Каким напряжением питается процессор в смартфоне
Развитие сотовых телефонов давно уже характеризуется исключительно превосходными степенями - мощнейшие, быстрейшие и т.д. Однако есть среди всего этого засилья мегабайтов и мегапикселей одна-единственная характеристика, которая с дальнейшей эволюцией мобильных устройств не становится лучше, а наоборот, служит во многом сдерживающим фактором мобильных технологий. Речь идет, конечно же, о времени автономной работы и, соответственно, об аккумуляторах современных сотовых телефонов. С увеличением возможностей мобильных устройств, их технических параметров, время работы телефонов неизменно сокращается. Современные технические решения, такие как, например, литиевые аккумуляторы всех мастей, не справляются со все возрастающими запросами пользователей, в результате чего сегодняшнее поколение сотовых телефонов способно работать лишь один-два дня. Перспективные же разработки, такие как широко освещавшиеся в прессе некоторое время назад топливные элементы или другие не менее одиозные альтернативные источники питания, на поверку оказываются куда менее эффективными, нежели предполагалось вначале. Однако, пожалуй, стоит перейти непосредственно к рассмотрению элементов питания современных мобильных телефонов.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Первые аккумуляторы, то есть устройства для накопления энергии (в данном случае - электрической) с целью последующего ее использования, появились еще в XIX веке. Первоначально это были кислотные аккумуляторы, обладавшие существенными недостатками, в частности, невысокой емкостью. Однако именно в то время сформировались основные принципы и конструктивные особенности современных аккумуляторов. Любая батарея состояла из трех основных элементов - анода и катода, между которыми протекала окислительно-восстановительная реакция, а также находящегося между ними электролита. Свинцово-кислотные аккумуляторы, появившиеся в 1859 году в результате работ французского ученого Гастона Планте (Gaston Plant?) и начавшие серийно выпускаться еще в конце XIX века, получили распространение в различных сферах деятельности человека. Однако это явно не касается мобильной индустрии и сотовых телефонов - недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов, такие как большие массогабаритные характеристики, а также вредность содержащихся в них компонентов, не позволили использовать их в чувствительной, капризной и компактной мобильной технике.
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Первую никель-кадмиевую (Ni-Cd) батарею изобрел шведский ученый Вальдмар Юнгнер (Waldmar Jungner) в 1899 году. Правда, в то время подобный тип аккумуляторов распространения не получил, в основном, из-за дороговизны технологического процесса производства. Однако впоследствии появились новые, более прогрессивные способы и методы, в результате чего никель-кадмиевые источники питания получили большую известность (в частности, в 1947 году немецкий инженер Георг Нойман (Georg Neumann) изобрел герметичную никель-кадмиевую батарею). Однако подобные элементы постепенно выходят из употребления, в основном, в связи с вредностью отработанных никель-кадмиевых аккумуляторов (в связи с токсичностью кадмия). Так, в ряде стран никель-кадмиевые аккумуляторы, не включенные в программу утилизации, и вовсе оказались под запретом. Интересно, что для аккумуляторов данного типа были свойственны хорошие показатели долговечности и надежности (особенно при высоких и низких температурах), также никель-кадмиевые элементы питания славились своей способностью выдерживать большое количество циклов зарядки-разрядки. Однако энергоемкость таких источников питания оказалась ниже, чем у других типов аккумуляторов. К тому же, никель-кадмиевые аккумуляторы, как и все источники питания с содержанием никеля, "славились" так называемым эффектом памяти, когда при неполном разряде-заряде аккумулятора значительно падала его емкость (могла упасть до значения остаточного заряда). Впрочем, современные никель-кадмиевые аккумуляторы практически избавились от этого своего главного недостатка.
Никель-металлогидридные аккумуляторы
Другой тип аккумуляторов с использованием никеля - никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH). Некоторое время назад их еще можно было встретить в устаревших моделях сотовых телефонов, правда, впоследствии подобные аккумуляторы были заменены на более прогрессивные типы элементов питания (как это произошло, например, с культовым мобильным телефоном Nokia 3310). Как и другие никелевые аккумуляторы, источники питания Ni-MH были подвержены "эффекту памяти" (правда, выражен он был в меньшей степени, нежели у никель-кадмиевых аккумуляторов), в связи с чем появился традиционный ритуал так называемой раскачки свежеприобретенного мобильного телефона (несколько последовательных циклов разряда и заряда батареи телефона).
Литий-ионные аккумуляторы
Самые массовые из современных элементов питания для мобильных телефонов - литиевые. Первые литиевые аккумуляторы в бытовых устройствах появились в 70-х годах прошлого века, хотя первые опыты по созданию данного типа источников питания относятся еще к 1912 году. В отличие от никелевых аккумуляторов, здесь катод состоял из угля, анод - из различных соединений, как правило, диоксида лития и кобальта, а электролит представлял собой соляной раствор с ионами лития.
Li-Ion-аккумуляторы сегодня повсеместно распространены не только среди сотовых телефонов, но и в сегментах ноутбуков, цифровых фотоаппаратов (имеются в виду оригинальные аккумуляторы, не стандартные AA), MP3-плееров и прочих портативных устройств. Высокая энергоемкость и стабильность позволяют компаниям-производителям по-прежнему ориентироваться на использование данного типа элементов питания в своих устройствах. Процесс начался еще в 1990-х годах, с внедрением литиевых элементов питания в мобильные телефоны, реализовывавшиеся на японском рынке, - вообще, впервые коммерческое производство Li-Ion-аккумуляторов было запущено в 1991 году компанией Sony Energetic. Правда ранее авторитет этого типа аккумуляторов был сильно подпорчен многочисленными рекламациями, отзывами и даже взрывами литий-ионных аккумуляторов. К недостаткам литиевых аккумуляторов относится не только взрывоопасность (в связи с очень высокой химической активностью лития), но и далеко не лучшее поведение на морозе (их просто нецелесообразно использовать при температурах ниже 20 градусов по Цельсию - иначе рискуете лишиться не только аккумулятора, но и телефона в результате выброса электролита), "просаживание" при длительном бездействии (глубокий разряд губительно сказывается на ресурсе аккумулятора), падение емкости аккумулятора с возрастом (вне зависимости от степени использования). Но, несмотря на наличие отрицательных сторон, подобный тип элементов питания сегодня остается основным для мобильных телефонов. Основным достоинством такого типа аккумуляторов является большая емкость и отсутствие того самого "эффекта памяти" (правда, многие пользователи новых, только что купленных телефонов с Li-Ion-аккумуляторами по старинке продолжают "раскачивать" батареи циклами разряда-заряда). По сравнению с никелевыми аккумуляторами, литий-ионные батареи допускают меньшие значения саморазряда (за одно и то же время бездействия телефона Li-Ion-аккумулятор потеряет гораздо меньше энергии, чем тот же Ni-MH).
