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INFORMAZIONI TECNICHE |
L'alimentatore
AT-ATX |
Se per un certo periodo è stato
il 3.3V a fare da padrone, essendo la corrente della CPU una parte
considerevole del consumo del sistema, oltre al fatto che buona parte delle
funzioni logiche sono state trasposte anche loro da 5 a 3.3V, una
ulteriore necessità di riduzione della tensione di core, che ora veleggia
attorno agli 1.1V e la costruzione di logiche a tensioni così basse ha
portato alla necessità di una nuova revisione.
Ora è la tensione +12V ad
avere la prevalenza. Il motivo è molto semplice : trasportare tensioni
basse tipo 3.3V con correnti molto grandi, tipo 20A, richiede conduttori e
contatti specialissimi, altrimenti le cadute di tensione, oltre a
sballarne il valore all' arrivo, provocano fenomeni di surriscaldamento .
Si ricorre allora ai VRM locali.
Vediamo qualcosa di più sull' argomento.
Vcore e VI/O
I termini Vcore (Core Voltage =
tensione del "core" ) e Vi/o ( I/O Voltage = Tensione dell' I/O)
sono utilizzati quando si parla delle recenti CPU . "Core" non
é il cuore in dialetto partenopeo , ma ha un significato similare ; é
una parola inglese che indica il centro di qualche cosa, ad esempio il
torsolo delle mele o simili; riferito ad una CPU ne indica la parte
centrale , in sostanza il processore vero e proprio . In questo contesto
I/O si riferisce a quelle altre parti del chip che consentono al
processore di interfacciarsi con il resto del sistema
Le tensioni di alimentazione di queste due parti non sono necessariamente
uguali .
La tensione tipica dei circuiti logici che costituiscono la maggior parte
della mainboard e delle schede é di 5V, secondo lo standard adottato
dalle logiche TTL. Con questa tensione , possono essere realizzati
componenti con un certo rapporto tra velocitá e potenza dissipata. Con il
progredire della tecnologia , si é avuta una riduzione degli spessori dei
materiali che costituiscono il semiconduttore per ottenere grandi velocitá
con minima dissipazione di potenza . Questo ha portato alla necessitá di
ridurre contemporaneamente la tensione di alimentazione a 3.3V . Gia' con
le CPU 486 si era evidenziato questo passaggio : le prime a 5V , le ultime
a 3.3V , mantenuti poi nelle CPU su Socket 7, in cui sia il processore
vero e proprio sia la sua area di interfaccia sono alla medesima tensione
a 3.3 o 3.5V . Il processore lavora alla stessa tensione dei circuiti
esterni piú vicini , mentre altri circuiti , ad esempio le SIMM ,
lavorano a 5V e sono dotati di circuiti adattatori appositi per adeguare
le due differenti tensioni.
Attualmente la frequenza operativa aumenta, quindi si riducono gli
spessori e le tensioni, per cui le famiglie logiche vanno attorno ai 2
volt e poi ancora più in basso, 1.8V, 1.5V e ancora meno
Al momento risulta improponibile l'adeguamento di tutte le parti esterne
alla CPU per tensioni così basse, per cui é necessario che all' interno
del chip si trovi un' area di interfaccia che adatti la bassissima
tensione del processore a quella un pó piú alta del resto della logica .
Da qui la necessitá di avere CPU alimentate a due tensioni diverse .
Che cosa è il VRM ?
Le illustrazioni seguenti danno una idea del problema
dell' alimentazione delle CPU :
L'elettronica digitale standard ha come tensione di
funzionamento 5 volt in corrente continua . Questa é ottenuta attraverso
un alimentatore che converte la tensione alternata della rete ENEL ne
valori richiesti dai vari chips (fig. a ) . Ad esempio
le CPU 386 e le prime 486 erano circuiti a 5 volt .
Lo sviluppo della tecnologia ha portato ad una riduzione della tensione ,
che é diventata 3.3 volt ; questo permette di ottenere migliori
prestazioni con consumi minori . Restano comunque parti del circuito che
funzionano a 5 volt (fig. b) . Ad esempio le CPU 486
delle ultime generazioni ed i Pentium Intel non MMX hanno questa struttura
. Poiché l' alimentatore AT standard non dispone della tensione di 3.3V
questa deve essere ottenuta con un ulteriore circuito riduttore , posto
sulla mainboard (VRM , Voltage Regulator Module = Modulo di Regolazione
della Tensione) .
Un ulteriore passo nello sviluppo della tecnologia ha portato alle CPU
dell' ultima generazione in cui la parte centrale della CPU , detta core ,
é alimentata con una tensione ancora piú bassa , ad es. a 2.9 volt ,
mentre permane la necessitá della tensione 3.3 volt per l' interfaccia
con gli altri chip della mainboard (tensione di I/O o Vi/o). A questo
gruppo appartengono i Pentium Intel MMX , AMD K6 e Cyrix/IBM della serie
/L .(fig. c) .In questo caso la CPU richiede non una , ma
due tensioni ridotte non disponibili direttamente dall' alimentatore e
quindi sono necessari due VRM .
Attualmente le tensioni di core sono scese decisamente sotto i 3.3V,
mentre le potenze richieste sono aumentate : un P4 consuma come parecchi
PIII. Occorre che il VRM possa trattare questa potenza con una alta
efficienza, altrimenti il calore generato sarebbe eccessivo.
