How-to : Determinare la qualità dell’alimentazione di una Mainboard.

[manny]

Innanzitutto partiamo dal presupposto che la sezione di alimentazione delle mainboard è un elemento fondamentale, in quanto, più è di qualità elevata, più genererà un segnale continuo, e in conseguenza creerà meno problematiche alla CPU.

Le caratteristiche indispensabili devono essere:

- linearità

- ripple basso

- potenza

Linearità: la linearità indica la continuità del valore di tensione che alimenta la CPU, per ottenere un buon valore di linearità si utilizzano i condensatori, indispensabili per tenere costante la tensione. A primo impatto con una motherboard, si può capirne subito la qualità.

Si utilizzano due tipi di condensatori, quelli elettrolitici e quelli solidi. Quelli elettrolitici sono prevalentemente in plastica esternamente, e piuttosto alti. Invece quelli solidi sono molto più piccoli e in un involucro metallico.

Condensatore elettrolitico

Condensatori Metallici

 

La differenza principale e la tecnologia costruttiva, i metallici sono l’evoluzione degli elettrolitici, sono più stabili ad alte temperature (quindi non necessitano particolari distanze dal dissipatore della CPU) offrono un ripple minore, e sono meno ingombranti.

Ripple: è un’oscillazione del segnale di alimentazione dovuto a RF (radiofrequenze) o ad altri parametri che sono lievemente difficili da spiegare (residuo della corrente alternata che viene trasformata in continua) questo parametro, e sempre presente in maniera molto molto lieve e non va confuso con il droop.

Esempio di ripple,fortemente amplificato

Potenza: La potenza di un circuito di alimentazione, viene fornita inizialmente dai mosfet che amplificano il segnale di riferimento, ma anche dalle induttanze, indispensabili per fornire una continuità alla corrente che alimenta la CPU. Determinare la qualità delle induttanze è più difficile rispetto ai condensatori, in quanto il nucleo e gli avvolgimenti non sono visibili. L'unica considerazione che si può fare è che Gigabyte utilizza induttanze a basso rds (che sarebbe il valore di perdita).

Due tipi di induttanze, la prima e una classica, la seconda e una a basso rds

 

 

Come funziona l’alimentazione di una CPU:

Al contrario di quanto possiate pensare, l’alimentazione ha inizio dalla CPU! La motherboard, riconosce il voltaggio della CPU tramite una serie di bit che riceve da alcuni pin del processore, se ben ricordate ai tempi era possibile pinmoddare le CPU per fornire un vcore più alto, cosi facendo si variava solamente un bit e il vcore che la motherboard capiva, era più alto rispetto al Vid. Questi bit (che teoricamente dovrebbero essere 8) sono collegati direttamente all’ingresso di un convertitore digitale analogico, che interpreta questi 8 bit e ne tira fuori un valore in tensione che sarà amplificato dalla parte di potenza della mainboard.

Il chip con scritto epu e un dac

 

La parte di potenza è composta da X mosfet, che hanno il compito di amplificare in maniera proporzionale il segnale che ricevono dal dac (convertitore analogico digitale). Un polo di questi mosfet (adeguatamente filtrato) è connesso al connettore a 4/8 pin dell’alimentatore, che fornisce 12v su 2 pin (o 4) e massa sui rimanenti. Non è una scelta fatta a caso quella di utilizzare 4 e 8 pin, in quanto consente di utilizzare cavi di sezione più piccola e fornire la stessa alimentazione ma da 2 pin differenti, semplificando alcune connessioni elettriche .

Invece il secondo polo del mosfet, è collegato ad un induttanza (in serie) e ad un condensatore (in parallelo verso massa) cosi da poter fornire una corrente costante, e una tensione piuttosto lineare.

Dopo il condensatore, ci si collegherà direttamente alla CPU, e una parte tornerà al circuito di conversione digitale analogico.

ed ecco una foto dell'insieme! mosfet,induttanze e condensatori

Questa parte della sezione di alimentazione è quella più suscettibile al carico, in quanto è retroazionata, ovvero una parte del segnale che si avrà sulla CPU torna in dietro a questa sezione. E qui si trova il problema dell'oscillazione ovvero il droop.

 

Il droop è una condizione particolare in cui la CPU assorbe talmente tanto da abbassare il valore di tensione generata sulla parte di potenza, e a causa della retroazione, aumentare il valore della tensione di riferimento per mantenere costante l'alimentazione del processore.

es:

IDLE:

vid in idle: 1,2v

tensione generata dal pilotaggio 12mV

vcore in idle: 1,2v

FULL:

vid in full : 1,2v

Tensione generata dal pilotaggio 12 mv

Vcore in full 1,18 V

vi direte, come mai succede questo?

è un meccanismo di protezione delle cpu, se la potenza aumenta, anche 0,02v in meno diminuisce il calore generato! E siccome le cpu son costruite per il daily, quei 2mV in meno non uccidono nessuno, anzi gli allungano la vita

piccola parentesi vmod:

- le vdroop servono per stabilizzare questa oscillazione di voltaggio, rendendo più sensibile l'integrato che gestisce l'alimentazione a questa variazione, se ipoteticamente il valore dopo il quale interviene per aumentare il voltaggio di riferimento e 10 mV con una vmod si puo arrivare a 1mV o meno.