Литий-полимерные аккумуляторы
Более прогрессивной разновидностью литий-ионных источников питания являются литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Справедливости ради, их и назвать-то стоило "литий-ионные полимерные" источники питания. Они стали широко известны на рынке с 1999 года, начиная с первых коммерческих образцов. Ввиду особенностей конструкции (применение специального полимерного электролита - также солей лития - в виде геля) они годятся для изготовления различных по форме аккумуляторов, в том числе для так любимых производителями сегодня тонких решений. Это и является основным преимуществом литий-полимерных аккумуляторов перед литий-ионными. Появляется возможность уменьшить толщину аккумулятора, а вместе с ним - и самого мобильного устройства. Сегодня литий-полимерные аккумуляторы в мобильных телефонах чаще всего можно встретить среди продукции компании Sony Ericsson. Поскольку глубокий разряд может негативно сказаться на аккумуляторе, в современных литий-ионных и литий-полимерных элементах питания используется также контроллер напряжения, не допускающий глубокого разряда либо, наоборот, "перезарядки", способной привести к деформации аккумулятора.
Вездесущие батарейки
История, как известно, развивается по спирали. Лет десять назад, наряду с оригинальными никель-металлогидридными и литий-ионными аккумуляторами в мобильных телефонах успешно применялись стандартные сухие элементы питания - "пальчиковые" формата АА и ААА, повсеместно распространенные щелочные (марганцево-цинковые) батарейки. Достаточно вспомнить такие продукты, как, например, Alcatel OT COM, Motorola V2288 и проч.
Впоследствии, с приходом моды на уменьшение габаритов мобильных телефонов, подобные решения постепенно сошли на нет. Однако развитие мобильных технологий, как известно, не стоит на месте - сегодняшним мультимедийным монстрам порой просто необходима подпитка со стороны дополнительных источников питания, позволяющих хоть как-то продлить время автономной работы. Причем, если раньше дело касалось разве что зарядных устройств для мобильных телефонов, подключаемых к интерфейсному разъему телефонов и способных подпитывать девайсы от одной-двух стандартных батареек АА (внешние подсоединяемые модули для различных телефонов, в частности, Sony Ericsson или Nokia) да концептов (например, Motorola PVOT), то сегодня можно говорить о полноценных серийных мобильных решениях с предусмотренным конструкцией соответствующим слотом для таких аккумуляторов. В качестве примера можно привести мобильный телефон из "долгоиграющей" линейки Xenium компании Philips - модель Philips 9@9j, в которой наряду с оригинальным аккумулятором предусмотрена возможность использования обычной ААА-батарейки (по заявлению производителя, одна такая "мизинчиковая" батарейка позволяет дополнительно разговаривать в течение трех часов).
Альтернативные источники питания
Естественно, компании-производители мобильных телефонов не могут быть удовлетворены низким временем автономной работы современных устройств. В связи с этим постоянно ведутся работы над новыми, перспективными источниками питания для мобильных телефонов, вот только отдача от данного процесса пока слишком мала. Разнообразные проекты, связанные с использованием солнечной энергии, механической энергии (в том числе "подзаводка" мобильного телефона подобно часам) и т.д. пока не вызвали особого энтузиазма со стороны пользователей.
Топливные элементы, про которые пару лет назад не говорил только ленивый, стали одним из главных разочарований мобильной индустрии. Применительно к сотовым телефонам дело не пошло дальше экспериментов, в частности, проводившихся японским оператором NTT DoCoMo. Авансы, которые получили метаноловые (и не только) источники питания, оказались чересчур щедрыми, ожидания так до конца не оправдались. Технология выработки энергии за счет реакции между водородом и кислородом воздуха по-прежнему требует доработки.
Конечно, сам принцип преобразования энергии в результате реакции окисления топлива весьма заманчив. Однако при этом возникает целый ряд жестких ограничений, связанных с обеспечением должного уровня безопасности - как известно, метиловый спирт - а именно он предполагался на роль главного топливного элемента - является весьма ядовитым веществом, в связи с чем предъявлялись особые требования к герметичности топливных картриджей. Впрочем, развитие технологий не стоит на месте, и уже в ближайшем будущем мы наверняка сможем проследить за очередным витком эволюции топливных элементов.
Вывод
Таким образом, на сегодняшнем этапе развития технологий время автономной работы мобильных устройств по-прежнему остается одним из самых узких мест. Существующие решения, в частности, наиболее распространенные литий-ионные аккумуляторы, с учетом "нафаршированности" современных сотовых телефонов разнообразными функциями, просто не в состоянии обеспечить время автономной работы больше нескольких дней, даже при минимальной нагрузке. Предлагаемые альтернативные источники питания, несмотря на всю шумиху вокруг них, пока неспособны даже выйти на сравнимый с традиционными аккумуляторами уровень - как по техническим характеристикам, так и по удобству. Это особенно хорошо видно на примере топливных элементов, истерия вокруг которых пару лет назад закончилась пшиком. Безусловно, технология крайне перспективна, однако она требует длительной доработки, как и многие другие идеи, в частности, использование новых типов аккумуляторов. Прочие же разработки, вроде использования солнечной энергии или мускульной силы человека, вряд ли получат массовое распространение в ближайшем будущем - все же, большинство пользователей воспринимает мобильный телефон прежде всего как удобное средство общения, но не как эспандер. В связи со всем вышесказанным, наиболее эффективным способом увеличения времени автономной работы мобильных устройств сегодня является вовсе не изобретение новых источников питания, а усовершенствование старых и особенно - оптимизация работы современных сотовых телефонов. Энергосбережение мобильных устройств сегодня является тем ресурсом, который далеко еще не исчерпал себя. Способы, предлагаемые сегодня компаниями-производителями, достаточно примитивны, обладают не самой значительной эффективностью, однако их развитие может действительно привести к значительным подвижкам в области энергосбережения мобильных телефонов. В качестве примеров можно вспомнить использование датчиков освещения, динамическое изменение тактовой частоты процессора мобильного телефона, использование своеобразной "двухъядерной" структуры (на самом деле, двухпроцессорной, когда один процессор в телефоне отвечает исключительно за голосовые функции, радиомодуль, другой - за все остальное). Сократить энергопотребление позволит и внедрение новых конструктивных решений, например, более экономичных плазменных панелей вместо современных жидкокристаллических экранов, а также такие разработки, как функция прерывания сигнала во время пауз при разговоре (DTX). Интересно, прослеживается аналогия с автомобилестроением, также упорно борющимся за экономичность современных авто (в частности, функции DTX вполне соответствует опция отключения двигателя в периоды простаивания). Тем не менее, именно создание энергоэффективных аппаратов, экономия заряда аккумуляторов за счет энергосберегающих технологий может в какой-то мере стать альтернативой поиску новых решений в области элементов питания. Либо дополнить их - уже ведутся работы над перспективными серно-натриевыми и литий-серными аккумуляторами, над улучшением существующих решений (в том числе литий-ионных аккумуляторов, благодаря модным нынче нанотехнологиям, например, кремниевых нанопроводов). Снижение энергопотребления на сегодняшний день приоритетно не только для мобильной индустрии, но и в целом для компьютерного рынка, причем здесь интересы компаний-производителей, похоже, совпадают с интересами "зеленых" организаций. Интересно проследить, насколько динамичным будет развитие данного направления в самом ближайшем будущем - уж наверняка не медленнее, чем поиск эффективных альтернативных источников питания.
Здравствуйте. Мой вопрос касается системы питания смартфона. Смартфон поддерживает технологию зарядки QuickCharge 2.0 и заряжает током 2.8 А по microUSB.
Подскажите пожалуйста, когда подключено зарядное устройство и идет просмотр фильма - откуда идет питание для самого телефона?
Есть 2 варианта:
1) Зарядное устройство всё время заряжает аккумулятор, а с аккумулятора снимается ток для питания внутренних схем смартфона. В результате после просмотра фильма аккумулятор даже немного подзарядился, но на самом деле в течении всего фильма аккумулятор работал на износ (заряжался и тут же отдавал заряд, заряжался и тут же отдавал заряд)
2. Зарядное устройство заряжает аккумулятор и при этом по отдельной цепи питает внутренние схемы. В этом случае аккумулятор потихонечку заряжается остаточным током, а вся остальная часть тока, минуя аккумулятор питает смартфон (как в ноутбуках). И в этом случае просмотр фильмов на смартфоне при подключенном зарядном устройстве никак не вредит аккумулятору.
Какой вариант верный?
JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет - любой!
Возможно, Вы и правы. Хотя конечно у Вас есть ссылки на статьи (пусть и зарубежные) для подтверждения Ваших слов - был бы Вам благодарен.
Я предположил следующую ситуацию: есть аккумулятор и на его плюсовой вход зарядное устройство подаёт напряжение. Телефон берет это напряжение с того же самого плюсового контакта аккумулятора. Получается, что если зарядное устройство подает напряжение и ток на плюс аккумулятора и сам телефон берет напряжение и ток с плюса аккумулятора, значит, получается что зарядное устройство питает внутренние цепи телефона.
Поэтому второй вариант подходит. Но есть еще такая штука как нагрев аккумулятора, при котором зарядный ток сильно понижается, и тогда на клеммы аккумулятора пойдет ток намного меньше, чем нужен самому телефону.
У меня аккумулятор допустим заряжен на 70%, я подключаю зарядное устройство 1 А и после 50 минут просмотра VR фильма аккумулятор садится на 2%. И тут 2 варианта — либо весь ток идет напрямую на схему телефона (и немного с аккумулятора), либо весь ток идет на аккумулятор и с аккумулятора уже снимается.
Но я думаю что вряд ли удастся где-то найти ответ на этот вопрос. Это знают только инженеры цепей питания моего смартфона. Опять же в разных телефонах это может быть реализовано по разному. Поэтому остаётся только проверять на личном опыте, но очень не хочется за год убить аккумулятор для замены которого придется нести телефон в сервис, где его всего покоцают при вскрытии.
Так что либо на свой страх и риск активно пользоваться смартфоном и наслаждаться его возможностями (VR игры, VR фильмы), либо использовать телефон как звонилку, плеер и будильник — тогда аккумулятор гарантировано проживет года 3.
А так вообще можно услышать рекомендации вида «не парься, все равно телефон морально устаревает быстрее, чем что-либо успеет случиться с его аккумулятором». Так то оно так, но я не особый фанат смартфонов и хотелось бы попользоваться телефоном лет 5, а то и 10. Но вот как-то не выходит — то выпадет из кармана в пруд, то украдут, то разобьешь, то реально надоест
Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
_________________
Всё не так, как кажется
Приглашаем 9 декабря всех желающих посетить вебинар, посвященный технологии Ethernet и её новому стандарту 10BASE-T1S/L. Стандарт 802.3cg описывает передачу данных на скорости до 10 Мбит в секунду по одной витой паре. На вебинаре будут рассмотрены и другие новшества, которые недавно вошли в семейство технологий Ethernet: Synchronous Ethernet (SyncE), Precision Time Protocol (PTP), Time Sensitive Networking (TSN). Не останется в стороне и высокоскоростной 25G+ Ethernet от Microchip.
Я предположил следующую ситуацию: есть аккумулятор и на его плюсовой вход зарядное устройство подаёт напряжение.Зарядное устройство ничего не заряжает. Оно подаёт напряжение питания на супервайзер питания (Power System Management IC), который отвечает как за заряд аккумулятора, так и за питание аппарата в целом (например, распространённая PSMIC AXP209 ).
Поэтому дальнейшие Ваши рассуждения - без комментариев.
Но я думаю что вряд ли удастся где-то найти ответ на этот вопрос. Удастся.Берут схему любого смартфона/планшета, и убеджаются. Опять же в разных телефонах это может быть реализовано по разному. Принцип везде одинаковый.
