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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Aggiornato il 08/01/08 .