Lecția 1.6 — Serie vs Paralel

Până acum am analizat componente izolate și circuite simple. Dar în realitatea unui PCB de consolă, componentele sunt conectate în combinații complexe de serie și paralel — iar modul în care le combini schimbă complet comportamentul electric al circuitului. Un VRM folosește ambele configurații simultan: MOSFET-uri în serie cu inductori, condensatoare în paralel pentru filtrare.

Această lecție pune față în față cele două tipuri fundamentale de conexiuni: serie (componente pe aceeași cale, curentul trece prin toate) și paralel (componente pe căi separate, tensiunea este aceeași). Vom analiza cum se comportă rezistența totală, curentul și tensiunea în fiecare configurație, și cum aceste diferențe afectează direct proiectarea circuitelor din consolele moderne.

Scopul nu este lista de diferențe serie vs. paralel, ci înțelegerea de ce condensatoarele de decuplare sunt în paralel (pentru redundanță), de ce rezistoarele de feedback sunt în serie (pentru precizie) și de ce schemele electrice ale consolelor nu se pot citi fără stăpânirea ambelor configurații.

2.1 — Circuite în Serie

Circuit în serie: Rezistence (sau orice componente) conectate una după alta.

• Curentul: Același prin toate componentele
• Tensiune: Se împarte între componente
• Rezistență totală: R_total = R1 + R2 + R3 + ...

V = V1 + V2 + V3 (Kirchhoff Voltage Law)

Exemplu: Trei rezistoare de 10Ω, 20Ω, 30Ω în serie.

• R_total = 10 + 20 + 30 = 60Ω
• Dacă V = 12V, atunci I = V / R = 12 / 60 = 0.2A (același peste tot)
• V1 = 0.2 × 10 = 2V
• V2 = 0.2 × 20 = 4V
• V3 = 0.2 × 30 = 6V
• Total: 2 + 4 + 6 = 12V ✓

Avantaj serie: Control curent ușor, protecție cu o singură sigură.
Dezavantaj: Dacă break-ează o componentă (circuit deschis), totul se oprește.

2.2 — Circuite în Paralel

Circuit în paralel: Rezistoare conectate cu doi terminali comuni.

• Curentul: Se împarte între componente (proporțional invers cu rezistență)
• Tensiune: Aceeași peste toate componentele
• Rezistență totală: Folosim formula: 1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...

I = I1 + I2 + I3 (Kirchhoff Current Law)

Exemplu: Trei rezistoare de 10Ω, 20Ω, 30Ω în paralel.

• 1/R_total = 1/10 + 1/20 + 1/30 = 0.1 + 0.05 + 0.0333 = 0.1833
• R_total = 1 / 0.1833 = 5.45Ω
• Dacă V = 12V (aceeași peste toate), atunci:
• I1 = 12 / 10 = 1.2A
• I2 = 12 / 20 = 0.6A
• I3 = 12 / 30 = 0.4A
• I_total = 1.2 + 0.6 + 0.4 = 2.2A ✓

Observație: Rezistența cu valoare mai mică "cântărește" mai mult (I1 = 1.2A, cel mai mare).
Avantaj paralel: Dacă break-ează o componentă, altele continuă (redundanță).
Dezavantaj: Curentul total crește, deci e mai greu de protejat.

2.3 — Circuite Mixte (Serie-Paralel)

Majoritatea circuitelor reale sunt mixte: unele porți serie, unele paralel.

Exemplu PS5:

• Linia de 1.05V (CPU core) are 2-3 modul VRM în paralel (redundanță, curent mai mic pe fiecare)
• Fiecare modul are bobine și condensatori în serie și paralel
• Condensatorii de decuplare sunt în paralel pentru a reduce ripple

Regula de rezolvare:

1. Identifică grupuri serie și paralel pe schemă
2. Calculează R pentru fiecare grup
3. Înlocuiți grupul cu R echivalentul
4. Repetă până când rămâne o singură R

2.4 — Puterea în Circuite Serie și Paralel

Puterea totală se distribuie diferit:

• Serie: P_total = P1 + P2 + P3. Fiecare componentă disipă căldură proporțional cu rezistența și curent.
• Paralel: P_total = P1 + P2 + P3. Tensiune aceeași, dar curenți diferiți.

