Jenseits der Taktfrequenz: Spannungsversorgung bei modernen CPUs

2. Abwärtswandler
Abbildung 1 zeigt die grundsätzliche Topologie eines Abwärtswandlers. Die Eingangsspannung Vin (in der Regel +5V oder +12V) wird mit circa 100 bis 600 KHz hochfrequent zerhackt und zu einer niedrigeren Ausgangsspannung Vout transformiert. Wegen des besseren Wirkungsgrades kommt eine sogenannte Synchrongleichrichtung zum Einsatz. Dabei wird die klassische Abwärtswandlertopologie durch einen Schalttransistor Q2 parallel zu der Diode D1 erweitert.

Beim Aufbau des Abwärtswandlers kommen verschiedene Schlüsselelemente zum tragen, wobei erhebliche Philosophieunterschiede bei den Motherboardherstellern in ihrer Dimensionierung bestehen.

Abbildung 1: Abwärtswandler (Foto: Fujitsu-Siemens)

2.1 Der Eingangskondensator C1
In der Regel besteht der Eingangskondensator C1 aus mehreren Einzelkondensatoren gleichen Typs und wird als Eingangskondensatorbank C1 bezeichnet. Während der Schaltvorgänge der Transistoren herrschen im Eingangskondensator Bedingungen wie sie in Abbildung 2 beschrieben sind. Aus der Kurvenform und der Höhe des Ausgangsstroms läßt sich dann die Belastung des Kondensators ermitteln. Diese Eingangskondensatorbank wird von vielen Motherboardherstellern oft unzureichend ausgelegt. Es werden zu wenig Kondensatoren oder Kondensatoren mit schlechten elektrischen Eigenschaften (85°C anstatt 105°C, ESR hoch, maximal erlaubter Rippelstrom zu niedrig) verwendet.

Abbildung 2: Prinzipieller Stromverlauf im Eingangskondensator C1 (Foto: Fujitsu-Siemens)

I_C1rms = Iout*SQR(vt*(1-vt))
vt = ton/toff = Vout/Vin

I_C1rms:Effektiv Ripplestrom des Eingangselkos C1
Iout:Ausgangsstrom
vt:Tastverhältnis des Wandlers
Vin:Eingangsspannung
Vout:Ausgangsspannung