- le vmod invece servono per variare il valore di riferimento che l'integrato utilizza per generare il vcore

 

Differenza tra Alimentazione Analogica e Digitale:

Ed ecco a livello estetico come si presentano:

Si nota la completa assenza di condensatori elettrolitici o metallici e di induttanze discrete nell'alimentazione digitale

 

Allora partendo dal presupposto che:

- un segnale analogico è un segnale che per definizione può avere infiniti valori (esempio 1,2323232324556677888990032222)

- Un segnale digitale può avere solo due valori (1 o 0) che nel caso della nostra cpu l'1 corrisponderà al vcore che si imposta.

Nella gestione analogica, la reazione di ritorno rispetto al carico, è con uno spettro più ampio. Della serie che a seconda della circuiteria che si usa si può arrivare a 12/20 mV come ridere, siccome il segnale è analogico, quindi la tolleranza oltre la quale si cerca di aumentare il voltaggio è infinita ma compresa tra 0 e 20 mV.

Nella gestione digitale, l'alimentazione segue un altro concetto.

Prima di tutto si usano SOLO mosfet, e condensatori ma con valore molto basso ( da 100 uF delle analogiche si scende a circa 1 uF forse meno) questi condensatori sono volutamente più piccoli per dare una maggior velocità di risposta a seguito di un droop, e servono per stabilizzare l'alimentazione, che a differenza di quelle analogiche, non è una linea tutta storta e con valore non molto costante, ma e un segnale ad onda quadra tipo questo sotto

i condensatori fanno percepire alla cpu, come alimentazione la linea arancione chiamata v-average, questa linea sale (quindi il vcore aumenta) se la durata dell'1 è piu alta dello 0, e scende seguendo la stessa logica. Tutto questo, avviene a frequenza elevatissima, io sto solo schematizzando a grandi linee il funzionamento per farvi capire al meglio.

Poi anche in questo tipo di alimentazione c'è un sistema di retroazione, anche questo completamente digitale, ovvero non si ha un campo da 0 a 20 mV, il segnale che arriva alla cpu viene campionato in digitale, quindi diventa una serie di bit, per esempio 0001 o 00001, più bit vengono utilizzati, più la conversione sarà precisa, ma anche più lenta!

Quindi, tornando ai nostri bit che arrivano dalla retroazione, il droop si imposterà su un valore di 0001 o 0010 o 0011 che corrisponderebbe ad 1/16 o 2/16 o 3/16 del vcore, (questo è un esempio!!! le schede madri usano almeno almeno 8/10/12 bit a seconda della generazione) e il vdroop massimo sarà determinato dalla RISOLUZIONE del campionatore per la retroazione.

 

A prima vista:

Adesso cercheremo di capire se un alimentazione è buona o meno.

Il primo parametro è quello numerico, determinare al volo le fasi è piu semplice di quanto pensiate, basta contare le induttanze (non i condensatori!!!) e poi valutarne la qualità.

Per dire se un induttanza è buona, diciamo che ci si può basare su tre parametri, le dimensioni, il tipo, e la marca.

Induttanze di buona qualità

Induttanze di bassa qualità

se poi vorrete entrare nel dettaglio vi spiegherò anche il perchè .

Allora partendo dalle prime due immagini, quelle motherboard montano induttanze di ottima qualità, si può capire dal fatto che sono relativamente più compatte rispetto a quelle standard, e che son composte interamente in ferrite, e poi la marca, le prime son yageo le altre sono proprietarie di giga.

Nella terza immagine invece si vedono le induttanze "standard" molto piu voluminose, con solo il nucleo di ferrite(che crea un minimo di campo EM), e non hanno marca, sono per uso generico, le si possono trovare anche nelle radioline del mulino bianco .

Un altro parametro da notare è che nelle prime due motherboard le induttanze sono molto piu vicine alla cpu, segno che generano un campo em quasi nullo, invece nella terza son molto piu distanti.

 

Il secondo parametro utile, sono i condensatori, che vanno valutati per capacità e qualità. Riguardo al fattore qualità vi ho gia anticipato qualcosa prima, quindi è inutile ribadire; invece sul fattore capacità c'è molto da spiegare.

Attualmente sul 99% delle motherboard di nuova generazione si utilizzano condensatori metallici da 561 uF. Una scelta di condensatori di valore relativamente cosi basso puo lasciare perplessi, ma in fondo indica una ottima qualità del segnale, quindi una sezione di alimentazione piu curata e stabile.

Invece nelle motherboard di bassa qualità, i condensatori saranno sempre di valore molto elevato, fino a raggioungere i 3300uF e oltre.

Il difetto di condensatori con capacità cosi elevata è che a lungo andare, può iniziare un processo di degrado sulla sezione di alimentazione, siccome, un condensatore scarico, per caricarsi offre una resistenza bassissima consentendo cosi un transito di corrente elevato solo per la sua carica, in condizioni di alto voltaggio le fasi di alimentazione potrebbero cedere a questo sforzo.

