Запорожец  Издания 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

3 отдельных случаях, например, при использовании однотактной •хемы ВПН «обратного хода», учитывая отсутствие ib ней дрос-:еля. Фундаментом, на котором следует строить расчеты объем-jo-энергетических показателей, является теплотехника. Важность 1еплотехнического подхода к решению проблемы улучшения эбъемно-энергетических показателей убедительно показана в работе [1].

Для совершенствования объемно-энергетических показателей используются различные алгоритмы расчетов. В § 4.1 дается пример подхода к решению данной задачи, а также предлагается постановка задачи, решаемой по алгоритмам, приведенным в § 4.2; 3 § 4.3 представлены зависимости объемно-энергетических показателей ВПН от некоторых возмущающих воздействий.

4.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УЛУЧШЕНИЯ ОБЪЕМНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

В качестве примера рассмотрим способ построения системы вторичного электропитания для суперЭВМ поколения 90-х годов, проектируемой на больших интегральных схемах (БИС) с напряжениями питания 2... 5 В и потребляемой каждой БИС мощностью более 10 Вт [15]. Традиционные требования к СВЭП мощной РЭА ПО объему, массе, надежности, стоимости, электрическим параметрам дополняются при проектировании СВЭП для больших стационарных ЭВМ требованием уменьшения состава оборудования СВЭП, входящего в стойки (шкафы) процессора ЭВМ. Такое требование диктуется необходимостью уменьшения длины связей между отдельными узлами процессора для достижения большего быстродействия ЭВМ, зависящего при использовании современных БИС в значительной степени от времени прохождения сигнала по соединительньгм проводникам. Протяженность последних может существенно увеличиваться при росте соотношения VcB3n/Vn, где Усвэп - объем оборудования СВЭП, входящего в стойку процессора; Vn -объем процессора.

Общий объем оборудования СВЭП Усвэп -можно представ-ить как сумму составлящих Усвэп и Усвэп где Усвэп- объем устройств и отдельных узлов СВЭП, не входящих в стойку процессора. Для систем рассмотриваемого класса это обычно преобразователи напряжения промышленной сети в переменное или постоянное напряжение.

Таким образом, значение Усвэп зависит в первую очередь от того, как перераспределяется объем ВПН между Усвэп и V"cB3n-Эта зависимость определяется в основном тем, какими являются:

1) системное и схемное построения СВЭП и ВПН;

2) применяемая элементная база;

3) способ охлаждения узлов СВЭП;

4) вид токопроводов в СВЭП.



вык I

Рис. 4.1. СВЭП для суперЭВМ с централизованной стабилизацией

Г"

\

м

Разновидности структурных электрических схем СВЭП ВПН рассмотрены в [14], где вс СВЭП разделены на системы централизованной, групповой децентрализованной стабилизацией. Для решения стоящей задачи уменьшения Усвэп в данном случае следует принять пер вый вариант (рис. 4.1). Однако при вынесении узлов стабилизации из стойки процессора (СП), возникает проблема снижения до допустимого уровня статической нестабильности напряжения пи- тания на потребителях (БИС), равной произведению сопротивления токопровода Нтп (от точки соединения ОС до БИС на величину изменения тока нагрузки БИС А1н). В схеме рис. 4.1 НВ - нерегулируемый выпрямитель, РИ - регулируемый инвертор.

Отмеченная проблема наиболее простым способом устраняется введением дополнительных линейных стабилизаторов (ДЛС), являющихся составной частью электроники процессора и БИС, размещаемых децентрализованно непосредственно вблизи него. Рассеиваемую в таком стабилизаторе мощность можно оценить из соотношения:

А Ро = (А1н Rxn + А Uk.3 + А Ub.3/Bh) Ih,

(4.1

где AUk. э, Дб. э - значения падений напряжения между коллектором и эмиттером, базой и эмиттером транзистора в режиме насыщения; 1н - номинальный ток нагрузки БИС; Вн - коэффициент передачи базового тока е режиме насыщения.

Требования к элементной базе ВПН, вошедшего составной частью в объем Усвэп остаются традиционными.

Основное требование к транзистору в ДЛС - минимизация падения напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения при больших значениях коэффициента Вн.

Полагая, что объем конструкции стабилизатора Vc определяется условиями охлаждения, получаем i[l]:

Ve = Nh (/H-APeSo/2h-l),

(4.2)

где N - число ДЛС; h - высота конструкции ДЛС; So - поверхность, необходимая для рассеяния 1 Вт мощности при заданных условиях охлаждения.



Узлы ЭВМ в настоящее время охлаждаются воздушным при-чудительным либо жидкостным способом, которые характеризу-

()ТСЯ некоторыми So.b и Зо.ж-

Задаваясь So.b = 60 см2/Вт, 8о.ж = 30 см2/Вт, I„R™ = 0,5 В, AUr.s -0,5 В, AUe3=1.0 в, В„=10, 1н = 4 а, nio, h=l см, получим .3 (4.1, 4.2) Vc.b = 0,110 мз, Ус.ж = 0,052 м.

При этом для простоты дальнейших рассуждений и с учетом 1ргктичеоких результатов примем, что объем необходимых при .оздушном охлаждении промежутков между элементами равен ..бъему теплоотводящих плит с жидкостью. Обозначим этот объем, .тяосящийся к одному стабилизатору, Vq. Учтем, что в объем свэп кроме Vc и Vo входит объем токопровода Утпсвэп которого имеем:

V.„ = Np/4h/AI„R.„, (4.3)

де р - удельное электрическое сопротивление материала токопро-юда; 7 - средняя длина токопровода к каждому из стабилиза-

iOpOB.

При р= 17,5-10-3 Ом-м, /=10 м и прочих принятых выше значениях Утп=0,014 м. Принимая Vo = 0,3Vc.b, получим Усвэп при воздушном охлаждении 0,157 м, а при жидкостном 0,099 м.

С учетом полученных результатов, а также прогнозируя улучшение объсхмных показателей (v, Вт/дм) ИВЭП на ближайшие 15 лет, построим зависимости v(t) (рис. 4.2) в виде ожидаемых областей. Улучшение в рассматриваемом временном интервале для рекомендуемых к применению дополнительных линейных стабилизаторов ожидается лишь за счет незначительного уменьшения величины AUk. э, поэтому рост v(t) областей 5-6 на рис. 4.2 несильный.

Учитывая, что Утп в рассмотренном примере расчета может составить 50% и более Усвэп (при lHRTn = 0,05 В - 1% Uh = = 5 В), следует обратить внимание на возможные пути уменьшения Утп.

Перспективным представляется использование для токопроводов сверхпроводящих материалов (см. область 7 на рис. 4.2). При этом может оказаться целесообразным поддержание низкой температуры не только в токопроводах, но и во всей электронике процессора, включая дополнительные линейные стабилизаторы, что может привести к дальнейшему улучшению объемных показателей части СВЭП, входящей в стойки процессора.

Приведенный пример расчета объемно-энергетических показателей рассматривает частный случай. В более общем виде предлагаемый подход К поиску минимального объема ВПН будет понятен из рассмотрения рис. 4.3, где Vt, Уд, Vk, Удр, Утр - объемы транзисторов, диодов, конденсаторов, дросселей и трансформаторов соответственно. В качестве общего параметра, от которого зависят объемы всех элементов, принята частота преобразова-ния fn.

3-98 65



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53