Устройство компьютерных блоков питания и методика их тестирования. Принцип работы PFC(Power Factor Correction)

Выбрать блок питания для компьютера не так просто, как может казаться. От выбора блока питания будет зависеть стабильность и срок службы компонентов компьютера, поэтому стоит подойти к этому вопросу более серьезно. В данной статье я попытаюсь перечислить основные моменты, которые помогут определиться в выборе надежного блока питания.

Мощность.
На выходе блок питания дает следующие напряжения +3.3 v, +5 v, +12 v и некоторые вспомогательные -12 v и + 5 VSB. Основная нагрузка ложится на линию +12 V.
Мощность (W - Ватт)расчитывается по формуле P = U x I, где U – это напряжение (V - Вольт), а I – сила тока (A - Ампер). Отсюда вывод, чем больше сила тока по каждой линии, тем больше мощность. Но не все так просто, допустим при большой нагрузке по комбинированной линии +3.3 v и +5 v, может уменьшиться мощность на линии +12 v. Разбирем пример на основе маркировки блока питания Cooler Master RS-500-PSAP-J3 – это первое фото, которое я нашел в интернете.

Указано, что максимальная суммарная мощность по линиям +3.3V и +5V = 130W, также указано, что максимальная мощность по линии +12V = равна 360W. Обратите внимание, что указаны две виртуальные линии +12V1 и +12V2 по 20 Ампер каждая – это вовсе не означает, что общий ток 40А, так как при токе в 40А и напряжении 12V, мощность бы была 480W (12x40=480). На самом деле указан максимально возможный ток на каждой линии. Реальный же максимальный ток легко рассчитать по формуле I=P/U, I = 360 / 12 = 30 Ампер.
Также обратите внимание на строчку ниже:
The +3.3 V & +5 V & +12 V total output shall not exceed 427.9 W – получается что суммарная мощность по всем линиям не должна превышать 427.9W. В итоге мы получаем не 490W (130 + 360), а всего лишь 427.9. Опять же важно понимать, что если нагрузка на линии +3.3V и 5V будет, скажем 100W, то отняв от максимальной мощности 100W, т.е. 427.9 – 100 = 327.9. В итоге мы получим 327.9W в остатке на линии +12V. Конечно, в современных компьютерах нагрузка на линии +3.3V и +5V вряд ли будет больше 50-60W, поэтому смело можно считать, что мощность на линии +12V будет 360W, а ток 30A.

Расчет мощности блока питания .
Для расчета мощности блока питания можете воспользоваться этим калькулятором http://www.extreme.outervision.com/psucalculatorlite.jsp , сервис на английском языке, но думаю разобраться можно.
По своему опыту могу сказать, что для любого офисного компьютера вполне достаточно блока питания на 300W. Для игрового хватит БП на 400 - 500W, для самых мощных игровых с очень мощной видеокартой или с двумя в режиме SLI или Crossfire – необходим блок на 600 - 700W.
Процессор обычно потребляет от 35 до 135W, выдеокарта от 30 до 340W, материнская плата 30-40W, 1 планка памяти 3-5W, жесткий диск 10-20W. Учитывайте также, что основная нагрузка ложится на линию 12V. Да, и не забудьте добавить запас 20-30% с расчетом на будущее.

КПД.
Не маловажным будет КПД блока питания. КПД (коэффициент полезного действия) - это отношение выходной мощности к потребляемой. Если бы блок питания мог преобразовать электрическую энергию без потерь, то его КПД был 100%, но пока это невозможно.
Приведу пример, для того, чтобы блоку питания с КПД 80% обеспечить на выходе мощность 400W, он должен потреблять от сети не больше 500W. Тот же блок питания, но с КПД 70%, будет потреблять около 571W. Опять же, если блок питания не сильно нагружен, например на 200W, то и потреблять от сети он будет тоже меньше, 250W при КПД 80% и приблизительно 286 при КПД 70%.
Существует организация, которая тестирует блоки питания на соответствие определенному уровню сертификации. Сертификация 80 Plus проводилась только для электросети 115В распространенной, например в США. Начиная с уровня 80 Plus Bronze, блоки питания тестируются для использования в электросети 230В. Например, для прохождения сертификации уровня 80 Plus Bronze КПД блока питания должен быть 81% при нагрузке 20%, 85% при нагрузке 50% и 81% при нагрузке 100%.

Наличие одного из логотипов на блоке питания говорит о том, что блок питания соответствует определенному уровню сертификации.
Плюсы блока питания с высоким КПД:
Во-первых, меньше энергии выделяется в виде тепла, соответственно системе охлаждения блока питания нужно отводить меньше тепла, следовательно, и шума от работы вентилятора меньше. Во-вторых, небольшая экономия на электричестве. В-третьих, качество у данных БП высокое.

Активный или пассивный PFC?

PFC (Power Factor Correction) – Коррекция фактора (коэффициента) мощности. Фактором мощности называется отношение активной мощности к полной (активной + реактивной).

Так как реальная нагрузка обычно имеет еще индуктивную и емкостную составляющие, то к активной мощности добавляется реактивная. Нагрузкой реактивная мощность не потребляется – полученная в течение одного полупериода сетевого напряжения, она полностью отдается обратно в сеть в течение следующего полупериода, впустую нагружая питающие провода. Получается, что от реактивной мощности толку ноль, и с ней по возможности борются, с помощью различных корректирующих устройств.

PFC - бывает пассивным и активным.

Преимущества активного PFC:

Активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности (у активного 0.95-0.98 против 0.75 у пассивного).
Активный PFC стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора, блок питания становится менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению.
Активный PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных провалов сетевого напряжения.

Недостатки активного PFC:

Снижает надежность блока питания, так как усложняется устройство самого блока питания. Требуется дополнительное охлаждение. В целом преимущества активного PFC перевешивают его недостатки.

В принципе можно не обращать внимания на тип PFC. В любом случае, при покупке блока питания меньшей мощности, в нем, скорее всего, будет пассивный PFC, при покупке более мощного блока от 500 W – вы, скорее всего, получите блок с активным PFC.

Система охлаждения блоков питания.
Наличие в блоке питания, вентилятора считается нормой, его диаметр чаще всего 120, 135 или 140 мм.

Кабели и разъемы.
Обратите внимание на количество разъемов и длину кабелей идущих от блока питания, в зависимости от высоты корпуса нужно выбрать БП с соответствующими по длине кабелями. Для небольшого корпуса достаточно длины 40-45 см.

Современный блок питания имеет следующие разъемы:

	24-х контактный разъем для питания материнской платы. Обычно раздельный 20 и 4 контакта, бывает и цельный.
	Разъем процессора. Обычно 4-х контактный, для более мощных процессоров используется 8-и контактный.
	Разъем для дополнительного питания видеокарты. 6-и и 8-и контактный. 8-и контактный иногда сборный 6+2 контакта.
	Разъем SATA для подключения жестких дисков и оптических приводов.
	4-х контактный разъем (Molex) для подключения старых IDE жестких дисков и оптических приводов, также применяют для подключения вентиляторов.
	4-х контактный разъем для подключения дисководов FDD.

Модульные кабели и разъемы.
Многие более мощные блоки питания сейчас используют модульное подключение кабелей с разъемами. Это удобно, тем, что нет надобности, держать неиспользуемые кабели внутри корпуса, к тому же меньше путаницы с проводами, просто добавляем по мере необходимости. Отсутствие лишних кабелей, также улучшает циркуляцию воздуха в корпусе. Обычно в этих блоках питания несъемные только разъемы для питания материнской платы и процессора.

Производители.
Производители блоков питания делятся на три группы:

Производят свою продукцию – это такие бренды, как FSP, Enermax, HEC, Seasonic, Delta, Hipro.
Производят свою продукцию, частично перекладывая производство на другие компании, например Corsair, Antec, Silverstone, PC Power & Cooling, Zalman.
Перепродают под собственной маркой (некоторые влияют на качество и выбор компонентов, некоторые нет), например Chiftec, Cooler Master, Gigabyte, OCZ, Thermaltake.

Можно смело приобретать продукцию этих брендов. В интернете можно найти обзоры и тесты многих блоков питания и ориентироваться по ним.
Надеюсь, данная статья поможет вам дать ответ на вопрос «как выбрать блок питания для компьютера ?».

Вот уже продолжительное время наша лаборатория занимается тестированиями блоков питания стандарта ATX. Методика тестирования все это время непрерывно развивалась и совершенствовалась, преследуя сразу две цели – не только получить возможность объективно сравнивать различные блоки питания, но и делать это достаточно наглядно.