Esempio di alimentazione moderna con condensatori da 561uF

Esempio di alimentazione di bassa qualità

L'ultimo parametro, e forse il meno visibile su alcune schede, è la quantità di mosfet di potenza...Vi chiederete cosa sono...

sono quei quadratini neri dietro le induttanze!

Solitamente per ogni fase di alimentazione ne si utilizzano due, salvo casi particolari (mobo di vecchia generazione) in cui ne si utilizza solo uno a fase.

Qui il discorso si fa lievemente piu complicato in quanto ne esitono una marea di mosfet, ognuno con caratteristiche tecniche differenti, ma non staremo qui a diventare pazzi ad analizzare tutte le specifiche.

Il primo dettaglio che salta all'occhio è la dimensione, piu sono piccoli, piu sono efficenti, ovvero convertono nel migliore dei modi la corrente che gli viene fornita limitando la dispersione termica ed evitando il surriscaldamento, tutti i mosfet di nuova generazione sono di questo tipo, ma su alcune schede si utilizzano ancora quelli della generazione precedente.

Un po di mosfet da farvi vedere (non fate caso alle scritte;))

Questi mosfet risalgono alla generazione dei p3/p4 essendo gia abbastanza grossi di loro, non necessitano dissipatori aggiuntivi, siccome la loro struttura è gia pensata per dissipare.

generazione intermedia, si posizionano tra i primi p4 775 e i Pentium dualcore

Generazione core 2 duo/quad e i7, la piu usata attualmente

 

 

Glossario:

Mosfet: Componenti di forma rettangolare/quadrata, nero, con 3 terminali (gate/drain/surce). La funzione di questo componente è di amplificare N volte un segnale che riceve in ingresso (nel gate) per funzionare correttamente necessita di un circuito di pilotaggio per regolare il guadagno.

Condensatore: Componente di forma prevalentemente cilindrica(elettrolitici) o quadrata (tantalio/ceramici). GLi elettrolitici hanno capacità maggiore,quelli al tantalio hanno una buona capacità e dimensioni ridotte, quelli ceramici si utilizzano solo per filtri e circuiti a bassa potenza. Hanno la funzione di immagazzinare cariche elettriche, per poi mantenere la tensione ai suoi capi costante. Durante la carica assorbe molta corrente, dopo il transitorio iniziale, non assorbe corrente.

Induttanza: Componenti composti da un anima cilindrica, con avvolto del cavo di rame attorno o di forma cubica. Servono per immagazzinare corrente e mantenerla costante, nel transitorio iniziale tendono a far aumentare la tensione ai loro capi, per questo spesso si utilizzano dei diodi di ricircolo per non danneggiare il circuito collegato.

Ripple: Oscillazione microscopica del segnale, dovuto ai limiti di un filtraggio passivo(ovvero con componenti che non introducono guadagno). Se si analizza il segnale della rete elettrica a 50 Hz, secondo il teorema di fourier, si può affermare che e composto da infinite componenti sinusoidali con frequenza differente, in conseguenza, per rettificare il segnale, si utilizzera un filtraggio passivo RC (resistenza/condensatore) mirato ad abbattere i 50 Hz e cercare di creare una componente continua, nonostante questo, una parte delle componenti sinusoidali attraverserà lo stesso il filtro, degenerando il segnale finale.

PWM : Pulse whit Modulation, letteralmente pulsazione a modulazione di impulso. Si intende nel nostro caso, un segnale la cui componente efficace che varierà seguendo il duty-circle del segnale a onda quadra, necessario per alimentare la cpu. (solo nelle alimentazioni digitali)

[manny]

devo sostituire la foto del gatto che non so come mai e finita li...

[Totocellux]

a parte il gatto -> PWM.gif

 

 

hai fatto davvero un'ottima sintesi e insieme un egregio lavoro di spiegazione

 

Direi che non appena lo avrai ulteriormente rifinito, potrebbe tranquillamente essere inserito in evidenza

[manny]

si mi si sono gremate un po di immagini... azz... stanotte o domani sistemo (se sopravvivo)

[Le085]

 

hai fatto davvero un'ottima sintesi e insieme un egregio lavoro di spiegazione

 

Direi che non appena lo avrai ulteriormente rifinito, potrebbe tranquillamente essere inserito in evidenza

 

Quoto!

Ottimo lavoro davvero manny

 

e il gatto dà quel tocco di genialità che ci vuole sempre

[One1ros]

Benvenuto tra noi! Sono contento che tu abbia raccolto l'invito, una persona con la tua testa ed esperienza è un peccato che non possa esprimersi al meglio...qui da noi non potranno mai verificarsi tali situazioni.

 

Una guida molto intuitiva e ben fatta, sei riuscito ad essere semplice e diretto senza perdersi nei meandri dell'elettronica ma riuscendo a dare una visione globale che potrà introdurre molti utenti al mondo dell'oc vero :n2mu: