Ścieżki mocy na płycie głównej PC

Osiąga się ją przez równomierne rozdzielenie miedzianych powierzchni pomiędzy płaszczyzny obsługujące nóżki V_CC i V_SS podstawki. Dobrze zaprojektowana płyta powinna mieć tyle samo warstw V_CC co V_SS, a w każdej warstwie powierzchnie miedzi połączonej z V_CC i V_SS powinny być jednakowe. Jednakże ze względu na montaż pozostałych komponentów płyty głównej w każdej warstwie powierzchnia miedzi połączonej z masą (V_SS) przeważa. Należy więc zwrócić uwagę, aby nie zachwiać zasady 50/50, bo mogłoby to zakłócić proporcje w przepływie prądu. Należy też zwrócić szczególną uwagę na zminimalizowanie liczby rozdzielanych powierzchni, otworów do mocowania komponentów, metalizowanych otworów przelotowych oraz łączników.

Minimalizacja indukcyjności

Przy wysokich częstotliwościach sposób ułożenia ścieżek przewodzących staje się krytyczny. Dlatego też każda para powierzchni V_CC/V_SS określa nie tylko wartość płynącego przez nie prądu, ale również wartość indukcyjności wnoszonej przez nią do obwodu zasilającego. Właściwe ułożenie warstw przewodzących może maksymalizować sąsiadujące powierzchnie oraz minimalizować ich odległości w celu osiągnięcia jak najmniejszej ich indukcyjności. Podobnie jak przy minimalizowaniu oporności trzeba zwrócić szczególną uwagę na zminimalizowanie liczby rozdzielanych powierzchni, otworów do mocowania komponentów, metalizowanych otworów przelotowych oraz łączników. Zminimalizowanie indukcyjności powoduje, że płyta główna nie będzie źródłem zakłóceń małej częstotliwości, które mogą uszkodzić CPU, nakładając się na napięcie zasilające.

Czterowarstwowa płyta główna

Na rysunku oraz w tabelce poniżej podane są przykładowe wymagania wymiarowe dotyczące czterowarstwowej płyty głównej, zaprojektowanej zgodnie z wytycznymi firmy Intel. Aby uniknąć nieporozumień, przypominam, że użyta w tabeli jednostka mils odpowiada wymiarowo 0,001 cala. Innymi słowy: 1 mils = 0,0254 mm lub 1 mm = 39,37 mils. Może wydawać się to dziwne, ale jednostkę stosuje się przy projektowaniu płytek z obwodami drukowanymi. Jeszcze dziwniej definiowana jest grubość przewodzącej warstwy miedzi. Określa się ją w uncjach (oz) na stopę kwadratową (ft)². Znając ciężar właściwy miedzi i wykonując kilka elementarnych działań arytmetycznych, bez problemu można ją obliczyć. Dla bardzo popularnego laminatu FR4, z parametrem 1 oz/ft², wynosi ona 0,035 mm. W tabeli poniżej podane są, właśnie w milsach, zalecane minimalne, typowe i maksymalne grubości poszczególnych warstw przewodzących płyty czterowarstwowej. Oto przeliczone na milimetry, typowe grubości warstw: L1=L4=0,048 mm oraz L2=L3=0,030 mm. Porównywanie płyt głównych różnych producentów pod kątem grubości poszczególnych warstw przewodzących nie ma sensu. Użytkownika interesują zupełnie inne parametry: niezawodność, wydajność, stabilność temperaturowa i wreszcie podatność na overclocking.

Jak widać, płyta składa się z czterech warstw miedzianych ścieżek (layer), rozdzielonych dielektrykiem. Zewnętrzne warstwy ścieżek dodatkowo pokryte są maską lutowniczą (solder mask). Środek wnętrza płyty (core) jest grubszy niż dwie pozostałe warstwy izolujące ścieżki przewodzące od siebie. Łączna grubość płyty wynosi 62 mils (+8, -5). Poprawnie zaprojektowana czterowarstwowa płyta główna powinna charakteryzować się licznymi ścieżkami V_CCiV_SS, wyraźnie oddzielonymi od innych. Usytuowanie powierzchni dostarczających moc do CPU powinno być starannie przemyślane, bo zmniejsza pasożytnicze oporności oraz indukcyjności. Na obrazkach poniżej pokazany jest przebieg ścieżek V_CCiV_SS w poszczególnych warstwach dla czterowarstwowej płyty głównej przewidzianej do obsługi CPU firmy Intel współpracujących z podstawką LGA 775.