Inizialmente sono stati utilizzati VRM con circuiti lineari,
che, in bere tempo hanno richiesto l' adozione di vistose alette di
raffreddamento. I regolatori lineari usati erano dei circuiti integrati
appositamente progettati, in contenitore TO-220 ed in grado di trattare
correnti da un paio ad una decina di ampere. Tutto ok per 486-586, ma per
i successivi il problema è che le CPU consumavano più di quanto potesse
fornire uno di questi dispositivi.
Nelle foto qui sopra, il particolare di questa
soluzione : si nota la grossa aletta di raffreddamento, nonostante la
quale i componenti generavano calore come una stufetta. La soluzione
doppia era una pezza per bypassare il limite di corrente erogabile da un
solo integrato, aggiungendogliene un secondo. In ogni caso, le CPU in
socket 370 sono state le ultime per cui è stato possibile usare questo
metodo.
I VRM switch mode
La soluzione delle grandi potenze a bassissime tensioni è stata la diversa distribuzione delle
potenze sulle varie tensioni nell' alimentatore ATX, privilegiando il +12V, mentre sulla scheda
madre (e anche sulle schede di espansione ad alto consumo, come le VGA) è
stato implementato l' uso intensivo di moduli VRM
(Voltage Regulator Module , modulo di regolazione della tensione) di tipo
switch mode.
Questo
moduli sono veri e propri alimentatori di piccole dimensioni
che localmente, nei vari punti più opportuni della scheda, convertono una
tensione nel valore minore necessario a quella specifica
funzione logica. Inizialmente questa tecnologia è stata impiegata all'
epoca dei 586 e del socket 370, quando riduttori di tensione di tipo
lineare avevano raggiunto il loro limite per le forti correnti richieste;
sono ora diventati parte essenziale del sistema di alimentazione delle
nuove CPU, capaci di consumare varie decine e decine di watt con tensioni di 1,1-1,5V,
il che vuol dire molte decine di ampere. Ma dato che la distanza fisica
tra il
VRM e il suo carico è minima, essendo entrambi sullo stesso circuito
stampato, sarà ridotta al minimo anche la caduta di
tensione sui conduttori di collegamento e ridotti pure i problemi di qualità dell'
alimentazione su circuiti così sensibili come quelli logici.
I moduli VRM attuali, per minimizzare la corrente di ingresso, utilizzano
la più alta tensione disponibile nel PC, ovvero il +12V.
Potrebbe
essere a prima vista ragionevole ritenere che, per ottenere 1,5
volt sia più sensato partire da 3.3V e non da 12V. Questo sarebbe
giusto se si intendesse effettuare la regolazione con un circuito
lineare, dove l' efficienza è tanto maggiore quanto minore è la
differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita.
Però c' è il problema che il sistema lineare, come abbiamo
visto, dissipa in calore la differenza di energia tra quella che
assorbe e quella che rende.
Se dobbiamo fornire una potenza Pout = 45W alla tensione di uscita
Vout = 1,5V, questo vuol dire :
I =
Pout / Vout = 45 / 1.5 = 30 A
Il regolatore lineare, partendo
con la tensione di ingresso minima disponibile, ovvero Vin= 3.3V, dovrebbe produrre una caduta di tensione di :
V =
Vin - Vout = 3.3 - 1.5 = 1.8 V
che a 20 ampere di
corrente danno una potenza dissipata dal regolatore :
Pd
= V * I = 1.8 * 30 = 54 W
Questi watt, persi in
calore, richiederebbero un radiatore di dimensioni consistenti,
grosso come quello della CPU, oltre al fatto che per dare 45 W al
processore ne perdo ben 54 nel regolatore, con un rendimento pessimo.
Infatti la potenza complessiva che devo mettere a disposizione è :
Ptot
= Pout + Pd = 45 + 54 = 99 W
con un rendimento ben inferiore al 50% ! Tra l' altro,
è ben difficile ottenere queste prestazioni con un solo circuito
integrato ed occorrerebbe implementare uno schema più complesso e
ingombrante, in pratica irrealizzabile per questo impiego specifico.
Se, invece, viene
utilizzato il sistema a commutazione, la differenza tra le tensioni
non ha più la minima importanza, per cui posso partire con
vantaggio dalla maggiore disponibile, in cui la corrente sarà la
più bassa, ovvero dal +12V :
I = Pout
/ V = 45 / 12 = 3.75 A
che richiedono
conduttori, contatti, componenti molto meno critici e costosi che
non i 30A precedenti. Nello stesso tempo il rendimento, per la minore perdita nello
switch, aumenta grandemente : un VRM ben progettato si avvicina al
90%, ovvero per rendere 45W basta assorbirne circa 50W e non
99W
come nel caso del lineare. |
Questi VRM lavorano a frequenze molto elevate : esistono possibilità
di raggiungere il megaherz e più ! Questo riduce drasticamente la
grandezza delle bobine , dei condensatori e dei semiconduttori impiegati.
Solitamente hanno una tipologia del tutto identica allo schema utilizzato
nelle pagine precedenti per spiegare il funzionamento del sistema a
commutazione, ovvero transistor, diodo, gruppo LC e regolatore, funzione
questa svolta da circuiti integrati realizzati ad hoc.
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