К сожалению, один из основных тестов нашей методики – измерение стабильности напряжений – никак не мог похвастаться наглядностью, ибо в нем практически для каждого блока использовались собственные паттерны нагрузок, что делало невозможным обсуждение и сравнение результатов разных блоков питания без постоянных ссылок на особенности примененных к ним паттернов. Иначе говоря, результаты каждого из блоков тащили за собой ворох условностей и оговорок – разумеется, сравнение в итоге было возможно, иначе бы вообще не было смысла проводить тестирование, однако прямое сравнение цифр или графиков, увы, этими оговорками весьма затруднялось.

Этой статьей я представляю Вам новую методику тестирования блоков питания, пришедшую на смену старому способу измерения стабильности напряжений и дающую крайне наглядный и при этом весьма точный и объективный результат, одинаково хорошо пригодный для сравнения разных блоков питания, как в конкретных цифрах, так и просто "на глаз", по внешнему виду получаемых графиков. За основу взята методика построения так называемых кросс-нагрузочных характеристик блоков питания, разработанная и примененная нашими коллегами из издания ITC Online , однако она была существенно доработана с целью еще большего повышения как информативности, так и наглядности.

Также в статье я более или менее подробно опишу различные аспекты работы компьютерных блоков питания, чтобы читателям, не разбирающимся в схемотехнике импульсных блоков питания, стало понятно, что означают и откуда берутся те или иные измеряемые в ходе тестирования параметры блоков питания. Те же из Вас, кто достаточно хорошо знаком с устройством и работой импульсных источников питания, могут сразу пролистать первые два раздела статьи до описания собственно используемого нами тестового оборудования и методики тестирования.

Линейные и импульсные источники питания

Как известно, электронный источник питания – это устройство, тем или иным способом решающее задачи изменения, управления или стабилизации поступающей в нагрузку электрической мощности.

Наиболее простым и до сих пор крайне широко применяющимся методом управления является поглощение избыточной мощности в управляющем устройстве, то есть банальное рассеивание ее в виде тепла. Источники питания, действующие по такому принципу, называются линейными.

Выше представлена схема подобного источника – линейного стабилизатора напряжения. Напряжение бытовой сети 220В понижается трансформатором T1 до необходимого уровня, после чего выпрямляется диодным мостом D1. Очевидно, что выпрямленное напряжение должно быть в любых условиях выше выходного напряжения стабилизатора – иначе говоря, необходима избыточная мощность; это следует из самого принципа работы линейного стабилизатора. В данном случае эта мощность выделяется в виде тепла на транзисторе Q1, который управляется некоторой схемой U1 так, чтобы выходное напряжение Uout находилось на требуемом уровне.

Такая схема имеет два существенных недостатка. Во-первых, низкая частота переменного тока в питающей сети (50 или 60Гц, в зависимости от страны) обуславливает большие габаритные размеры и массу понижающего трансформатора – трансформатор мощностью 200-300Вт будет весить несколько килограмм (не говоря уж о том, что в линейных стабилизаторах приходится применять трансформаторы на мощность вдвое большую, чем максимальная мощность нагрузки, ибо КПД линейного стабилизатора составляет около 50%, а трансформатор должен быть рассчитан на полную мощность, включая ту, что уйдет в тепло на самом стабилизаторе). Во-вторых, напряжение на выходе трансформатора должно во всех случаях превышать сумму выходного напряжения стабилизатора и минимального падения напряжения на регулирующем транзисторе; это означает, что в общем случае транзистору придется рассеивать весьма заметную избыточную мощность, что отрицательно скажется на КПД всего устройства.

Для преодоления этих недостатков были разработаны так называемые импульсные стабилизаторы напряжения, в которых управление мощностью происходит без рассеивания мощности в самом устройстве управления. В самом простейшем виде такое устройство можно представить как обычный ключ (роль которого может играть и транзистор), включенный последовательно с нагрузкой. В такой схеме средний протекающий через нагрузку ток зависит не только от сопротивления нагрузки и напряжения питания, но и от частоты переключению ключа – чем она больше, тем выше ток. Таким образом, меняя частоту переключения, мы можем регулировать средний ток через нагрузку, причем в идеале на самом ключе мощность не будет рассеиваться вообще – так как он пребывает только в двух состояниях: либо полностью открытом, либо полностью закрытым. В первом случае падение напряжения на нем равно нулю, во втором случае – нулю равен протекающий через него ток, а потом выделяемая на нем мощность, равная произведению тока на напряжение, также всегда равна нулю. В реальности, конечно, все немного иначе – в случае использования в качестве ключа транзисторов, во-первых, даже в открытом состоянии на них падает небольшое напряжение, во-вторых, процесс переключения происходит не мгновенно. Однако эти потери – следствие побочных явлений, и они намного меньше, чем выделяемая на устройстве управления линейного стабилизатора избыточная мощность.

Если сравнивать цифры, то КПД типичного линейного стабилизатора составляет 25...50%, в то время как КПД импульсного может превышать 90%.

Кроме того, если в импульсном стабилизаторе поставить ключ до понижающего трансформатора (очевидно, что, в общем-то, все равно, регулировать входное или выходное напряжение трансформатора – они неразрывно связаны друг с другом), то мы получаем возможность определять частоту работы трансформатора вне зависимости от частоты питающей сети. А так как габариты трансформатора уменьшаются с увеличением его рабочей частоты, то это позволяет использовать в импульсных стабилизаторах понижающие трансформаторы буквально игрушечных размеров по сравнению с их линейными аналогами, что дает колоссальный выигрыш в размерах готового устройства. Для примера, трансформатор на частоту 50Гц и мощность 100Вт весит чуть более двух килограмм, в то время как трансформатор на ту же мощность, но на частоту 35кГц весит всего лишь около 35 грамм. Это, разумеется, радикально влияет на габариты и массу всего источника питания - если посчитать отношение выходной мощности источника к его объему, то для импульсного источника питания, работающего на частоте в несколько десятков килогерц, оно составит примерно 4-5 Вт/куб. дюйм, в то время как для линейного стабилизатора этот показатель составляет всего лишь 0,3...1 Вт/куб. дюйм. Более того, с повышением частоты плотность мощности импульсного источника питания может доходить до 75 Вт/куб. дюйм, что совершенно недостижимо для линейных источников даже при водяном охлаждении (цифры даны по книге Ирвинга М. Готтлиба "Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы").

Кроме того, при таком исполнении импульсный стабилизатор значительно меньше зависит от величины входного напряжения – ведь чувствителен к этому в первую очередь понижающий трансформатор, а при включении ключа до него мы можем управлять напряжением и частотой его работы так, как надо нам. Соответственно, импульсные стабилизаторы абсолютно без особых проблем переносят уход напряжения питающей сети вплоть до 20% от номинала, в то время как у линейных добиться работы при пониженном напряжении сети можно лишь за счет дальнейшего снижения и без того невысокого КПД.

Помимо трансформатора, использование высокой частоты позволяет сильно (в десятки раз) уменьшить емкость и, соответственно, габариты сглаживающих конденсаторов (C1 и C2 на вышеприведенной схеме). Правда, это палка о двух концах – во-первых, далеко не все электролитические конденсаторы способны нормально работать на такой частоте, во-вторых, несмотря ни на что, в импульсном источнике питания технически весьма затруднительно получить размах пульсаций на выходе ниже 20 мВ, в то время как в линейных при необходимости без особых затрат уровень пульсаций может быть снижен до 5 мВ, и даже ниже.

Очевидно, что работающий на частоте в несколько десятков килогерц преобразователь является источником помех не только в собственную нагрузку, но и в питающую сеть, а также просто в радиоэфир. Поэтому, при проектировании импульсных источников питания необходимо уделять внимание как фильтру на его входе (вопреки распространенному мнению, он не столько защищает блок питания от внешних помех, сколько защищает другие устройства от помех, создаваемых этим блоком питания), так и электромагнитной экранировке самого блока питания, что в случае мощных блоков означает использование стального корпуса. Линейные блоки питания, как я отмечал выше, хоть и более чувствительны к внешним помехам, но сами никаких помех не создают, а потому не требуют никаких особых мер по защите окружающего оборудования.

Кроме того, импульсные источники питания требуют существенно более сложной (и, соответственно, дорогой) электроники, нежели их линейные собратья. Ценовое преимущество импульсных блоков очевидно для достаточно мощных изделий, где цена в первую очередь определяется стоимостью силового трансформатора и необходимого теплоотвода, а потому линейные источники с их большими габаритами и низким КПД оказываются в заведомом проигрыше; однако по мере удешевления компонентов импульсных блоков питания они все больше и больше теснят и маломощные линейные источники – так, уже не являются редкостью импульсные блоки питания мощностью в единицы ватт (например, зарядные устройства мобильных телефонов), хотя еще несколько лет назад на таких мощностях преимущества линейных источников были очевидны.

Если же говорить о задачах, в которых определяющим параметром являются габариты, то тут импульсные источники питания находятся вне конкуренции – при всех конструкторских ухищрениях, получить от линейного источника ту же плотность мощности, что и от импульсного, просто невозможно.

Блоки питания компьютеров

В настоящее время все используемые в компьютерах источники питания – импульсные. Обусловлено это тем, что для обеспечения разумных габаритов и тепловыделения необходимы плотность мощности и КПД, принципиально недостижимые для линейных блоков питания такой мощности – так, плотность мощности обычного ATX блока питания составляет 2...5 Вт/куб. дюйм (в зависимости от его выходной мощности), а КПД – не менее 68% при работе с максимальной нагрузкой.

Выше на рисунке приведена несколько упрощенная блок-схема типичного компьютерного блока питания. Ниже на примере блока Macropower MP-300AR показано типичное расположение компонентов в реальном блоке питания (в большинстве блоков других моделей никаких существенных отличий не будет):

Питающее напряжение 220В проходит через двух- или трехзвенный фильтр, защищающий другие включенные в сеть устройства от создаваемых блоком питания помех. После фильтра напряжение поступает на выпрямитель D1, а с него – на необязательную (но все чаще встречающуюся в новых блоках) схему коррекции фактора мощности (PFC – Power Factor Correction). Подробнее о том, что такое PFC, и зачем он нужен, будет сказано ниже, сейчас мне хотелось бы подробнее остановиться на фильтре, ибо с ним связана пара вопросов, часто задаваемых пользователями.

Блок питания без PFC

На приведенной выше осциллограмме зеленый "луч" – сетевое напряжение, а желтый – потребляемый блоком питания от сети ток. При такой картине фактор мощности получается равен приблизительно 0,7 – то есть почти треть мощности лишь бестолку нагревает провода, не производя никакой полезной работы. И если для частных пользователей эта цифра не имеет большого значения, ибо квартирные электросчетчики учитывают лишь активную мощность, то для крупных офисов и вообще любых помещений, где одновременно работает множество компьютеров, низкий коэффициент мощности представляет собой заметную проблему, ибо вся электропроводка и сопутствующее оборудование должно рассчитываться исходя именно из полной мощности – иначе говоря, при коэффициенте мощности 0,7 оно должно быть на треть мощнее, чем могло бы быть, не потребляй блок питания реактивную мощность. Также сказывается низкий коэффициент мощности и при выборе источников бесперебойного питания – для них ограничением является опять же полная, а не активная мощность.

Соответственно, в последнее время все большую популярность приобретают устройства коррекции коэффициента мощности (PFC). Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC, представляющий собой обычный дроссель сравнительно большой индуктивности, включенный в сеть последовательно с блоком питания.

Блок питания с пассивным PFC

Блок питания с активным PFC

Как Вы видите, форма тока, потребляемого блоком питания с активным PFC, очень мало отличается от потребления обычной резистивной нагрузки – результирующий коэффициент мощности такого блока может достигать 0,95...0,98 при работе с полной нагрузкой. Правда, по мере снижения нагрузки коэффициент мощности уменьшается, в минимуме опускаясь примерно до 0,7...0,75 – то есть до уровня блоков с пассивным PFC. Впрочем, надо заметить, что пиковые значения тока потребления у блоков с активным PFC все равно даже на малой мощности оказываются заметно меньше, чем у всех прочих блоков.

Ниже на графике приведены результат экспериментального измерения зависимости коэффициента мощности от нагрузки на блок питания для трех блоков – без PFC вообще, с пассивным PFC и, наконец, с активным PFC.

Мало того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания. Во-первых, он дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока – мало того, что блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению, так еще и при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110...230В, не требующие ручного переключения напряжения сети. Во-вторых, использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения – в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя C1 и C2, а эта энергия пропорциональна квадрату напряжения на них; как я отмечал выше, при использовании активного PFC это напряжение достигает 400В против обычных 310В – следовательно, эффективность использования конденсаторов увеличивается более чем в два раза (из-за того, что запасенная в конденсаторах энергия вычерпывается далеко неполностью, эффективность растет еще быстрее, чем квадрат напряжения на конденсаторах).

Фактически, у активного PFC только два недостатка – во-первых, как и вообще любое усложнение конструкции, он снижает надежность блока питания, во-вторых, он также имеет КПД, отличный от 100%, а потому требует охлаждения (впрочем, с другой стороны, активный PFC несколько снижает потери во входном фильтре и в самом инверторе, так что общего падения КПД блока не происходит). Тем не менее, преимущества от использования активного PFC в абсолютном большинстве случаев перевешивают эти недостатки.

Итак, если Вы нуждаетесь в блоке с коррекцией фактора мощности, то обращать внимание надо в первую очередь на модели с активным PFC – только они обеспечивают действительно хороший коэффициент мощности, при этом еще и заметно улучшая прочие характеристики блока питания. С точки зрения домашних пользователей блоки с активным PFC окажутся полезными для владельцев маломощных UPS"ов: допустим, у Вас уже стоит UPS мощностью 500 ВА, из которых 50 ВА потребляет ЖК-монитор, а 450 ВА остаются на системный блок, и Вы собираетесь проапгрейдить последний до современного уровня – а достаточно серьезная современная конфигурация вполне может потреблять от блока питания при максимальной загрузке до 300 Вт. В таком случае, на блоке питания с коэффициентом мощности 0,7 и КПД 80% (это достаточно типичная цифра для хорошего блока) мы получим полную потребляемую от сети мощность 300/(0,75*0,8) = 500 ВА, а на таком же блоке с коэффициентом мощности 0,95 – соответственно, 300/(0,95*0,8) = 395 ВА. Как видите, в случае с блоком питания без PFC замена UPS"а на более мощный неминуема, иначе в случае отключения электричества в неподходящий момент нынешний просто не справится с нагрузкой, а в случае с блоком с активным PFC даже еще остается небольшой запас в 55 ВА. По-хорошему, конечно, в этом расчете надо учитывать еще и то, что на выходе недорогих UPS напряжение имеет не синусоидальную, а трапециевидную форму – однако при этом изменятся лишь абсолютные полученные цифры, преимущество же блока питания с активным PFC сохранится.

И в заключение этого раздела хотелось бы развеять один миф, связанный с PFC: многие пользователи путают коэффициент мощности и коэффициент полезного действия, в то время как это совершенно различные величины. КПД по определению равен отношению выходной мощности блока питания к потребляемой им от сети активной мощности, в то время как коэффициент мощности – отношению потребляемой от сети активной мощности к потребляемой от сети полной. Установка в блок питания схемы PFC влияет на потребляемую им активную мощность лишь опосредованно – за счет того, что сам PFC потребляет некоторую мощность, плюс изменяется входное напряжение основного стабилизатора; основной задачей PFC является уменьшение потребляемой блоком реактивной мощности, которая в расчете КПД никак не учитывается. Поэтому непосредственной связи между КПД и коэффициентом мощности – нет.

Стенд для тестирования блоков питания

Основной стенда для тестирования блоков питания в нашей лаборатории является полуавтоматическая установка, позволяющая устанавливать требуемую нагрузку на шины +5В, +12В, +3,3В и +5В дежурного режима испытуемого блока, одновременно измеряя соответствующие выходные напряжения.

Аппаратная часть установки базируется на 4-канальном ЦАП Maxim MX7226, к выходам которого подключены источники тока. Последние выполнены на операционных усилителях LM324D и мощных полевых транзисторах IRFP064N, установленных на радиаторы с принудительным воздушным охлаждением.

Каждый из транзисторов имеет предельную рассеиваемую мощность 200 Вт, а так как в каждом из наиболее мощных каналов нагрузки (+5В и +12В) используется по три таких транзистора, то установка позволяет тестировать любые существующие на данный момент ATX блоки питания, вплоть до самых мощных – даже с учетом снижения допустимой мощности рассеяния транзисторов по мере роста их температуры допустимая мощность нагрузки по каждому из каналов составляет не менее 400 Вт.