Ни в одной схеме питания аккумулятор не является "промежуточным звеном" между ЗУ и схемой аппарата. Им является супервайзер питания. но очень не хочется за год убить аккумулятор для замены которого придется нести телефон в сервис, где его всего покоцают при вскрытии. При питании аппарата от ЗУ, аккумулятор, зарядившись, отключается от цепей заряда супервайзером питания, и последующее питание аппарата происходит напрямую от ЗУ. Аккумулятор в это время "курит", заряженный.
Если ЗУ отключается, то аккумулятор подключается к супервайзеру питания, а тот уже подаёт напряжение на схему аппарата. я не особый фанат смартфонов и хотелось бы попользоваться телефоном лет 5, а то и 10. При соответствующем обращении, аппаратом вы в течение этого срока попользуетесь, а вот его аккумулятором - уже нет.
Рассчитывайте на 3. 4 года.
Внедрение автоматизированных систем контроля и учета всех видов энергоресурсов, невозможно без инструментов, позволяющих помимо измерения параметров, преобразовывать их для обработки цифровыми интеллектуальными системами. Микросхемы STPM32, STPM33 и STPM34 STMicroelectronics являются наиболее точными и высокопроизводительными представителями своего семейства и способны максимально точно измерять параметры электросети в системах электроснабжения переменного тока, а также осуществлять их первичную обработку. Рассмотрим подробнее их преимущества и средства разработки.
Ни в одной схеме питания аккумулятор не является "промежуточным звеном" между ЗУ и схемой аппарата. Им является супервайзер питания.Да, и согласно статье на английском, которую Вы кинули, тоже написано, что при наличии внешнего источника питания AXP209 будет работать даже без аккумулятора (я полагаю питать телефон).
К сожалению в своём телефоне я проверить не могу, т.к аккумулятор встроенный, но если взять телефон несколько проще - Philips Xenium x1510 то он сразу выключается если вытащить аккумулятор, даже при наличии внешнего источника питания 2 А. Наверное там нет такого крутого супервайзера питания. Либо может быть некоторые супервайзеры питания не поддерживают работу без аккумулятора?
У меня аккумулятор допустим заряжен на 70%, я подключаю зарядное устройство 1 А и после 50 минут просмотра VR фильма аккумулятор садится на 2%Твое зарядное устройство - говно. Либо смартфон воспринимает его как не родное.
1) Проверить зарядное устройство на максимальный ток подключив нагрузочный резистор. Если не просаживается при ДОЛГОВРЕМЕННОМ токе 1А для смартфона годится, если уходит в защиту и сбрасывает напряжение - выбросить!
2) Установить состояние датовских проводов необходимое, чтобы ДАННЫЙ тип смартфона воспринимал его как родное (замкнуть их или подать определенные напряжения, нагугливается для конкретного девайса).
Если это сделать правильно то смартфон в процессе просмотра кинА разряжаться не будет.
Производитель счёл недопустимым эксплуатацию устройства с изъятым аккумулятором. Твое зарядное устройство - говно. Либо смартфон воспринимает его как не родное. . либо оно и есть неродное.
У "левых" китайских ЗУ "за $2" экономят на сечении жил провода.
В результате падение напряжения (и тока заряда соответственно) может достигать 30. 50%. Провод отдельно проверять! У нормального провода суммарное сопротивление обоих жил должно быть не более
0,3ом. Твое зарядное устройство - говно. Либо смартфон воспринимает его как не родное.
Да, использую не родное устройство, но фирменное от старого аппарата samsung galaxy grand prime. Это хорошо, что заряд аккумулятора поддерживается почти на одном и том же уровне, а не заряжается во время просмотра фильма. Почему хорошо? Потому что температура аккумулятора доходит при просмотре фильма до 47,5 градусов. Читал в интернетах что очень не желательно заряжать аккумулятор при таких температурах.
А если я подключу родное зарядное устройство 9V 1,67A (технология Quick Charge, хотя AID64 показывает зарядный ток 2,8А) - то тогда аккумулятор заряжается даже при просмотре фильма.
Вы спецы, Вам виднее, но мне кажется что тока 1А не достаточно для зарядки аккумулятора и при этом для просмотра фильма. Потому что фильм не обычный, а преобразовывается для очков виртуальной реальности (делается из одного видео 720p два изображения для каждого глаза и уменьшается разрешение). Мне кажется там железо работает на полную катушку.
использую не родное устройство, но фирменное от старого аппарата samsung galaxy grand prime. Измеряйте сопротивления с "D-" и "D+" - на землю и на +5V.Сравнивайте с положением дел в "родном" ЗУ.
Зачастую в ЗУ планшетов и смартфонов "D-" и "D+" просто закорачиваются.
В этом случае аппараты различных "брэндов" не воспринимают его как "родное", и не включают режим заряда повышенным током.
Берут вообще только "стандартные" 500 мА. Потому что температура аккумулятора доходит при просмотре фильма до 47,5 градусов. Это греется не аккумулятор, а SoC.
Или Вы убеждались тактильно, прямо на аккумуляторе? А если я подключу родное зарядное устройство 9V 1,67A (технология Quick Charge, хотя AID64 показывает зарядный ток 2,8А) - то тогда аккумулятор заряжается даже при просмотре фильма. Причина выше - различия в сопротивлении между проводами шины данных кабеля ЗУ.
По всей видимости аккумулятор нагревается от SoC. Приложение AID64 показывает температуру батареи в 47,5 градусов после просмотра 50 минутного фильма.
А вот про различия в сопротивлении между проводами шины данных кабеля ЗУ не понял. Почему на зарядном устройстве написано 9V 1.67А, а AID64 показывает зарядный ток в 2,8А? Врет AID или производитель?
А вот про различия в сопротивлении между проводами шины данных кабеля ЗУ не понял.А чего непонятного?
Для идентификации ЗУ по принципу "свой-чужой", в ЗУ между проводниками данных установлен (в большинстве случаев) резисторный делитель, со строго определённым сопротивлением плеч (точность до 1 кОм).
Каждый изготовитель регламентирует это сопротивление, вплоть до различного для каждой модельной линейки устройств.