Sześciowarstwowe płyty główne

Płyty sześciowarstwowe zapewniają inżynierom planującym rozmieszczenie na nich elementów większą elastyczność projektową w porównaniu ze standardowymi czterowarstwowymi. Należy jednak pamiętać, że zwiększanie powierzchni par ścieżek o tym samym potencjale nie jest korzystne przy wysokich częstotliwościach. Ponieważ jednak jest to nieuniknione, należy to robić jak najbliżej podstawki pod CPU, w miejscach gdzie istnieją piny V_CCi V_SS. Pary powierzchni oddzielane odsiebie przez rdzeń (core) PCB mają mniejszy wpływ na indukcyjność pasożytniczą. Jak już wspominałem, z powodu umieszczenia na płycie pozostałych komponentów, z których znaczna część wymaga podłączenia do masy (-V_SS), w poszczególnych warstwach występuje przewaga powierzchni połączonych z ujemnym biegunem zasilania. Dlatego też zazwyczaj w sześciowarstwowej płycie głównej występują cztery warstwy przeznaczone dla V_CC i dwie warstwy przeznaczone dla V_SS. Łącznie pozwala to zachować proporcję 50/50 w liczbie powierzchni miedzi podłączonych do V_CC i V_SS. Wymagana minimalna oporność dla prądu stałego (DC – Direct Current) obwodu dostarczającego moc do CPU zostanie bez problemu zachowana, ponieważ łączny przepływ prądu w powierzchniach połączonych z V_SS jest większy (wpływ poboru mocy przez pozostałe komponenty płyty głównej) niż w powierzchniach jedynie połączonych z V_CC (tylko CPU); przy wysokich częstotliwościach jest to postrzegane jako stosunek 4V_CC/V_SS par powierzchni dostarczających prąd, co redukuje indukcyjności pasożytnicze obwodu.

Rezonans

Źle zaprojektowana płyta główna może stać się źródłem pasożytniczych, niegasnących drgań małej częstotliwości. Zależy to od częstotliwości rezonansowej obwodów mocy zasilających CPU. O takiej ewentualności była mowa przy minimalizowaniu indukcyjności obwodu dostarczającego moc do CPU. Gdy pojawia się zjawisko rezonansu, mogą zostać na stałe przekroczone warunki dopuszczalnych spadków napięcia (V_droop) zasilającego CPU, opisane w stosownej normie. Przyczyną jest nakładanie się efektu spadku napięcia V_CC wywołanego oscylacjami na nominalną wartość V_droop. Trudność zapobiegania polega na tym, że wykrycie rezonansu pasożytniczego w płycie głównej metodą standardowej procedury testowej jest niemożliwe i wymaga przeprowadzenia specjalnych badań technicznych. Wykrycie niepożądanego zjawiska to jedno, a wprowadzenie zmian do planu połączeń całej płyty, eliminujących usterkę, to drugie – i jest to o wiele trudniejsze zadanie. Zanim do tego dochodzi, z reguły przeprowadzane są różne symulacje całego układu dostarczającego moc do CPU, z regulatorem VRD w roli głównej, w celu określenia jego impedancji w funkcji częstotliwości, co z reguły pozwala znaleźć rozwiązanie problemu przy założonym rozplanowaniu ścieżek przewodzących. Jednakże odpowiedzialny producent przed uruchomieniem seryjnej produkcji przeprowadza stosowne badanie prototypu, aby być pewnym jakości swojego produktu. Przynajmniej tak powinno być. W praktyce zapewne bywa różnie. Używając płyt głównych niektórych firm (nie wymienię których, bo nie chcę mieć procesu o szkalowanie dobrego imienia), częściej będziemy mieli do czynienia z zawieszeniami systemu, pojawianiem się ekranów BSOD i wreszcie z nieodwracalnymi uszkodzeniami plików danych. (Załóżmy, że reszta elementów składowych PC jest nienaganna pod względem wymaganych parametrów elektrycznych). Zjawiska te nie występują, jeżeli używamy płyt głównych, które przeszły stosowne badania przed ich wprowadzeniem do produkcji.