Для измерения установленных токов нагрузки и выходных напряжений тестируемого блока в установке используются два 4-канальных АЦП Maxim MX7824 – один АЦП отвечает за токи, другой – за напряжения.

Все управление установкой, начиная от включения тестируемого блока питания и заканчивая проведением всех возможных тестов, а также регистрация и обработка их результатов, осуществляется с компьютера по порту LPT. Специально для этих целей была написана программа, позволяющая как вручную устанавливать ток нагрузки независимо по каждой из шин, так и выполнять некоторые стандартные тесты блоков питания (например, построение кросс-нагрузочной характеристики, о чем будет сказано ниже) в полностью автоматическом режиме.

Помимо основной установки, для тестирования блоков также используются два вспомогательных приспособления. Во-первых, это генератор прямоугольных импульсов с частотой, дискретно изменяемой от 60 Гц до 40 кГц:

Генератор подключается к тестируемому блоку питания в виде нагрузки – с помощью переключателя можно выбирать, будет ли он подключен к шине +12В или же к +5В, в обоих случаях пиковый ток создаваемой им нагрузки составляет около 1,3 А. Это позволяет оценить, насколько хорошо тестируемый блок питания реагирует на сравнительно мощные импульсы нагрузки прямоугольной формы, следующие с частотами от десятков герц до десятков килогерц.

Во-вторых, для снятия осциллограмм потребляемого блоком питания тока и, одновременно, питающего сетевого напряжения используется обычный шунт на мощных проволочных резисторах суммарным сопротивлением около 0,61 Ом:

К этой плате при тестировании блока питания подключаются щупы цифрового двухканального осциллографа – один его канал фиксирует осциллограмму сетевого напряжения, а другой – осциллограмму потребляемого блоком питания тока. Далее полученные осциллограммы обрабатываются специально написанной для этого небольшой программой, сразу рассчитывающей все интересующие нас параметры – потребляемую им активную, реактивную и полную мощности и, соответственно, коэффициент мощности и КПД блока питания.

Для снятия осциллограмм используется цифровой двухканальный "виртуальный" осциллограф (виртуальность в данном случае означает, что этот осциллограф представляет собой устанавливаемую в компьютер плату и без компьютера, в отличие от обычных осциллографов, работать не может, ибо не обладает собственными аппаратными средствами управления и отображения информации) M221 производства словацкой компании ETC. Осциллограф имеет полосу пропускания аналоговой части 100 МГц, максимальную скорость оцифровки произвольного сигнала 20 млн. сэмплов в секунду и чувствительность от 50 мВ/дел до 10 В/дел. Помимо измерений КПД и коэффициента мощности тестируемых блоков питания, осциллограф используется для оценки размаха, формы и частотного состава пульсаций выходных напряжений блоков питания.

Для быстрой оценки токов и напряжений в процессе тестирования, а также для периодической проверки другого измерительного оборудования, в нашей лаборатории используется мультиметр Uni-Trend UT70D, позволяющий с очень хорошей точностью измерять токи и напряжения, в том числе и несинусоидальной формы, что очень важно при тестировании блоков питания без коррекции фактора мощности – многие измерительные приборы, не имеющие пометки "TrueRMS", не способны адекватно измерять переменные токи и напряжения, чья форма отличается от синусоиды.

Для измерения температуры внутри блока питания нами используется цифровой термометр Fluke 54 Series II с термопарами 80PK-1 и 80PK-3A (наименования всех моделей даны по каталогу Fluke). К сожалению, имеющийся у нас бесконтактный инфракрасный цифровой термометр показал неудовлетворительную точность измерений на блестящих металлических поверхностях (например, на алюминиевых радиаторах блоков питания), что и вынудило нас перейти на использование термопарного термометра.

Для измерения скоростей вентиляторов блоков питания используется оптический тахометр Velleman DTO2234. Он позволяет без малейших проблем проводить измерения скорости вентилятора в закрытом блоке питания, то есть без нарушения его естественного теплового режима – достаточно лишь наклеить на одну из лопастей вентилятора тоненькую полоску отражающего материала.

И, наконец, для обеспечения всех блоков питания одинаковым сетевым напряжением, вне зависимости от его суточных колебаний, а также для обеспечения возможности тестирования блоков при повышенном или пониженном напряжении питания они подключаются к сети через лабораторный автотрансформатор Wusley TDGC2-2000 с допустимой мощностью нагрузки до 2 кВт и пределами регулировки напряжения от 0 до 250В.

Методика тестирования блоков питания

Первым и наиболее важным тестом для любого блока питания является построение так называемой кросс-нагрузочной характеристики. Как я уже говорил в теоретической части статьи, каждое выходное напряжение блока питания зависит от нагрузки не только на соответствующую ему шину, но и от нагрузок на все остальные шины.

Стандартом ATX предусмотрены максимальные допустимые отклонения выходных напряжений от номинала – это 5% для всех положительных выходных напряжений (+12В, +5В и +3,3В) и 10% для отрицательных выходных напряжений (-5В и -12В, из которых, впрочем, в современных блоках осталось только последнее). Кросс-нагрузочной же характеристикой (КНХ) блока называется та область сочетаний нагрузок, при которой ни одно из выходных напряжений не выходит за допустимые рамки.

Строится КНХ в виде области на плоскости, где по горизонтальной оси координат отложена нагрузка на шину +12В, а по вертикальной – суммарная нагрузка на шину +5В и +3,3В. При построении КНХ установка для тестирования блоков питания в полностью автоматическом режиме меняет нагрузку на эти шины с шагом в 5 Вт и, если все выходные напряжения блока на данном шаге уложились в заданные рамки, ставит на плоскости точку, цвет которой – от зеленого до красного – соответствует отклонению каждого из напряжений в данной точке от номинала. Так как используемая нами установка контролирует три основных выходных напряжения, то для каждого блока питания получаются, соответственно, три графика (для каждого из напряжений), на которых одна и та же область будет закрашена разными цветами. Форма области на всех трех одинакова, так как она определяется не для каждого из напряжений в отдельности, а для всех вместе, и выход за допустимые границы любого из напряжений означает, что соответствующей точки не будет на графиках для всех напряжений; закраска же области различна потому, что строится индивидуально для каждого из напряжений. Ниже приведен пример КНХ для блока Macropower MP-360AR Ver. 2, раскрашенная в соответствии с отклонениями напряжения +12В (в статьях я буду приводить анимированные картинки, в которых по очереди будут показываться все три напряжения, текущее напряжение указывается в верхнем правом углу графика, над цветовой шкалой):

На этом графике каждая точка строго соответствует одному шагу измерений, причем для удобства в процессе измерений точки, в которых напряжения вышли за допустимые рамки, обозначаются серым цветом и меньшим размером – это необходимо для удобства экспериментатора, наблюдающего за ходом измерений в реальном времени. После окончания измерений полученные данные обрабатываются с помощью билинейной интерполяции – так вместо отдельных точек получается более удобная для восприятия закрашенная область с четкими краями:

Итак, что мы видим на этом графике? Протестированный блок питания замечательно справляется с нагрузкой по шине +12В – он способен выдавать положенные напряжения при максимальной нагрузке по этой шине и всего лишь 5Вт по шине +5В (5Вт – это типичное начальное значение при наших измерениях; для мощных блоков, нестабильно работающих при столь незначительных нагрузках, оно увеличивается до 15 Вт или 25 Вт).

Ровная вертикальная граница в правой нижней части графика означает, что здесь блок дошел до предела мощности шины +12В (для данного блока она составляет 300Вт), и установка не стала увеличивать ток нагрузки дальше во избежание выхода блока питания из строя. Выше вертикальная граница переходит в наклонную (правый верхний угол графика) – это область, где установка дошла до предельной мощности блока питания (в данном случае она составляет 340Вт), а потому по мере увеличения нагрузки на +5В вынуждена была снижать нагрузку на +12В, чтобы опять же предотвратить выход блока питания из строя или срабатывание его защиты.

Продолжаем обходить контур против часовой стрелки. В верхней части графика наклонная линия переходит в ровную горизонтальную – это область, где установка достигла предельно допустимой нагрузки по +5В, а потом не стала более увеличивать мощность по этой шине, хотя блок питания выдавал напряжения в пределах нормы.

И, наконец, в левой верхней части графика мы видим неровную наклонную линию, которая явно не объясняется пределом по мощности – ведь нагрузка по +12В в этой области слишком мала. Зато эта линия прекрасно объясняется красным цветом графика – при большой нагрузке по +5В и малой по +12В напряжение по шине +12В достигло 5% отклонения, тем самым обозначив границу КНХ.