При подсоединении ЗУ, устройство измеряет падение напряжения на шине данных, и делает вывод: брать ему для зарядки повышенный ток (если ЗУ родное), либо ограничиться 500 мА (если ЗУ не опознано).
Если девайс жрет этот ток то ему достаточно. Больший ток у айпадов, но там не USB. Тут вообще много чего непонятно.
На 9В я тоже обратил внимание, но подумал: "чего только не понапридумывают изготов
kentgaryk, это новая технология быстрой зарядки Quick Charge 2.0 в топовых смартфонах. В комплекте со смартфоном идет специальное зарядное устройство которое выдаёт 9v 1,67А. Так же сам чип внутри смартфона рассчитан на такое напряжение и такой ток. По факту же приложение AID64 показывает зарядный ток никаких не 1,67А, а все 2,8А. То ли врёт производитель, то ли AID64. В любом случае я не использую этот адаптер, так как считаю что технология Quick Charge 2.0 убивает аккумулятор.
Аккумулятор действительно заряжается сверхбыстро, проценты заряда увеличиваются каждые 40 секунд. Но чудес не бывает - чем бОльшим током мы заряжаем аккумулятор, тем быстрее он деградирует. AID64 показал зарядный ток в 2,8 А. Аккумулятор разогревается очень сильно, до 44 градусов, после чего контроллер заряда на некоторое время понижает зарядный ток до 1,2 А и после того, как температура аккумулятора упадет до 42 градусов - снова поднимает до 2,8 А и так циклами. Известно, что рекомендуемая сила тока для Li-Ion аккумуляторов составляет 0,5С. То есть в половину ёмкости аккумулятора. Так, если у нас аккумулятор 3000 мАч, то рекомендуемый зарядный ток составляет 1 500 мАч. не забывайте, что аккумулятор у нас не съемный и поменять просто так мы его не можем. Мы можем отнести его в сервисный центр где произведут замену аккумулятора, но я более чем уверен, что после вскрытия "умельцами" на корпусе появятся различные коцки, царапки и повреждения. Безболезненно вскрытие корпуса смартфона вероятнее всего не пройдет. Поэтому, я считаю, что технология Quick Charge 2.0 предназначена не для постоянного использования, а для того, чтобы экстренно зарядить телефон если это необходимо. А для повседневной эксплуатации я решил использовать обычное зарядное устройство с максимальным током в 1А. Допустим пришел и поставил на зарядку на ночь - зачем насиловать аккумулятор токами почти в 3 ампера? Хотя на самом деле никто ничего не знает. В интернете можно найти статью, где якобы проводилось исследование и было выявлено, что быстрая зарядка большими токами не вредит аккумулятору. Верить или не верить этому исследованию - решать только вам. Еще раз подчеркну что чудес не бывает. Я не нашел комментариев разработчиков по поводу вреда для аккумулятора при использовании технологии Quick Charge. Ровно как не нашел детального объяснения принципа работы данной технологии. Нужно понимать, что ни один современный производитель не на целен на долгий эксплуатационный срок Вашего устройства, а лишь наоборот, нацеливается на то, что Вы как можно чаще меняли телефон. Даже аккумуляторы в смартфонах стали делать не съемными. Убили телефон за год технологией Quick Charge 2.0, аккумулятор не съемный - идем за новым флагманом. ИМХО - Quick Charge 2.0 это технология, при которой смартфон поддерживает зарядку аккумулятора большим током, только и всего. При этом применять эту технологию (использовать адаптер из комплекта поставки) можно только в особых случаях когда нужно быстро зарядить телефон.
Обеспечение питания – одна из наиболее сложных задач при разработке современных процессоров. Сеть доставки питания (power delivery network, PDN) должна отвечать повышенным требованиям современной КМОП-технологии, обеспечивать питание с высокой эффективностью и быстро реагировать на изменения в энергопотреблении.
И эти проблемы встречаются как у смартфонов с потреблением в 1 Вт, так и у серверных процессоров на 200 Вт и массивных ускорителей машинного обучения – к примеру, Cerebras CS-1 на 15 кВт. Для работы с заданной тактовой частотой каждому транзистору и каждой схеме современного чипа требуется питание с правильным напряжением. Если напряжение будет слишком низким, элементы схемы будут переключаться медленно, что приведёт к появлению ошибок, проблемам со стабильностью и другим неожиданным отказам.
Из-за физики кремния КМОП обычно работает на напряжении в 1 В. Однако у современных технологий, использующих транзисторы FinFET и другие техники, номинальные напряжения могут находиться в диапазоне от 0,65 В до 1,2 В. Инновационные схемы могут использовать напряжение питания, близкое к пороговому значению транзисторов (near-threshold voltage, NTV) – эту технологию продемонстрировало исследование от Intel. И хотя процессоры, использующие NTV (к примеру, Ambiq Micro), уже появились в продаже, эта технология всё ещё довольно нова. Энергопотребление коммутационной схемы (такой, как процессор) пропорционально квадрату напряжения, поэтому для увеличения эффективности необходимо уменьшать напряжение. Для разработчиков чипов это классическая проблема поиска золотой середины: напряжение должно быть достаточно высоким для того, чтобы избежать ошибок, но не выше.
Однако работа под низким напряжением – это сложная задача в плане обеспечения питания, поскольку в этом случае к процессору нужно подводить большой ток. Возьмём современный серверный процессор – Intel Cascade Lake Xeon 14 нм. TDP у самых мощных процессоров этой модели достигают 205 Вт, что теоретически даёт нам ток в 205 А при напряжении в 1 В. На самом деле, конечно, процессоры устроены гораздо сложнее, и используют различные напряжения и схемы питания, однако такой простой пример будет полезен для понимания ситуации. Если энергопотребление процессора останется на том же уровне, а напряжение понизится до 0,75 В, это увеличит нужный ток до 274 А. И хотя передовые серверные процессоры от Intel довольно прожорливы, они не идут в сравнение с некоторыми ускорителями вычислений. К примеру Nvidia Volta V100 потребляет 450 Вт, некоторые будущие их процессоры будут есть уже по 600 Вт, и, как было упомянуто ранее, Cerebras CS-1 потребляет невероятные 15 кВт.