Podstawka

Jednym z najmniej docenianych elementów na płycie głównej jest podstawka pod CPU (socket). Bezpośrednie lutowanie CPU do płyty głównej, choć technicznie nie jest problemem, praktycznie nie jest stosowane. Procesory czasami się psują (zwłaszcza te poddane znacznemu overclockingowi) i w takim przypadku trzeba wyrzucić sprawną płytę główną razem z niesprawnym CPU. Nonsens ekonomiczny. Razem z CPU ewoluowały ich podstawki, co pokazują obrazki poniżej.

Tak jak każdy element działający w dowolnym obwodzie elektrycznym, tak i podstawkę charakteryzuje oporność jej styków oraz indukcyjność i pojemność własna. Z już podanych powodów wielkości te powinny być jak najmniejsze. Przedstawione poniżej rysunki nie pozostawiają wątpliwości:

Wyraźnie widać trend spadkowy na przestrzeni ostatnich 10 lat oraz różnicę pomiędzy dwoma ostatnimi rozwiązaniami podstawek platform PGA i LGA. Oczywiście zostało to spowodowane zmianami wprowadzonymi do projektu podstawki, co pokazuje poniższy rysunek:

Niestety, widać też (odwrotnie wykładniczy charakter krzywej), że dużo bardziej wspomnianych czynników nie da się już obniżyć, ponieważ styki podstawki muszą jednak mieć jakąś skończoną oporność, indukcyjność i pojemność. Wprawdzie przez umiejętne dobranie kondensatorów (capacitor) odsprzęgających (rysunek poniżej), wmontowanych w podstawkę lub CPU, można skutecznie zmniejszyć niepożądane indukcyjności, ale oporności styków tym sposobem zmniejszyć się nie da. Praktycznie biorąc, została osiągnięta granica technologiczna.

Aby sobie to uświadomić, popatrzcie na rysunek poniżej, przedstawiający przekrój przez podstawkę oraz obraz termowizyjny jej styków w czasie, gdy przepływa przez nie prąd:

Płynący przez styki podstawki prąd powoduje wydzielanie się ciepła Joule'a – im kolor jaśniejszy, tym element gorętszy. Temperatury sięgają tu czasami nawet 100°C, co stawia spore wymagania co do materiałów, z których wykonana jest podstawka i jej styki.

Połączenia wewnątrz płyty

Jednakże bez wątpienia najbardziej interesujący jest sposób, w jaki prąd wędruje przez warstwy przewodzące, tworząc równolegle połączone linie zasilające, zanim dotrze do styków V_CC i V_SS podstawki, wlutowanych w płytę główną, i przez nie do CPU. Wyjaśniają to poniższe rysunki.

Najczęściej stosowanymi sposobami łączenia ze sobą poszczególnych warstw przewodzących jest użycie łączników, tzw. micro-via, buried-via (tzw. typ II) oraz PTH (Plated Through Hole – przelotowe otwory metalizowane). Precyzja wykonania tych połączeń musi być naprawdę znacznie większa od przysłowiowej zegarmistrzowskiej. Jednocześnie należy pamiętać, że im mniej jest takich połączeń, tym lepiej, i to z dwóch powodów: rośnie niezawodność i maleje indukcyjność. Najmniejsza możliwa ich liczba zależy od maksymalnego prądu, jaki musi zostać dostarczony do CPU, oraz rozplanowania pozostałych komponentów na płycie głównej. Optymalizacja zawsze jest rezultatem jakiegoś kompromisu, a uwzględnić trzeba wiele czynników. Wszystko to powoduje, że na światowym rynku producentów płyt głównych PC liczy się zaledwie kilka firm, chociaż wytwarzane są one także przez wiele innych, mniej znanych. Na renomę (i cenę sprzedaży) trzeba sobie zapracować jakością i niezawodnością utrzymywaną przez lata na wysokim poziomie. Wpadki zdarzały się nawet najlepszym, że wspomnę płyty KT7 i KT7A produkcji Abita: ich niektóre partie sprawiały sporo kłopotów użytkownikom. Swoją drogą, nie wyobrażam sobie projektowania płyty głównej bez udziału komputera i specjalistycznego oprogramowania. Najlepsi producenci płyt zapewne strzegą go jak oka w głowie. Przecież różnice w wydajności płyt głównych różnych producentów, chociaż obsadzonych identycznymi podzespołami, nie biorą się z powietrza. Skwituję to znanym powiedzeniem: gdy dwóch robi to samo, to nigdy nie jest to samo.