Exemplu: Trei rezistoare de 10Ω în paralel la 12V.

• I fiecare = 12 / 10 = 1.2A
• P fiecare = 1.2² × 10 = 14.4W
• P_total = 14.4 + 14.4 + 14.4 = 43.2W (mult comparativ cu seria)

Paralel disipar mai multă putere decât seria cu aceleași rezistoare. De aceea paraleleismul e folosit când vrem să distribuim curent (și căldură) pe mai mulți "braț".

2.5 — Aplicatul în Protecții si Redundantă

Serie: O sigură (fuse) în serie protejează întreg circuitul. Dacă curent prea mare, sigura se arde, circuit se deschide. Simplu, dar risc — dacă sigura defectuoasă, nimic nu funcționează.

Paralel: Dacă o componentă defectuoasă (scurtcircuit), altele în paralel continuă. Dar curentul crește (suma curenților), deci OCP se declanșează igual. Redundanță până la punct.

Exemplu VRM PS5:

• 5 modul VRM pe linia de 1.05V în paralel
• Fiecare poate furniza ~20A
• Total: 100A (suficient pentru CPU)
• Dacă 1 modul moare (scurtcircuit intern), alte 4 continuă, I_total = 80A (suficient)
• Dacă 2 mort, I_total = 60A (CPU throttle, dar nu se oprește)

Fizica: Serie vs paralel sunt moduri diferite de conectare componentelor cu efecte directe pe curent, tensiune, rezistență, putere.

Informatică: Logica digitală și memoria sunt conectate cu protecții în serie, alimentare în paralel. CPU are miliarde de tranzistori în paralel la aceeași linie de 1.05V. Dacă rezistență distribuției cade (VRM bun), CPU e stabil. Dacă VRM defect (R crește din cauza condensatori defecți), tensiunea CPU scade, logica se rupe.

Firmware-ul poate detecta neuniformitated în curenți (unii VRM-uri au mai mult I decât altele), dar nu poate corecta fizic problema.

Exemplu 1: Condensatori Decuplare în Paralel

Pe placa PS5, sunt > 1000 condensatori de 10µF, 100nF conectați în paralel la CPU, GPU, RAM.

De ce paralel? Pentru a reduce rezistența ESR (Equivalent Series Resistance). Dacă R_total = 10mΩ cu 1000 condensatori vs 10Ω cu 1 condensator, reducere uriașă. Asta permite curenți mari fără cădere de tensiune.

Exemplu 2: VRM-uri în Paralel pe Linia de CPU

PS5 linia CPU te nevoie de 90A. Dacă folosi un singur VRM, ar trebui să furnizeze singur toți 90A. E dificil.

Soluție: 5 VRM în paralel, fiecare cu 20A. Curent distribuit, deformații mici, nici un punct de eșec unic (mostly).

Exemplu 3: Sigure în Serie cu PSU

Cablul PSU are o sigură (fuse) în serie. Dacă curentul depășiți (scurtcircuit bruscă), sigura se arde, circuit se deschide, consola se oprește. Protecție clasică.

Scenar simplificat: Linia CPU 1.05V cu 4 modul VRM în paralel, fiecare cu bobina 0.1µH serie și condensator 100µF paralel.

Calculare rezistență:

• Rezistență bobina/PCB per VRM: 1mΩ (estimare)
• 4 VRM în paralel: R_eq = 1mΩ / 4 = 0.25mΩ
• Condensator ESR (per 100µF): ~5mΩ
• 4 Condensatori în paralel: R_eq = 5mΩ / 4 = 1.25mΩ
• Total circuit: 0.25 + 1.25 = 1.5mΩ

Cădere de tensiune cu 90A:

V_drop = I × R = 90A × 1.5mΩ = 0.135V

CPU primește: 1.05 - 0.135 = 0.915V (prea mic!)

Problemă: Estimării me e prea pesimistă. De fapt, PS5-ul are ~30mΩ per VRM-ul bun și PCB optimizat. Cu valori adevărate: 7.5mΩ / 4 = ~2mΩ total.