Обычно гораздо эффективнее получается передавать энергию при высоком напряжении и низком токе. Чем выше напряжение, тем меньше ток и тем меньше требуется проводов, что уменьшает стоимость системы. Кроме того, потери на сопротивление пропорциональны квадрату тока, поэтому увеличение напряжения и уменьшение тока понижает потери на сопротивление и увеличивает эффективность энергетической системы. Поэтому обычно линии электропередач работают с напряжением выше 110 кВ – и те же самые базовые принципы применимы и для сервера или дата-центра. Хотя некоторые сервера используют традиционные 12 В, некоторые из новых перешли на 48 В для эффективности – в особенности ускорители, потребляющие более 350 Вт.
Если свести всё это вместе, то теоретической целью обеспечения питания будет передача энергии по системе с максимально возможным напряжением, а потом преобразование в очень низкое и стабильное напряжение, для эффективных и стабильных вычислений.
Анатомия сети передачи питания
Как показано на рис. 1, проблема обеспечения питания затрагивает всю систему, начинаясь с основного источника питания и продолжаясь до электрораспределительной сети в процессоре, доходя в итоге до транзисторов, выполняющих вычисления на кристалле. У настольных компьютеров БП преобразует 110 В или 220 В в 12 В постоянного тока, распространяемого по всей материнской плате, к процессору и другим компонентам. У ноутбуков или смартфонов всё немного не так – типичные литий-ионные батареи выдают постоянное напряжение в 3,7 В, поэтому преобразования переменного напряжения в постоянное не происходит, а понижение напряжения требуется не такое сильное.
Рис. 1: Обеспечение питания в современных системах. Слева — Intel FIVR, справа – традиционный VRM
У стандартных процессоров, например, от AMD, модуль регулятора напряжения (voltage regulation module, VRM) понижает напряжение примерно до 1 В. Обычно VRM располагаются недалеко от процессора, так, чтобы большую часть расстояния проходили сигналы на 12 В. 1 В передаётся на небольшое расстояние по материнской плате, через плату процессора, и внутрь самого процессора по его контактам. В процессоре есть своя электрораспределительная сеть, расходящаяся от контактов и использующая различные промежуточные металлические слои для доставки энергии к транзисторам. VRM работают на довольно низкой частоте в 1 МГц, то есть, могут подстраивать выходящее напряжение только раз в микросекунду.
Многие системы на базе Intel работают по той же схеме, однако используют дополнительный шаг в обеспечении питания. FIVR (fully-integrated voltage regulator – полностью интегрированный модуль регулятора напряжения) интегрирован в сам кристалл процессора и распределяет энергию по десяткам шин питания в его различные блоки (ядра CPU, кэши L2, блоки GPU и т.п.). FIVR используется в большинстве серверных процессоров, начиная с поколения Haswell. Также он используется в клиентских процессорах Haswell и Broadwell, а теперь и в клиентах Ice Lake и Tiger Lake. Отметим, что семейство клиентов Skylake (Coffee Lake, Comet Lake, и т.д.) FIVR не используют. В этих системах VRM на материнской плате преобразуют 12 В (или 48 В) в 1,8 В, и передают энергию от VRM, через всю материнскую плату, плату процессора и его контакты в FIVR. FIVR отвечает за последний шаг в преобразовании энергии, и понижает напряжение с 1,8 В до 1 В, в зависимости от нужд конкретной шины питания.
Одно из преимуществ FIVR состоит в том, что напряжение, поданное с VRM материнской платы на процессор получается в два раза выше, чем у обычных систем. Использование более высокого напряжения уменьшает требуемую силу тока примерно в 2 раза, уменьшает количество контактов питания и повышает эффективность. Минус в том, что преобразование напряжения никогда не бывает на 100% эффективным, и FIVR теряют часть энергии. Взаимоотношение между выигрышем в эффективности и потерей при преобразовании сильно зависит от конкретной ситуации. В целом для процессоров с высоким энергопотреблением система с FIVR обычно выигрывает. Кроме того, FIVR потрясающе быстро работает – её тактовая частота составляет 140 МГц, на два порядка больше, чем у VRM на материнке.
Необходимость быстрой реакции в изменчивых условиях
Скорость FIVR подводит нас к одной из крупнейших проблем обеспечения питания современных процессоров. Концентрация на постоянном питании и температурных характеристик (TDP) преуменьшает значимость проблемы. Современные процессы чрезвычайно динамичны, а их поведение меняется на основе нагрузки. Транзистору при переключении требуется относительно небольшой ток. Однако если множество транзисторов переключаются одновременно, то общее потребление может достичь значительных величин и создать шум на питании чипа. У таких высокоскоростных чипов, как CPU или GPU, количество переключающихся транзисторов может значительно меняться от цикла к циклу. К примеру, когда ядро CPU начинает выполнять команды умножения с накоплением AVX512, энергопотребление становится гораздо больше, чем в случае выполнения целочисленной арифметики. Сходным образом системы динамического изменения напряжения и частоты (DVFS) меняют частоту и напряжение процессора на лету в ответ на изменения загрузки или рабочих условий. Эти внезапные всплески в энергопотреблении могут привести к временным проседаниям напряжения.
Эту проблему могут проиллюстрировать два примера. Большинство дата-центров оптимизируют под эффективность и высокую утилизацию – то есть, 40-60% утилизации CPU, а в пиках и того больше. Если мы вернёмся к TPD 205 Вт у Intel Xeon по спецификации, то этот процессор в моменты максимальной загрузки потребляет ток в 273,75 A по основным шинам питания, и невероятные 413 Вт.
Клиентские процессоры, особенно у ноутбуков и смартфонов, ведут себя совсем не так, и представляют ещё более интересную проблему. Они обычно оптимизированы под очень неровную работу и должны выдавать максимальную мощность на кратких промежутках времени (к примеру, при загрузке веб-страницы), и потреблять очень мало во время простоя (к примеру, ожидая пользовательского ввода). Ноутбук, работающий с 40-60% утилизацией CPU, нереально быстро просаживал бы батарею. Клиентский процессор порядка 90% времени проводит в режиме ожидания. В итоге у клиентских процессоров получается ещё большая разница между TPD, максимальной мощностью и потреблением тока. Последние процессоры Ice Lake серий U и Y имеют TPD в 15 Вт и 9 Вт соответственно. Для увеличения быстродействия вендоры могут устанавливать TPD выше, вплоть до 25 Вт и 12 Вт соответственно. Однако максимальное энергопотребление для CPU и GPU значительно выше – до 70 А и 49 А соответственно, и это не считая питание контроллера памяти и всей периферии ядра.