Таким образом, по этому графику можно сказать, что данный блок питания хорошо держит уровень выходных напряжений и позволяет без проблем получить от него заявленную мощность, но будет предпочтителен для наиболее современных систем с питанием как процессора, так и видеокарты от +12В, ибо перекос нагрузки в сторону этой шины воспринимает лучше, нежели перекос в сторону шины +5В.

Для сравнения давайте посмотрим на КНХ существенно более дешевого блока питания – L&C LC-B300ATX с заявленной мощностью 300Вт. График в данном случае опять же построен только для напряжения +12В:

Отличия от MP-360AR сразу же бросаются в глаза. Во-первых, нижняя линия контура уже не горизонтальная – в правой части она начинает уходить вверх, причем по красному цвету видно, что это было вызвано не только выходом за пределы напряжения +5В (что бывает достаточно часто при большой нагрузке по +12В), но и проседанием напряжения +12В. Во-вторых, на контуре нет верхней горизонтальной "полки", верхняя точка графика соответствует нагрузке по +5В около 150Вт – а это означает, что обещанные производителем по этой шине максимальные 180Вт на практике получить невозможно в принципе, ни при каких комбинациях нагрузок. В-третьих, несмотря на более высокую заявленную мощность по шинам +5В и +3,3В по сравнению с MP-360AR (180Вт против 130Вт), хорошо видно, что наклонная линия в левой верхней части графика у MP-360AR начиналась на мощности нагрузки по +5В более 80 Вт, в то время как у LC-B300 – всего лишь около 50 Вт. Это означает, что, несмотря на формально заявленную большую мощность по шине +5В у LC-B300 по сравнению с MP-360AR, на практике во многих случаях получить большую реальную мощность по этой шине удастся как раз от блока производства Macropower.

Думаю, внимательные читатели уже заметили, что, если построить оба графика в одинаковом масштабе, КНХ блока от Macropower окажется по сравнению с КНХ блока от L&C сильно вытянута вдоль оси +12В. Объясняется это тем, что эти два блока относятся к разным версиям стандарта ATX/ATX12V Power Supply, в которых предпочтительным считалось разное распределение нагрузки между шинами блока питания. Для сравнения ниже на рисунке нанесены КНХ, которыми, по мнению Intel (как составителя всего семейства стандартов ATX) в разные годы должны были обладать блоки питания:

Как видите, изначально стандарт ATX предполагал потребление в основном от шин +5В и +3,3В – и действительно, практически вся начинка компьютера питалась от этих напряжений, на +12В заметную нагрузку создавала разве что механика винчестеров и оптических приводов.

Однако со временем ситуация стала меняться – процессоры становились все мощнее, и питание их от +5В создавало целый ряд проблем для разработчиков материнских плат. Во-первых, на тот момент уже было ясно, что рост энергопотребления процессоров продолжится и дальше, что приведет к большому потребляемому току по +5В, а потому возникнет проблема с подведением таких токов к материнской плате – стандартный разъем может просто не справиться. Во-вторых, разъем питания материнской платы придется либо втискивать рядом с VRM процессора, либо же тащить от него через всю плату к VRM шину, рассчитанную на большие токи, что опять же затруднительно...

В связи с этим Intel предложил стандарт ATX12V, согласно которому процессор должен питаться от шины +12В – очевидно, что при той же мощности потребления это означает в 2,4 раза меньший ток. Однако, так как в основном разъеме ATX всего один провод +12В, пришлось ввести дополнительный 4-контактный разъем ATX12V... впрочем, этим Intel убил сразу двух зайцев – не только заранее решил проблему обгорания контактов разъема из-за слишком больших токов нагрузки, но и упростил для производителей материнских плат дизайн PCB, ибо расположить маленький 4-контактный разъем непосредственно рядом с VRM намного проще, чем больше 20-контактный.

К сожалению, компания AMD не поддержала инициативу Intel, а потому многие владельцы материнских плат под Socket A, из которых даже среди имеющихся в продаже в данный момент 20-25% все еще не имеют разъема ATX12V, в полном объеме испытали проблемы, о которых Intel говорил еще четыре года назад – с появлением мощных процессоров под эту платформу появились и первые сообщения и об обгорающих контактах блока питания, и о сильном перекосе его выходных напряжений (как Вы видите из приведенных выше КНХ, даже дешевые блоки лучше справляются с нагрузкой по +12В)...

Фактически единственный технический минус от внедрения ATX12V – некоторое уменьшение КПД VRM, ибо КПД любого импульсного преобразователя с увеличением разницы между входным и выходным напряжениями уменьшается. Впрочем, это с лихвой компенсировалось увеличением КПД собственно блока питания – как и для разработчиков материнских плат, для разработчиков блоков питания решение ориентироваться на основное потребление по шине +12В сильно упростило дизайн блоков.

Как Вы видите из графиков, версии ATX12V до 1.2 включительно отличались от обычного ATX лишь увеличенным допустимым потреблением по шине +12В. Более серьезные изменения произошли в версии 1.3 – в ней впервые за все время развития компьютерных блоков питания требуемая допустимая нагрузка по шине +5В уменьшилась , при этом нагрузка по шине +12В увеличилась еще больше – фактически началась адаптация блоков питания к наиболее современным системам, в которых все меньше потребителей остается на шине +5В (процессоры давно уже питаются от +12В, а сейчас за ними последовали и видеокарты). В отличие от предыдущих моделей, ATX12V 1.3 блок питания уже не обязан поддерживать стабильные напряжения при большой нагрузке на +5В и малой – на +12В.

И, наконец, последней версией на сегодняшний день является ATX12V 2.0. Как нетрудно заметить, в ней мощность блока питания по шине +5В уменьшилась еще сильнее – теперь она составляет всего 130Вт; зато сильно выросла допустимая мощность нагрузки по +12В. Кроме этого, блоки ATX12V 2.0 приобрели 24-контактный разъем питания материнской платы вместо старого 20-контактного – если четыре года назад старого разъема перестало хватать для питания процессора, в связи с чем был придуман ATX12V, то теперь допустимого тока разъема не хватает уже для питания PCI Express карт. Также в блоках ATX12V появилось два источника +12В, но на самом деле внутри блока они являются одним источником, раздельные лишь ограничения тока срабатывания защиты – согласно требованиям безопасности по стандарту IEC-60950, на шине +12В не допустимы токи более 20А, поэтому и приходится разбивать эту шину на две части. Впрочем, производители в случаях, когда соответствие этому стандарту не требуется, могут просто не устанавливать соответствующую схему – тогда ATX12V 2.0 блок питания с токами по шинам +12В, скажем, 10А и 15А, можно спокойно рассматривать как блок питания с одной шиной +12В с током 25А.

Итак, если возвращаться к рассмотренным выше блокам, то можно сказать, что MP-360AR Ver. 2 соответствует стандарту ATX12V 2.0, а LC-B300 – стандарту ATX12V 1.2, отсюда и такая разница в их КНХ. Впрочем, причина, конечно, не только в формальном соответствии разным версиям стандарта – вспомните, как я сетовал на то, что от LC-B300 на практике невозможно получить заявленную мощность по +5В... а теперь давайте наложим на его график рекомендуемую Intel КНХ для 300-ваттных ATX12V 1.2 блоков:

Как Вы видите, блок попросту не вписывается в требования стандарта для 300-ваттных моделей по допустимой нагрузке на +5В, поэтому рассматривать его как 300-ваттный можно разве что с оговоркой, что ватты эти не слишком честные. Для сравнения можно посмотреть на график того же MP-360AR, но уже с рекомендуемой КНХ для 350-ваттных ATX12V 2.0 блоков:

Как Вы видите, соответствие практически идеальное. Думаю, комментарии относительно сравнительного качества этих двух блоков излишни.

Вообще говоря, соответствовать весьма жестким требованиям Intel к КНХ достаточно непросто – есть не столь много блоков, которые могут этим похвастаться, однако и столь грубое нарушение рекомендаций, как в случае с LC-B300, встречается нечасто.

Относительно же расцветки КНХ можно сказать, что идеалом, конечно, является равномерный зеленый цвет... впрочем, идеал, как известно, обычно недостижим. Достаточно нормальна ситуация, когда каждое напряжение, кроме достаточно стабильного +3,3В, проходит весь диапазон от зеленого или желто-зеленого цвета у одного края графика до красного у другого, бывает также, что зеленого цвета на КНХ нет вообще – это означает, что напряжение было изначально завышено. Самое же плохой является ситуация, когда какое-либо напряжение проходит весь диапазон цветов дважды – от красного у одного края через зеленый в середине до красного у другого края КНХ. Такая ситуация, например, видна у рассмотренного выше LC-B300 и означает, что на одном краю КНХ напряжение сильно просело (очевидно, что при маленькой нагрузке на +5В и большой на +12В последнее может только просесть), а на другом краю – наоборот, сильно выросло; иначе говоря, его стабильность очень сильно оставляет желать лучшего...

И, под завершение описания КНХ, приведу пример идеального блока питания. Выше я уже мимоходом упоминал о блоках питания Antec и OCZ с раздельными вспомогательными стабилизаторами на каждой из основных шин, ниже я предлагаю Вашему вниманию экспериментально измеренную КНХ блока OCZ Technology PowerStream OCZ-470ADJ (это уже полноценная картинка со всеми тремя напряжениями, период смены кадров – 5 сек.):

Как Вы видите, мало того, что весь контур КНХ определяется только допустимой максимальной нагрузкой блока питания, так ни одно напряжение даже не приблизилось к 5-процентному отклонению. К сожалению, пока что такие блоки питания сравнительно дороги...

Разумеется, построением КНХ испытания блоков питания не заканчиваются. Во-первых, все блоки проверяются на стабильность работы при постоянной нагрузке от нуля до максимальной с шагом 75 Вт. Таким образом выясняется, способен ли блок вообще выдержать полную нагрузку.
Во-вторых, по мере увеличения нагрузки измеряется температура диодных сборок блока и скорость вращения вентилятора, которая практически во всех современных блоках питания так или иначе зависит от температуры.

К результатам измерений температуры, впрочем, стоит относиться с некоторым скепсисом – у большинства блоков питания разные конструкции радиаторов и расположение диодных сборок на них, а потому измерения температуры имеют довольно большую погрешность. Тем не менее, в критических случаях, когда блок питания оказывается на грани смерти от перегрева (а такое иногда случается в наиболее дешевых моделях), показания термометра могут оказаться интересными – так, в моей практике были блоки, в которых под полной нагрузкой радиаторы разогревались выше сотни градусов.

Более интересны измерения скорости вращения вентиляторов – несмотря на то, что все производители заявляют их температурную регулировку, практическая реализация может очень сильно отличаться. Как правило, для блоков нижнего ценового диапазона начальная скорость вентилятора уже составляет порядка 2000...2200 об./мин. и по мере прогрева меняется лишь на 10...15%, в то время как для качественных блоков начальная скорость может составлять всего лишь 1000...1400 об./мин., при прогреве на полной мощности увеличиваясь в два раза. Очевидно, что если в первом случае блок питания будет шумным всегда, то во втором пользователи не слишком мощных систем, слабо нагружающих блок питания, могут рассчитывать на тишину.

Также при работе блока питания на полной мощности проводятся измерения размаха пульсаций его выходных напряжений. Напомню, что, согласно стандарту, размах пульсаций в диапазоне до 10 МГц не должен превышать 50 мВ для шины +5В и 120 мВ для шины +12В. На практике на выходе блока могут присутствовать заметные пульсации двух частот – около 60 кГц и 100 Гц. Первая является результатом работы ШИМ-стабилизатора блока (обычно его частота около 60 кГц) и присутствует в той или иной мере на всех блоках питания. Ниже приведена осциллограмма достаточно типичных пульсаций на частоте работы ШИМ, зеленым цветом – шина +5В, желтым – +12В:

Как Вы видите, здесь именно тот случай, когда пульсации на шине +5В вышли за допустимые пределы в 50 мВ. На осциллограмме видна именно классическая форма таких пульсаций – треугольная, хотя в более дорогих блоках питания моменты переключения обычно сглаживаются стоящими на выходе дросселями.

Вторая же частота – это удвоенная частота питающей сети (50 Гц), проникающая на выход обычно из-за недостаточной емкости конденсаторов высоковольтного выпрямителя, ошибок в схемотехнике или же неудачного дизайна силового трансформатора или печатной платы блока. Как правило, эти колебания (в статьях они приводятся с временной разверткой 4 мс/дел) наблюдаются у многих блоков нижнего ценового диапазона и достаточно редко встречаются у моделей среднего класса. Размах этих пульсаций растет пропорционально нагрузке на блок питания и в максимуме также иногда может выходить за допустимые рамки.

Также к блоку питания при нагрузке 150 Вт подключается уже упоминавшийся выше в предыдущем разделе статьи генератор прямоугольных импульсов, после чего с помощью осциллографа измеряется амплитуда импульсов на другом проводе блока питания, то есть не на том, к которому подключен генератор. Таким образом проверяется общая реакция блока на подобную импульсную нагрузку, и, в частности, то, насколько хорошо он будет подавлять помехи от каждого из подключенных к нему устройств. Впрочем, из-за наличия резких всплесков напряжения в моменты переключения генератора точность измерения не слишком высока, однако иногда и из этих измерений можно сделать интересные выводы.

И, наконец, измерения КПД и коэффициента мощности блоков. Пожалуй, это наименее важный и интересный раздел – как показал опыт, эти параметры достаточно близки для различных блоков, а так как для абсолютного большинства пользователей они не имеют никакого значения, так как небольшие их колебания не оказывают никакого влияния на работу компьютера (а больших колебаний среди разных моделей однотипных блоков не наблюдается), то измерения проводятся только в достаточно редких случаях. Так, коэффициент мощности измеряется для блоков, для которых заявлена его коррекция, а КПД – либо заодно с коэффициентом мощности (фактически значение КПД получается автоматически, для этого не требуется дополнительных измерений), либо если по той или иной причине возникают подозрения, что у данного блока он выходит за допустимые рамки, что бывает крайне редко.

Хотелось бы также под конец сказать о том, что я не измеряю и измерять не буду, несмотря на наличие потенциальной возможности. Я весьма негативно отношусь к тестам, в которых измеряется абсолютно максимальная выдаваемая блоком питания мощность – когда в ходе теста нагрузка на блок повышается до момента срабатывания защиты или же просто сгорания блока. Такие тесты дают слишком сильный разброс результатов не только в зависимости от конкретного экземпляра блока, но и в зависимости от того, как именно экспериментатор его нагружает – то есть как распределяется нагрузка по шинам блока. Кроме того, для нормального функционирования компьютера нужна не некая номинальная способность блока питания держать такую-то мощность, а способность выдавать напряжения и пульсации в пределах установленного стандартом допуска, на что в таких тестах, к сожалению, внимание обычно не обращается. Поэтому получаемые в подобных тестах цифры хоть и весьма красивы, но, увы, имеют не слишком много отношения к реальности.

Итак, разработанная нами на данный момент методика тестирования блоков питания позволяет не только весьма детально исследовать поведение блока питания, но и наглядно сравнить различные блоки питания – и особенно наглядным это стало благодаря построению кросс-нагрузочных характеристик, по которым можно весьма объективно и без дополнительных оговорок сказать, что из себя представляет тот или иной блок.

Линейный и импульсный источники питания

Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения 110-230 В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, - 12 В, 5 В и 3,3 В (а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже). Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений.

Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, - линейный и импульсный. В основе простейшего линейного БП лежит трансформатор, на котором напряжение переменного тока понижается до требуемого значения, и затем ток выпрямляется диодным мостом.

Однако от БП требуется еще и стабилизация выходного напряжения, что обусловлено как нестабильностью напряжения в бытовой сети, так и падением напряжения в ответ на увеличение тока в нагрузке.

Чтобы компенсировать падение напряжения, в линейном БП параметры трансформатора рассчитываются так, чтобы обеспечить избыточную мощность. Тогда при высоком токе в нагрузке будет наблюдаться требуемый вольтаж. Однако и повышенное напряжение, которое возникнет без каких-либо средств компенсации при низком токе в полезной нагрузке, тоже неприемлемо. Избыточное напряжение устраняется за счет включения в цепь неполезной нагрузки. В простейшем случае таковой является резистор или транзистор, подключенный через стабилитрон (Zener diode). В более продвинутом - транзистор управляется микросхемой с компаратором. Как бы то ни было, избыточная мощность просто рассеивается в виде тепла, что отрицательно сказывается на КПД устройства.