V_drop = 90 × 2mΩ = 0.18V

CPU primește: 1.05 - 0.18 = 0.87V — jup, prea mic încă!

Adevărul: VRM-urile modern au eficientă mai bună, și are mai mult feedback (VRM-ul măsoară V la CPU și ajustează). De fapt, V cade doar ~0.05V.

⚠️ Condensator defect în paralel

Cauza: Unu din scrisoare condensatori defect, capacitate cade. ESR crește. Cu 999 de condensatori în loc de 1000, ripple crește puțin. Dacă mai mulți defecți, ripple devine vizibil, consola instabilă.

⚠️ VRM defect cauzeaza imbalance curent

Cauza: Unu din VRM defect (bobina fisurată, MOSFET mort), curentul se concentrează pe altele. VRM sănătos se pun în overload, se încălzesc, rezistență crește din cauza temperaturii.

⚠️ Sigură arsă se face intr-o funcție}

Cauza: Scurtcircuit în circuit (posibil din apă, impact care crease defect, etc.). Sigura se arde. Protecția lucreaza. Soluție: găsește scurtcircuitul și repara.

• Serie: Componente în linie, curent aceeași, tensiune se împarte: R_total = R1 + R2 + ...
• Paralel: Componente cu doi terminali comuni, curent se împarte, tensiune aceeași: 1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + ...
• Rezistență paralel: Întotdeauna mai mică decât cea mai mică componentă únică
• Serie: protecție ușoară (o sigură), risc unic punct de eșec
• Paralel: redundanță, dar curent total crește
• Putere: P = V × I, distribuie diferit în serie/paralel
• PS5 folosește mix: VRM în paralel, componente pe schemă în seria-paralel
• Condensatori în paralel reduc ESR, permit curenți mari
• Defect într-o componentă paralel = incărcare crește pe altele

Întrebarea 1

În circuit în serie, cum se comportă curentul?

• a) Se împarte între componente
• b) Rămâne aceeași prin toate componentele
• c) Crește pe măsură ce treacă componentele
• d) E zero dacă alta componentă defectă

Întrebarea 2

Cum se calculează rezistență totală în serie?

• a) R_total = 1/R1 + 1/R2
• b) R_total = R1 × R2
• c) R_total = R1 + R2 + R3 + ...
• d) R_total = R1 - R2

Întrebarea 3

În circuit paralel, cum se comportă tensiunea?

• a) Se împarte între componente
• b) Aceeași pe toate componentele
• c) Crește pe măsură ce treacă componentele
• d) E zero dacă o componentă defectă

Întrebarea 4

Doi rezistoare de 10Ω și 20Ω în paralel. Ce-i rezistență totală?

• a) 30Ω
• b) 200Ω
• c) 6.67Ω
• d) 15Ω

Întrebarea 5

De ce PS5 folosește multiple VRM-uri în paralel?

• a) Pentru a crește tensiunea
• b) Pentru a reduce rezistență și distribui curent pe mai mulți "braț"
• c) Pentru a consuma mai multă putere
• d) E o convențe, nu-i funcțional

🧠 Exercițiu: Proiectare Linie Alimentare Multi-VRM

Scenariu: Trebuie să proiectezi linia de 1.05V pentru CPU care consuma 90A. Ai alegerea între 3, 4, sau 5 VRM-uri identice.

Date:

• Fiecare VRM individual poate furniza 25A maxim înainte de throttling
• Rezistență internă per VRM: 2mΩ (calculată de la MOSFETs, bobine, PCB)
• Cădere de tensiune maximă acceptabilă: 50mV (4.76%)
• Curent necesar: 90A

Sarcini:

• 1. Poți folosi 3 VRM? Calculează curent pe fiecare și caz worst-case
• 2. Cu 4 VRM: calculează curent distribuit și cădere de tensiune
• 3. Cu 5 VRM: același calcul
• 4. Care e configurația ideală și de ce?
• 5. Dacă unu din VRM moare (scurtcircuit), ce se întâmplă cu configurația 4VRM?