Основная проблема тут в том, что регуляторы напряжения, будь то VRM на материнской плате или FIVR от Intel, реагируют гораздо медленнее, чем могут появляться кратковременные всплески, вызванные переключениями транзисторов. FIVR у Haswell может повысить напряжение на шине питания от 0 до 0,8 В за 0,32 мкс. Однако для современных процессоров на 3 ГГц это выльется в порядка 1000 тактов. Обычные, менее быстрые VRM могут увеличивать напряжение на 10-23 мВ за мкс, и на аналогичное повышение от 0 до 0,8 у них уйдёт в 100 раз больше времени, или порядка 100 000 тактов. Без очень эффективной схемы эти временные пики могут вызвать проседания напряжения – по смыслу это похоже на то, как в старых домах тускнеет свет лампочек, когда хозяева включают микроволновку или фен. Исключение составляют клиентские процессоры Skylake и процессоры от AMD, использующие регуляторы с небольшим падением напряжения (LDO), которые также работают очень быстро. Однако LDO работают как переменное сопротивление, и умеют только уменьшать напряжение, идущее на шину питания. Поскольку LDO работают через сопротивление, для больших изменений напряжения (более 10%) они становятся неэффективными.
Как уже упоминалось, если процессор работает на частоте 3 ГГц, а напряжение внезапно падает, то транзисторы могут уже не работать корректно – поэтому либо нужно держать постоянное напряжение, либо ронять частоту. На практике же большинство компаний используют комбинацию из разных мер. К примеру, AMD разработала технологию адаптивного изменения частоты, уменьшающую её во время проседаний напряжения.
Плавная подача питания развязывающими конденсаторами
Чтобы устранить несоответствие между почти мгновенными всплесками потребления и задержкой на регуляторах напряжения, современные системы полагаются на развязывающие, или обходные конденсаторы. Эти конденсаторы хранят энергию и могут быстро высвобождать её, чтобы гарантировать постоянное напряжение в моменты, когда регуляторы только начинают реагировать. Вернёмся к рис. 1: системы включают в себя развязывающие конденсаторы на каждом шаге работы сети подачи питания. На МА конденсаторы встречаются во многих местах, но особенно много их вокруг гнезда процессора – см. рис. 2. В платы процессоров также встраивают развязывающие конденсаторы, обычно по краям и снизу. Наконец, на кристаллах процессора тоже располагают конденсаторы; они ближе всего расположены к активным схемам и дают скорейший отклик на временные всплески энергопотребления.
Рис. 2: развязывающие конденсаторы вокруг гнезда процессора
На кристаллах располагаются совершенно разные конденсаторы. Простейший их тип – обычный транзистор, который иногда называют МОП-конденсатором. Такие конденсаторы можно легко вставлять в стандартные ячейки на небольшом расстоянии от важных участков, где ожидается сильный шум переключения. Поскольку они располагаются близко к активным участкам, они легко могут поглощать шум и быстро подавать дополнительный ток.
Кроме того, на чипах, разработанных при помощи различных средств автоматизации, встречаются «пробелы» – участки, оставшиеся пустыми из-за несовершенства инструментов и ограничений по расположению блоков разной формы в непосредственной близости друг от друга. Распространённой практикой является заполнение этих пробелов конденсаторами – по сути, это «бесплатно». И хотя МОП-конденсаторы можно сделать в любом техпроцессе и легко разместить на кристалле, они не являются идеальными конденсаторами. Как и другие транзисторы, они дают утечку, а также их бывает сложно втиснуть в забитые компонентами участки чипа. Ещё один вариант – изменить техпроцесс и создавать более специализированные структуры, такие, как металл-диэлектрик-металл (MIM) конденсаторы, металл-оксид-металл (MOM) конденсаторы, или траншейные конденсаторы [deep trench capacitors].
Рис. 3: MIM- конденсаторы от Intel на 22 нм для eDRAM
Как следует из названия, MIM- конденсаторы формируется из двух параллельных металлических слоёв с high-k диэлектриком между ними. В процессе на 22 нм от Intel используются два разных вида MIM-конденсаторов. Как видно на рис. 3, первый тип MIM-конденсаторов используется для одноразрядных ячеек в eDRAM и формируется в нижних металлических слоях M2-M4. Второй представлен в процессе 22FFL и использует толстые верхние слои в 4 мкм в качестве параллельных металлических слоёв. Intel тут не делает ничего уникального – другие производители тоже используют MIM-конденсаторы. К примеру, AMD использовала MIM-конденсаторы верхнего уровня в процессоре Zen CCX для развязки и уменьшения провалов напряжения. MIM-конденсаторы обычно работают лучше, чем МОП-конденсаторы, однако располагаются они чуть дальше, поскольку нхаодятся в верхних металлических слоях, а необходимость предпринимать дополнительные шаги на производстве немного увеличивает стоимость. MOM-конденсаторы используют сходную идею параллельных металлических линий, только поворачивают их на 90°. Металлические линии формируются горизонтально в двух соседних вертикальных металлических слоях (к примеру, M3 и M4), а межслойный оксид-диэлектрик играет роль изолятора.
Ещё одним вариантом будут траншейные конденсаторы, однако они редко встречаются в производстве, поскольку травление траншей с высоким разрешением значительно повышает стоимость процесса. Их использовали уже несколько поколений технологий изготовления процессоров, начиная с техпроцесса SOI на 32 нм от IBM и далее, с SOI на 14 нм. Траншейные конденсаторы от IBM используются для развязки в больших массивах eDRAM, реализующих кэши L2, L3 и L4 в процессорах POWER и zArch. В качестве примера IBM заявляет, что смогла убрать все конденсаторы с платы процессора z12, сделанного для мейнфрейма по техпроцессу 32 нм, и заменить их траншейными конденсаторами. После этого на IEDM 2019 TSMC рассказала о процессе формирования траншейных конденсаторов на кремниевой вставке. Хитроумный и элегантный подход – хотя такие конденсаторы располагаются уже не так близко к активной логике, как те, что находятся на самом кристалле, поэтому неспособны полностью заменить развязывающие конденсаторы.