В схеме импульсного БП возникает еще одна переменная, от которой зависит напряжение на выходе, в дополнение к двум уже имеющимся: напряжению на входе и сопротивлению нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоит ключ (которым в интересующем нас случае является транзистор), управляемый микроконтроллером в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Чем выше длительность открытых состояний транзистора по отношению к их периоду (этот параметр называется duty cycle, в русскоязычной терминологии используется обратная величина - скважность), тем выше напряжение на выходе. Из-за наличия ключа импульсный БП также называется Switched-Mode Power Supply (SMPS).

Через закрытый транзистор ток не идет, а сопротивление открытого транзистора в идеале пренебрежимо мало. В действительности открытый транзистор обладает сопротивлением и рассеивает какую-то часть мощности в виде тепла. Кроме того, переход между состояниями транзистора не идеально дискретный. И все же КПД импульсного источника тока может превышать 90%, в то время как КПД линейного БП со стабилизатором в лучшем случае достигает 50%.

Другое преимущество импульсных источников питания состоит в радикальном уменьшении габаритов и массы трансформатора по сравнению с линейными БП такой же мощности. Известно, что чем выше частота переменного тока в первичной обмотке трансформатора, тем меньше необходимый размер сердечника и число витков обмотки. Поэтому ключевой транзистор в цепи размещают не после, а до трансформатора и, помимо стабилизации напряжения используют для получения переменного тока высокой частоты (для компьютерных БП это от 30 до 100 кГц и выше, а как правило - около 60 кГц). Трансформатор, работающий на частоте электросети 50-60 Гц, для мощности, требуемой стандартным компьютером, был бы в десятки раз массивнее.

Линейные БП сегодня применяются главным образом в случае маломощных устройств, когда относительно сложная электроника, необходимая для импульсного источника питания, составляет более чувствительную статью расходов в сравнении с трансформатором. Это, к примеру, блоки питания на 9 В, которые используются для гитарных педалей эффектов, а когда-то - для игровых приставок и пр. А вот зарядники для смартфонов уже сплошь импульсные - тут расходы оправданны. Благодаря существенно меньшей амплитуде пульсаций напряжения на выходе линейные БП также применяются в тех областях, где это качество востребованно.

⇡ Общая схема блока питания стандарта ATX

БП настольного компьютера представляет собой импульсный источник питания, на вход которого подается напряжение бытовой электросети с параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на выходе есть ряд линий постоянного тока, основные из которых имеют номинал 12, 5 и 3,3 В. Помимо этого, БП обеспечивает напряжение -12 В, а когда-то еще и напряжение -5 В, необходимое для шины ISA. Но последнее в какой-то момент было исключено из стандарта ATX в связи с прекращением поддержки самой ISA.

На упрощенной схеме стандартного импульсного БП, представленной выше, можно выделить четыре основных этапа. В таком же порядке мы рассматриваем компоненты блоков питания в обзорах, а именно:

фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
основной трансформатор;
вторичная цепь - выпрямители тока со вторичной обмотки трансформатора (rectifiers), сглаживающие фильтры на выходе (filtering).

⇡ Фильтр ЭМП

Фильтр на входе БП служит для подавления двух типов электромагнитных помех: дифференциальных (differential-mode) - когда ток помехи течет в разные стороны в линиях питания, и синфазных (common-mode) - когда ток течет в одном направлении.

Дифференциальные помехи подавляются конденсатором CX (крупный желтый пленочный конденсатор на фото выше), включенным параллельно нагрузке. Иногда на каждый провод дополнительно вешают дроссель, выполняющий ту же функцию (нет на схеме).

Фильтр синфазных помех образован конденсаторами CY (синие каплевидные керамические конденсаторы на фото), в общей точке соединяющими линии питания с землей, и т.н. синфазным дросселем (common-mode choke, LF1 на схеме), ток в двух обмотках которого течет в одном направлении, что создает сопротивление для синфазных помех.

В дешевых моделях устанавливают минимальный набор деталей фильтра, в более дорогих описанные схемы образуют повторяющиеся (полностью или частично) звенья. В прошлом нередко встречались БП вообще без фильтра ЭМП. Сейчас это скорее курьезное исключение, хотя, покупая совсем дешевый БП, можно, все-таки нарваться на такой сюрприз. В результате будет страдать не только и не столько сам компьютер, сколько другая техника, включенная в бытовую сеть, - импульсные БП являются мощным источником помех.

В районе фильтра хорошего БП можно обнаружить несколько деталей, защищающих от повреждения само устройство либо его владельца. Почти всегда есть простейший плавкий предохранитель для защиты от короткого замыкания (F1 на схеме). Отметим, что при срабатывании предохранителя защищаемым объектом является уже не блок питания. Если произошло КЗ, то, значит, уже пробило ключевые транзисторы, и важно хотя бы предотвратить возгорание электропроводки. Если в БП вдруг сгорел предохранитель, то менять его на новый, скорее всего, уже бессмысленно.

Отдельно выполняется защита от кратковременных скачков напряжения с помощью варистора (MOV - Metal Oxide Varistor). А вот никаких средств защиты от длительного повышения напряжения в компьютерных БП нет. Эту функцию выполняют внешние стабилизаторы со своим трансформатором внутри.

Конденсатор в цепи PFC после выпрямителя может сохранять значительный заряд после отключения от питания. Чтобы беспечного человека, сунувшего палец в разъем питания, не ударило током, между проводами устанавливают разряжающий резистор большого номинала (bleeder resistor). В более изощренном варианте - вместе с управляющей схемой, которая не дает заряду утекать при работе устройства.

Кстати, наличие фильтра в блоке питания ПК (а в БП монитора и практически любой компьютерной техники он тоже есть) означает, что покупать отдельный «сетевой фильтр» вместо обычного удлинителя, в общем-то, без толку. У него внутри все то же самое. Единственное условие в любом случае - нормальная трехконтактная проводка с заземлением. В противном случае конденсаторы CY, соединенные с землей, просто не смогут выполнять свою функцию.

⇡ Входной выпрямитель

После фильтра переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диодного моста - как правило, в виде сборки в общем корпусе. Отдельный радиатор для охлаждения моста всячески приветствуется. Мост, собранный из четырех дискретных диодов, - атрибут дешевых блоков питания. Можно также поинтересоваться, на какой ток рассчитан мост, чтобы определить, соответствует ли он мощности самого БП. Хотя по этому параметру, как правило, имеется хороший запас.

⇡ Блок активного PFC

В цепи переменного тока с линейной нагрузкой (как, например, лампа накаливания или электроплитка) протекающий ток следует такой же синусоиде, как и напряжение. Но это не так в случае с устройствами, имеющими входной выпрямитель, - такими как импульсные БП. Блок питания пропускает ток короткими импульсами, примерно совпадающими по времени с пиками синусоиды напряжения (то есть максимальным мгновенным напряжением), когда подзаряжается сглаживающий конденсатор выпрямителя.

Сигнал тока искаженной формы раскладывается на несколько гармонических колебаний в сумме с синусоидой данной амплитуды (идеальным сигналом, который имел бы место при линейной нагрузке).

Мощность, используемая для совершения полезной работы (которой, собственно, является нагрев компонентов ПК), указана в характеристиках БП и называется активной. Остальная мощность, порождаемая гармоническими колебаниями тока, называется реактивной. Она не производит полезной работы, но нагревает провода и создает нагрузку на трансформаторы и прочее силовое оборудование.

Векторная сумма реактивной и активной мощности называется полной мощностью (apparent power). А отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (power factor) - не путать с КПД!

У импульсного БП коэффициент мощности изначально довольно низкий - около 0,7. Для частного потребителя реактивная мощность не составляет проблемы (благо она не учитывается электросчетчиками), если только он не пользуется ИБП. На бесперебойник как раз таки ложится полная мощность нагрузки. В масштабе офиса или городской сети избыточная реактивная мощность, создаваемая импульсными БП уже значительно снижает качество электроснабжения и вызывает расходы, поэтому с ней активно борются.

В частности, подавляющее большинство компьютерных БП оснащаются схемами активной коррекции фактора мощности (Active PFC). Блок с активным PFC легко опознать по единственному крупному конденсатору и дросселю, установленным после выпрямителя. В сущности, Active PFC является еще одним импульсным преобразователем, который поддерживает на конденсаторе постоянный заряд напряжением около 400 В. При этом ток из питающей сети потребляется короткими импульсами, ширина которых подобрана таким образом, чтобы сигнал аппроксимировался синусоидой - что и требуется для имитации линейной нагрузки. Для синхронизации сигнала потребления тока с синусоидой напряжения в контроллере PFC имеется специальная логика.