Zakończenie

Uważny Czytelnik zapewne zauważył, że artykuł napisany jest dość specyficznym językiem – w trybie życzeniowym. Najczęściej powtarzające się zwroty to: należy, powinno, trzeba, prawidłowo, dobrze, źle, niezawodnie itp., itd. Wytłumaczenie jest proste i wspomniałem o nim we wstępie do artykułu. Firma Intel nikomu nie narzuca, JAK ma zrobić płytę główną. Podaje jedynie, jakie parametry elektryczne powinien mieć gotowy wyrób. Podobnie jest z regulatorem napięcia VRD: zrób go, jak chcesz, byle miał wymagane parametry. A wszelkie kwestie wymiarowe reguluje standard ATX, łącznie z wszystkimi jego wariantami. Jednakże trzeba zaznaczyć, że aby uzyskać prawo do umieszczenia na pudełku nalepki stwierdzającej, że płyta obsługuje procesory Intela, producent musi udowodnić, że wdrożył pewne procedury podczas produkcji. To powinno, przynajmniej teoretycznie, gwarantować pewien poziom jakości wyrobu.

Nie jestem tego pewny, ale nie wykluczam też możliwości, że Intel żąda partii próbnej wyrobu i dopiero po jej przebadaniu daje swój placet. Trudno się dziwić – przecież odium wadliwie działającej płyty zawsze w jakiś sposób spada również na producenta CPU. W stosowanej przez Intela zasadzie: rób, jak uważasz, byle było zgodnie z intelowskimi normami, jest olbrzymie pole manewru dla producenta płyty głównej. Poczynając od materiału izolującego od siebie warstwy przewodzące i użytego do ich wykonania gatunku miedzi, poprzez wszelkie podzespoły bierne i aktywne, aż po projekt i wykonanie samej płyty głównej – producent ma mnóstwo wariantów do wyboru: od marketingowych poprzez cenowe aż do technicznych.

Wydawać by się mogło, że kolor PCB to najmniej ważna sprawa, a o wiele istotniejsza jest jakość materiału, z którego jest ona wykonana. Nieprawda! Jest zupełnie inaczej. Niektóre firmy produkują płyty główne w charakterystycznym i rozpoznawalnym kolorze, który kojarzy się z określonym producentem. Dla podkreślenia nadzwyczajnych udogodnień wprowadzonych na płycie często nadaje się jej nietypowy kolor, np. biały lub czarny. Każdy wybór dotyczący komponentów i wyglądu niesie konsekwencje w trzech płaszczyznach: marketingu, ceny i jakości. Znalezienie optymalnego wariantu nie jest ani łatwe, ani tak oczywiste, jak mogłoby się wydawać. Na niektórych podzespołach można zaoszczędzić, na innych – raczej nie warto. Niech przykładem będą słynne kondensatory filtrująco-odsprzęgające. Poliestrowe są drogie, ale mają parametry stabilne przez wiele lat. Komu na płytę wylał się taki uszkodzony, zwykły kondensator elektrolityczny i narobił tyle szkód, ile warta byłaby nowa płyta główna z lepszymi kondensatorami, ten wie, o czym piszę. O różnych mitach dotyczących jakości zasilania płyty głównej była już mowa w poprzednim artykule. Prawdę powiedziawszy, wahałem się, czy włączyć do treści artykułu opis metodologii przeprowadzania wspomnianych wcześniej symulacji parametrów elektrycznych płyty. Doszedłem jednak do wniosku, że dla znakomitej większości P.T. Czytelników byłaby to niemal zupełnie nieużyteczna wiedza akademicka. Dla pałających mimo wszystko chęcią jej zgłębienia mam informację, że znajdą ją tutaj, na stronie 71.

Jaką więc płytę główną kupić? To zależy, jaki użytek mamy zamiar zrobić z naszej maszyny. Jeżeli ma służyć do zabawy w overclocking, zwłaszcza ekstremalny, to nie pozostaje nic innego, jak sięgnąć po towar z najwyższej półki. Jeżeli ma służyć do zabawy, surfowania po internecie i jako maszyna do pisania, to taka płyta nie jest nam potrzebna, gdyż nie wykorzystamy jej możliwości. Za mniejsze pieniądze kupimy do tego celu równie dobrą i wydajną płytę, tylko z mniejszą liczbą dostępnych regulacji. Jednak w obu przypadkach polecam kierowanie się starą, dobrą zasadą: biednego nie stać na tanie zakupy!