Обеспечение системы питанием находит компромисс между быстродействием, эффективностью и стоимостью
При обеспечивании питанием высокоскоростных процессоров приходится обходить несметное количество проблем. В идеале, сеть доставки питания должна работать при высоком напряжении для эффективности передачи энергии, но в итоге выдавать низкое и стабильное напряжение для КМОП-логики, на которой реализован процессор. Преобразование питания, из переменного в постоянный ток, и из высокого в низкое напряжение должно быть максимально эффективным.
В то же время, ток, требуемый для работы процессора, постоянно меняется, реагируя на изменяющиеся условия работы – такие, как смесь инструкций или динамическое изменение напряжения. Для сглаживания этих почти мгновенных изменений и уменьшения шума в современных схемах почти на каждом уровне доставки питания, от материнской платы до кристалла процессора, используются развязывающие конденсаторы. Чем быстрее и отзывчивее сеть, тем меньше развязывающих конденсаторов ей требуется. Если взять сам процессор, то для него доступно несколько вариантов размещения конденсаторов на кристалле. Проще всего использовать обычные транзисторы, поскольку их легко разместить в рамках любого техпроцесса, однако они работают не очень эффективно. Многие производители предлагают конденсаторы улучшенной эффективности, созданные при помощи особых технологий или схем разработки — такие, как MIM-конденсаторы, и более редкие ТК, на кремнии или вставке.
Все эти переменные связаны между собой – техпроцесс, развязывающие конденсаторы, динамическое изменение напряжения и частоты, регуляторы напряжения – и разработчики процессоров обязаны учитывать их все, чтобы получать максимально возможные быстродействие, эффективность по минимальной цене.
Инструкция по блокам питания
Что такое - Блок Питания.
Блок питания (англ. power supply unit, PSU) — вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией постоянного тока, путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений. В некоторой степени блок питания также выполняет функции стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения и участвует в охлаждении компонентов персонального компьютера.
Из чего состоит блок питания.
- выпрямитель сетевой,
- генератор,
- трансформатор,
- выпрямитель низковольтный,
- стабилизатор.
Принцип работы блока питания.
- Сетевое напряжение сначала выпрямляется.
- Далее заряжает конденсаторы фильтра.
- Очищается от помех блоком PFC и преобразуется в синусоиду с частотой 50-150 килогерц.
- Далее напряжение понижается до 5 и 12 вольт.
Комфортные напряжения.
- Линия +3V - от 3,20 до 3,45 вольта,
- Линия +5V - от 4,85 до 5,30 вольта
- Линия +12V - от 11,80 до 12,5 вольта.
Power Factor Correction (PFC).
Современные блоки становятся все мощнее, а провода в розетках не меняются. Это приводит к возникновению импульсных помех – блок питания тоже не лампочка и потребляет, как и процессор, энергию импульсами. Чем сильнее и неравномернее нагрузка на блок, тем больше помех он выпустит в электросеть.
Для борьбы с этим явлением разработан PFC.
Это мощный дроссель, устанавливаемый после выпрямителя до фильтрующих конденсаторов.
Первое, что он делает, это ограничение тока заряда вышеупомянутых фильтров. При включении в сеть блока без PFC очень часто слышен характерный щелчок – потребляемый ток в первые миллисекунды может в несколько раз превышать паспортный и это приводит к искрению в выключателе. В процессе работы компьютера модуль PFC гасит такие же импульсы от заряда разнообразных конденсаторов внутри компьютера и раскрутки моторов винчестеров.
Встречаются два варианта исполнения модулей – пассивный и активный.
Второй отличается наличием управляющей схемы, связанной с вторичным (низковольтным) каскадом блока питания. Это позволяет быстрее реагировать на помехи и лучше их сглаживать.
Что и по каким линиям питает блок питания.
Блоки питания выдают три базовых напряжения: +3.3, +5 и +12 V.
+3.3 предназначена для питания выходных каскадов системной логики
+5 - питает логику почти всех PCI- и IDE-девайсов
+12 - является базовым напряжением для питания процессора и ядра видеокарты
VRM, блок регулировки напряжения.
Используется для регулировки напряжения, подаваемого для всех устройств материнской платы. Например, современные процессоры работают на меньшем напряжении, чем остальные компоненты системы. Не для кого не секрет, что новые вычислительные устройства, такие как различные чипы и процессоры, у которых малый размер транзистора, потребляют меньшее питания.
Центральный же процессор работает лучше на высоком напряжении, но хуже при высокой температуре. Выделение тепла процессором - в квадратичной зависимости от уровня напряжения, подаваемого на процессор. Возникает дилемма: при увеличении напряжения процессор должен работать быстрее, но увеличивается его температура, что влечет за собой ухудшение его работы. Излишнее тепло от процессора отводится радиаторами и вентиляторами. Если вольтаж и температура процессора слишком высоки, он может перегреться и сгореть. Именно поэтому разъем для процессора на материнской плате располагают как можно ближе к блоку питания, в котором работает вентилятор на вытяжку. Горячий воздух от процессора (а теперь и с других горячих устройств, таких как видеокарты и некоторые жесткие диски) сразу же вытягивается из корпуса. Некоторые экстремальные оверклокеры настолько разгоняют систему, что появляется необходимость в установке дополнительного вентилятора-вытяжки, место для которого есть уже во всех корпусах.
Для наилучшего соотношения мощности, скорости и напряжения, компания Intel для своих новых процессоров разработала специальный тип регулятора напряжения, который на входе имеет напряжение от блока питания, а на выход подает стабильное напряжение необходимого значения на сам процессор. Кроме того, новый регулятор напряжения - программируемый, который использует 5 VID (voltage identification - определение напряжения) сигналы, с помощью которых регулируется подаваемое на него напряжение. VID контакты, как правило идут прям из процессора. Например, для выполнения особо сложной задачи процессору требуется большая вычислительная мощь. Тогда он посылает запрос на регулятор напряжение, который увеличивает напряжение на то значение, которое "прислал" процессор. Такие возможности очень понравятся оверклокерам, для которых некоторые производители материнских плат разрабатывают применение этой функции.
Читайте также: