей, однако за счет падения на прядения на n-p переходе (~0,6 В) снижается КПД и увеличивается рассеиваемая тепловая мощность, то есть, попросту говоря, нагрев.

В одних случаях каждый узел питается своим собственным стабилизатором (и вся плата тогда в стабилизаторах), в других — производители путем хитроумных извращений запитывают несколько узлов от одного стабилизатора. В частности, на ASUS P5AD2/P5GD2 один и тот же стабилизатор питает и северный мост, и память, используя кремниевый диод для зарядки обвязывающего конденсатора до нужного напряжения. Поэтому напряжение на выходе стабилизатора будет отличаться от напряжения на чипсете. Увеличивая напряжение на памяти, мы неизбежно увеличиваем напряжение и чипсете, спалить который гораздо страшнее, да и греется он сильно.

Стабилизатор может собираться и на операционном усилителе, и на преобразователе постоянного тока или даже на микроконтроллере. Усилители/преобразователи обычно имеют прямоугольный корпус и небольшое количество ног (порядка 8), а рядом с ними расположены электролитические конденсаторы, дроссели и мощные ключевые транзисторы, иногда подключаемые к микросхеме напрямую, иногда — через дополнительный крохотный транзистор. Микроконтроллеры — это такие небольшие микросхемы в прямоугольном корпусе с кучей ног (от 16 и больше), рядом с которым торчат конденсаторы/дроссели/транзисторы (впрочем, на дешевых платах дроссели часто выкидывают, а количество конденсаторов сводят к минимуму, оставляя в нераспаянных элементах букву L).

Как выделить стабилизаторы среди прочих микросхем? Проще всего действовать так: выписываем маркировку всех мелких тараканов и лезем в сеть за datasheet’ами, в которых указывается их назначение и, как правило, типовая схема включения, на которой где-то должен быть делитель, подключенный к одному из выводов. Делитель — это два резистора, один из которых всегда подключен к выходу стабилизатора (Vout), а другой — к массе (GROUND или, сокращенно, GND). Выход найти легко, во-первых — вольтметром, во-вторых — чаще всего он расположен в точке соединения двух ключевых транзисторов от которой отходит дроссель (если он есть).

Изменяя сопротивление резисторов делителя, мы пропорционально изменяем и выходное напряжение стабилизатора. Уменьшение сопротивление резистора, подключенного в массе, вызывает увеличение выходного напряжения и наоборот. «Выходной» резистор при уменьшении своего сопротивления уменьшает выходное напряжение.

Современные мощные ключевые транзисторы IGBT, MOSFET имеют довольно высокую емкость затвора (>100 пФ) которая не позволяет «быстро» (десятки кГц) переключать ключевой транзистор. Поэтому для быстрого заряда/разряда емкости затвора применяются спец. схемы или готовые ИМС, называемые «драйверами» которые обеспечивают быстрый перезаряд емкости затвора. В нашем случае, драйвером могут быть как сами микросхемы ШИМ-контроллеров, так и внешние каскады — внешние драйверы (обычно в многофазных преобразователях). Формально любой управляющий (например, предоконечный) каскад может быть драйвером.

На картинке выше представлен новый подход с исполнению ШИМ: вместо 3 микросхем — драйвера и двух мосфетов используется одна интегральная микросхема, включающая в себя все эти компоненты. Такие микросхемы с некоторых пор стали использоваться на дорогих платах Gigabyte и других ведущих производителей.

Дизайн подобных решений разработан и расписан в спецификации Intel DrMOS V4.0, которая описывает требования к драйверам по питанию Intel CPU.

Именно в этой спецификации приведены все основные типовые сигналы для такой микросхемы:

Микросхемы памяти в зависимости от своих конструктивных особенностей могут требовать большего или меньшего количества питающих напряжений. Как минимум, необходимо запитать ядро — VDD. Вслед за ним идут входные буфера VDDQ, напряжение питания которых не должно превышать напряжения ядра и обычно равно ему. Термирующие (VTT) и референсные (Vref) напряжения равны половине VDDQ. (Некоторые микросхемы имеют встроенные термирующие цепи и подавать на них VTT не нужно).

Теперь посмотрим на двухфазную схему питания DrMOS на примере платы MSI:

Применяемые микросхемы

Рассмотрим старую добрую ASUS P4800-E на базе чипсета i865PE. Внимательно рассматривая плату, выделяем все микросхемы с не очень большим количеством ног. Возле северного моста мы видим кварц, а рядом с ним — серый прямоугольник ICS CA332435. Это — клокер, то есть тактовый генератор. Процессор, как обычно, окружен кучей конденсаторов, дросселей и других элементов, выдающих близость стабилизатора питания. Остается только найти ШИМ-контроллер, управляющий стабилизатором. Маленькая микросхема с надписью ADP3180 фирмы Analog Devices. Согласно спецификации (http://www.digchip.com/datasheets/download_datasheet.php?id=121932&part-number=ADP3180) это 6-битный программируемый 2-, 3-, 4-фазный контроллер, разработанный специально для питания Pentium-4. Процессор Pentium 4 жрет слишком большой ток и для поддержания напряжения в норме основному контроллеру требуется три вспомогательных стабилизатора ADP3418. Китайцы славятся своим мастерством собирать устройства с минимумом запчастей, но наш ASUS не принадлежит к числу пройдох и все детали присутствуют на плате — такие маленькие квадратные микросхемы, затерявшиеся среди дросселей и ключевых транзисторов.

Комбинация логических уровней на первых четырех ногах основного контроллера задает выходное напряжение (грубо), точная подстройка которого осуществляется резистором, подключенным к 9 выводу (FB). Чем меньше сопротивление — тем ниже напряжение и наоборот. Следовательно, мы должны выпаять резистор с платы и включить в разрыв цепи дополнительный резистор. Тогда мы сможем не только повысить напряжение сверх предельно допустимого, но и плавно его изменять, что очень хорошо!

Материнская плата ASUS P5K-E/WiFi-AP оснащена 8-фазным стабилизатором питания, собранным на дросселях с ферромагнитным сердечником и транзисторах MOSFET NIKOS P0903BDG (25 В, 9,5 мОм, 50 А) и SSM85T03GH (30 В; 6 мОм; 75 А). Четыре канала стабилизатора питания накрыты радиатором, который по большому счету служит для охлаждения северного моста, от которого тепло передается по тепловой трубке.

У ASUS фирменная микросхема управления питанием называется EPU (Energy Processing Unit):

Из картинки выше понятно, что микросхема EPU не только генерирует правильное напряжение питания ядра процессора Vcore согласно сигналам VID, но также и общается с чипсетом по шине SM Bus, позволяя через управляющие сигналы такового генератора задавать частоту процессора согласно текущему профилю энергопотребления.

А вот фотография уникальной платы Gigabyte с 10-канальный VRM, который они называли фирменным термином PowerMOS! В нем используется микросхемы фирмы International Rectifier (IR) IR3550, каждая из которых в себя включает мощный синхронный драйвер затвора, упакованный в одном корпусе с управляющим MOSFET и синхронным MOSFET с диодом Шоттки. Максимальный ток — 60 А. Эта микросхема походит как для управления питанием мощных CPU, так и GPU, и многоканальных контроллеров памяти. Эта микросхема, как и аналогичные удовлетворяет спецификации Intel DrMOS V4.0.

Типовая схема включения IR3550 выглядит следующим образом:

Из картинки поднятно, что напряжение питания самой микросхемы Vcc от 4,5 до 7 V (подается с шины 5V), а выходнйо каскад — Vout.

Если вам пробуется найти схему включения любой микросхему. то это легко сделать в интернете по названию микросхемы и слову datasheet.

DrMOS также поддерживается компаниями MSI, Asrock и некоторыми другими. Более бюджетные производители по прежнему используют стандартный дизайн — отдельная микросхема ШИМ-контроллера и набор силовых мосфетов. Например, на свежей плате ECS X79R-AX на чипсете Intel X79 Express используется VRM-контроллер Intersil ISL6366 для управления 6+1 фазным питанием:

Из документации микросхема ISL6366 подддерживает стандарт Intel VR12/IMVP7 и имеет два выхода: одна на 6 фаз питания ядра или памяти, второй — на одну дополнительную фазу питания графики, микросхем мониторинга и отдельно линий I/O процессора. Более того, она имеет встроенные функции термомониторинга и термокмопенсации. Также микросхема непрерывно мониторит выходной ток через отдельный резистор и подстраивает напряжение питания. Сама микросхема используется в паре с драйверами ISL6627, подключаемыми к транзисторам:

По фото видно, что транзисторы здесь тоже упакованы в микросхемы, поэтому занимают очень мало место.

Кроме Analog Devices (микросхемы ADP), ШИМ-контроллеры VRM выпускают также Fairchild Semiconductor (FAN), International Rectifier (IR), Intersil (ISL) — очень популярны, Maxim (MAX), ON Semiconductor (NCP), Semtech (SC), STMicroelectronics (L), Analog Integrarion Corp. (AIC, нарисована корона), Richtek (RT) , количество контактов — от 16 до 24 pin.

На данный момент выпускают 33 модели микросхем, поддерживающие спецификацию VRM 10.1 и только 5 микросхем с поддержкой стандарта VRM 11.0.:

• ON Semiconductor NCP5381MNR2G — 2/3/4 Phase Buck Controller for VR10 and VR11 Pentium IV Processor Applications
• STMicroelectronics L6714 — 4-Phase Controller with Embedded Drivers for Intel VR10, VR11 and AMD 6-Bit CPUs
• Intersil ISL6312CRZ — Four-Phase Buck PWM Controller with Integrated MOSFET Drivers for Intel VR10, VR11, and AMD Applications
• Intersil ISL6312IRZ — Four-Phase Buck PWM Controller with Integrated MOSFET Drivers for Intel VR10, VR11, and AMD Applications
• STMicroelectronics L6713A — 2/3-Phase Controller with Embedded Drivers for Intel VR10, VR11 and AMD 6-Bit CPUs

Как видно, многие, но далеко не все из этих микросхем импульсных регуляторов имеют 4 фазы стабилизации.

Питание памяти

В окрестностях DIMM-слот быстро обнаруживается несколько ключевых транзисторов, электролитических конденсатора и всего одна микросхема с маркировкой LM 358. Такую микросхему производят все кому только не лень: Fairchild Semiconductor, Philips, ST Microelectronics, Texas Instruments, National Semiconductor и другие.

Это типичный операционный усилитель, причем — двойной. Распиновка приведена на здесь, а схема типового включения — тут, из которой все становится ясно и типовая схема включения уже не нужна. Нужный нам резистор подключен к выходу операционного усилителя (ноги 1 и 7). Да не введет нас в заблуждение делитель на отрицательном входе. Он не имеет обратной связи по стабилизируемому напряжению и потому нас не интересует.

Смотрим на плату — 7-я нога зашунтирована через конденсатор и дальше никуда не идет, а вот за 1-й тянется дорожка печатного проводника. Значит, это и есть тот вывод, который нам нужен! Чтобы увеличить напряжение на памяти, необходимо включить в разрыв между 1-й ногой и резистором RF дополнительный резистор. Чем больше его сопротивление — тем выше выходное напряжение. Как вариант, можно подпаять между 2-й и 4-й ногами свой резистор (4-я нога — масса), чем меньше его сопротивление — тем выше напряжение и ничего разрывать не придется.

Для контроля напряжения можно использовать либо встроенную систему мониторинга напряжения (если она есть), либо мультиметр. Мультиметр надежнее и ему больше веры, встроенный мониторинг — удобнее, тем более что контролировать напряжение после вольтмода приходится постоянно. На холостых оборотах оно одно, под нагрузкой — другое. Весь вопрос в том, куда его подключать? Один из контактов — на массу, другой — на точку соединения двух ключевых транзисторов или транзистора с диодом. Если найти точку соединения не удалось (ничего смешного здесь нет — на вставленной в компьютер печатной плате разводку разглядеть довольно проблематично), можно подключаться к стоку каждого из транзисторов. У одного из них он идет к входному напряжению, у другого — к уже стабилизированному. Сток обычно расположен посередине и «продублирован» на корпус. Внешне он выглядит как «обрезанный» вывод. Соответственно, в схеме «транзистор плюс диод» сток всегда подключен к входному напряжению и тогда нам нужен исток — крайний правый вывод (если смотреть на транзистор в положении «ноги вниз»). Втыкаем сюда щуп вольтметра, медленно вращаем построечный резистор и смотрим. Если напряжение не меняется, значит мы подключили резистор не туда и все необходимо тщательно перепроверить.

Генераторы тактовой частоты

Обычно производители оставляют довольно солидный запас, и материнская плата сваливается в глюки задолго до его исчерпания, однако в некоторых случаях наши возможности очень даже ограничены. Некоторые платы не гонятся вообще! Что тогда? Тактовый генератор (он же «клокер») может быть собран на разных микросхемах (обычно это ICS или RTM), которые можно программировать путем перебора комбинацией логических «0» и «1» на специальных выводах. Внешне это прямоугольная ИМС в корпусе SOP с кол-вом пинов от 20 до 56 в районе кварца. Таблицу частот можно найти в datasheet’е на микросхему. В древние времена, когда конфигурирование осуществлялось через перемычки, производителю было очень сложно «заблокировать» верхние частоты, но при настройке через BIOS setup — это легко! Придется пойти на довольно рискованный и радикальный шаг — отрезаем «комбинаторную» группу выводов от печатной платы и напаиваем на них jumper’ы с резисторами, схему соединения которых можно взять из того же datasheet’а. И тогда все будет в наших руках! Естественно, настраивать частоту через BIOS уже не удастся.

А вот другой путь — замена кварца. В большинстве материнских плат стоит кварц, рассчитанный на частоту 14,318 МГц, если его заменить на более быстрый, то все частоты пропорционально подскочат, однако при этом, возможно, начнется полный глюкодром. Вообще говоря, замена кварца — неисследованная область, еще ждущая своих энтузиастов.

Клокеров на плате несколько — каждый отвечает за генерацию своего диапазона частот — один на процессор, другие на периферийные шины, GPU. Еще больше на плате кварцев — отдельный, например, стоит рядом с микросхемой сетевой карты и генерирует тактирование для передаче по локальной сети.

Выводы

Собственно, выход из строя ИМС ШИМ-контроллера VRM , выход из строя транзисторов преобразователя или вздутие (и как следствие потеря ёмкости) электролитических конденсаторов («бочек») в цепях питания VRM – это чаще всего встречающийся отказ материнских плат. Проявляется в виде того, что плата не стартует, не подавая признаков жизни или же стартует и выключается.

Применяемые в большинстве системных плат алюминиевые электролитические конденсаторы емкостью 1200 мкФ, 16 В или 1500 мкФ, 6,3 и 10 В обладают рядом недостатков, один из которых это высыхание по истечении времени. Следствием этого является потеря ими емкости, выход компонента из строя, появление аппаратных ошибок в цепях. Риск увеличивается при использовании подобных конденсаторов в тяжелых температурных условиях, например, в корпусе системного блока компьютера температура может доходить до 50-60° С.

Танталовые конденсаторы обладают большей надежностью, чем электролитические (нет эффекта высыхания), они более компактны и имеют меньшее значение параметра ESR, увеличивающее эффективность их применения в цепях фильтрации источников питания.

В последнее время вместо часто вздувающихся электролитических конденсаторов именитые производители плат стали использовать твердотельные конденсаторы. В схемах питания новой платы ASUS M3A79-T DELUXE на чипсете AMD 790FX используются высококачественные детали, в частности, транзисторы с низким сопротивлением в открытом состоянии ( RDS ( on )) для уменьшения потерь при переключении и снижения тепловыделения, дроссели с ферритовыми сердечниками, и, что очень важно, твердотельные полимерные конденсаторы от ведущих японских производителей (гарантийный срок службы модуля VRM – 5000 часов). Благодаря применению таких компонентов достигается максимальная эффективность энергопотребления, низкое тепловыделение и высокая стабильность работы системы. Это позволяет получить высокие результаты разгона и увеличить срок эксплуатации оборудования.

Такие же элементы используются например в материнской плате Gigabyte GA-P35T на чипсете P 35. Правда, и твердотельные конденсаторы взрываются, как правильно, в следствие повышенного напряжения или просто некачественных элементов (да, такое тоже встречается!):

VRM на обычных электролитических конденсаторах имеет MTBF всего около 3000 часов.

По возможности необходимо выбирать те материнские платы, которые используются 4-фазный импульсный регулятор. В цепях фильтра VRM предпочтительно должны стоять твердотельные, а не алюминиевые электролитические конденсаторы, дроссели должны иметь ферритовый сердечник. Кроме того, на грамотно спроектированной плате, конденсаторы фильтра не должны стоять вплотную к кулеру процессора и к дросселям, чтобы не происходило их перегрева.

В идеальном варианте, необходимо выбирать те платы, которые имеют отдельный независимый регулятор напряжения для CPU, памяти и шины видеокарты. В этом случае, вы сможете отдельно регулировать напряжение на каждом из компонентов, не вызывая роста напряжения на других!

[Посещений: 55 293, из них сегодня: 1]