Схема активного PFC содержит один или два ключевых транзистора и мощный диод, которые размещаются на одном радиаторе с ключевыми транзисторами основного преобразователя БП. Как правило, ШИМ-контроллер ключа основного преобразователя и ключа Active PFC являются одной микросхемой (PWM/PFC Combo).

Коэффициент мощности у импульсных блоков питания с активным PFC достигает 0,95 и выше. Кроме того, у них есть одно дополнительное преимущество - не требуется переключатель сети 110/230 В и соответствующий удвоитель напряжения внутри БП. Большинство схем PFC переваривают напряжения от 85 до 265 В. Кроме того, снижается чувствительность БП к кратковременным провалам напряжения.

Кстати, помимо активной коррекции PFC, существует и пассивная, которая подразумевает установку дросселя большой индуктивности последовательно с нагрузкой. Эффективность ее невелика, и в современном БП вы такое вряд ли найдете.

⇡ Основной преобразователь

Общий принцип работы для всех импульсных БП изолированной топологии (с трансформатором) один: ключевой транзистор (или транзисторы) создает переменный ток на первичной обмотке трансформатора, а ШИМ-контроллер управляет скважностью их переключения. Конкретные схемы, однако, различаются как по количеству ключевых транзисторов и прочих элементов, так и по качественным характеристикам: КПД, форма сигнала, помехи и пр. Но здесь слишком многое зависит от конкретной реализации, чтобы на этом стоило заострять внимание. Для интересующихся приводим набор схем и таблицу, которая позволит по составу деталей опознавать их в конкретных устройствах.

	Транзисторы	Диоды	Конденсаторы	Ножки первичной обмотки трансформатора
Single-Transistor Forward	1	1	1	4
	2	2	0	2
	2	0	2	2
	4	0	0	2
	2	0	0	3

Помимо перечисленных топологий, в дорогих БП встречаются резонансные (resonant) варианты Half Bridge, которые легко опознать по дополнительному крупному дросселю (или двум) и конденсатору, образующим колебательный контур.

Single-Transistor Forward

⇡ Вторичная цепь

Вторичная цепь - это все, что находится после вторичной обмотки трансформатора. В большинстве современных блоков питания трансформатор имеет две обмотки: с одной из них снимается напряжение 12 В, с другой - 5 В. Ток сначала выпрямляется с помощью сборки из двух диодов Шоттки - одной или нескольких на шину (на самой высоконагруженной шине - 12 В — в мощных БП бывает четыре сборки). Более эффективными с точки зрения КПД являются синхронные выпрямители, в которых вместо диодов используются полевые транзисторы. Но это прерогатива по-настоящему продвинутых и дорогих БП, претендующих на сертификат 80 PLUS Platinum.

Шина 3,3 В, как правило, выводится от той же обмотки, что и шина 5 В, только напряжение понижается с помощью насыщаемого дросселя (Mag Amp). Специальная обмотка на трансформаторе под напряжение 3,3 В - экзотический вариант. Из отрицательных напряжений в текущем стандарте ATX осталось только -12 В, которое снимается со вторичной обмотки под шину 12 В через отдельные слаботочные диоды.

ШИМ-управление ключом преобразователя изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно - на всех вторичных обмотках сразу. При этом потребление тока компьютером отнюдь не равномерно распределено между шинами БП. В современном железе наиболее нагруженной шиной является 12-В.

Для раздельной стабилизации напряжений на разных шинах требуются дополнительные меры. Классический способ подразумевает использование дросселя групповой стабилизации. Три основные шины пропущены через его обмотки, и в результате если на одной шине увеличивается ток, то на других - падает напряжение. Допустим, на шине 12 В возрос ток, и, чтобы предотвратить падение напряжения, ШИМ-контроллер уменьшил скважность импульсов ключевых транзисторов. В результате на шине 5 В напряжение могло бы выйти за допустимые рамки, но было подавлено дросселем групповой стабилизации.

Напряжение на шине 3,3 В дополнительно регулируется еще одним насыщаемым дросселем.

В более совершенном варианте обеспечивается раздельная стабилизация шин 5 и 12 В за счет насыщаемых дросселей, но сейчас эта конструкция в дорогих качественных БП уступила место преобразователям DC-DC. В последнем случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением 12 В, а напряжения 5 В и 3,3 В получаются благодаря преобразователям постоянного тока. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.

Выходной фильтр

Финальной стадией на каждой шине является фильтр, который сглаживает пульсации напряжения, вызываемые ключевыми транзисторами. Кроме того, во вторичную цепь БП в той или иной мере пробиваются пульсации входного выпрямителя, чья частота равна удвоенной частоте питающей электросети.

В состав фильтра пульсаций входит дроссель и конденсаторы большой емкости. Для качественных блоков питания характерна емкость не менее 2 000 мкФ, но у производителей дешевых моделей есть резерв для экономии, когда устанавливают конденсаторы, к примеру, вдвое меньшего номинала, что неизбежно отражается на амплитуде пульсаций.

⇡ Дежурное питание +5VSB

Описание компонентов блока питания было бы неполным без упоминания об источнике дежурного напряжения 5 В, который делает возможным спящий режим ПК и обеспечивает работу всех устройств, которые должны быть включены постоянно. «Дежурка» питается от отдельного импульсного преобразователя с маломощным трансформатором. В некоторых БП встречается и третий трансформатор, использующийся в цепи обратной связи для изоляции ШИМ-контроллера от первичной цепи основного преобразователя. В других случаях эту функцию выполняют оптопары (светодиод и фототранзистор в одном корпусе).

⇡ Методика тестирования блоков питания

Одним из основных параметров БП является стабильность напряжений, которая находит отражение в т.н. кросс-нагрузочной характеристике. КНХ представляет собой диаграмму, в которой на одной оси отложен ток или мощность на шине 12 В, а на другой - совокупный ток или мощность на шинах 3,3 и 5 В. В точках пересечения при разных значениях обеих переменных определяется отклонение напряжения от номинала на той или иной шине. Соответственно, мы публикуем две разные КНХ - для шины 12 В и для шины 5/3,3 В.

Цвет точки означает процент отклонения:

зеленый: ≤ 1%;
салатовый: ≤ 2%;
желтый: ≤ 3%;
оранжевый: ≤ 4%;
красный: ≤ 5%.
белый: > 5% (не допускается стандартом ATX).

Для получения КНХ используется сделанный на заказ стенд для тестирования блоков питания, который создает нагрузку за счет рассеивания тепла на мощных полевых транзисторах.

Другой не менее важный тест - определение размаха пульсаций на выходе БП. Стандарт ATX допускает пульсации в пределах 120 мВ для шины 12 В и 50 мВ - для шины 5 В. Различают высокочастотные пульсации (на удвоенной частоте ключа основного преобразователя) и низкочастотные (на удвоенной частоте питающей сети).

Этот параметр мы измеряем при помощи USB-осциллографа Hantek DSO-6022BE при максимальной нагрузке на БП, заданной спецификациями. На осциллограмме ниже зеленый график соответствует шине 12 В, желтый - 5 В. Видно, что пульсации находятся в пределах нормы, и даже с запасом.

Для сравнения приводим картину пульсаций на выходе БП старого компьютера. Этот блок изначально не был выдающимся, но явно не стал лучше от времени. Судя по размаху низкочастотных пульсаций (обратите внимание, что деление развертки напряжения увеличено до 50 мВ, чтобы колебания поместились на экран), сглаживающий конденсатор на входе уже пришел в негодность. Высокочастотные пульсации на шине 5 В находятся на грани допустимых 50 мВ.

В следующем тесте определяется КПД блока при нагрузке от 10 до 100% от номинальной мощности (путем сравнения мощности на выходе с мощностью на входе, измеренной при помощи бытового ваттметра). Для сравнения на графике приводятся критерии различных категорий 80 PLUS. Впрочем, большого интереса в наши дни это не вызывает. На графике приведены результаты топового БП Corsair в сравнении с весьма дешевым Antec, а разница не то чтобы очень велика.

Более насущный для пользователя вопрос - шум от встроенного вентилятора. Непосредственно измерить его вблизи от ревущего стенда для тестирования БП невозможно, поэтому мы измеряем скорость вращения крыльчатки лазерным тахометром - также при мощности от 10 до 100%. На нижеприведенном графике видно, что при низкой нагрузке на этот БП 135-миллиметровый вентилятор сохраняет низкие обороты и вряд ли слышен вообще. При максимальной нагрузке шум уже можно различить, но уровень все еще вполне приемлемый.

И.П. Сидоров Ю.А.

внимание. Высокое напряжение, опасно для жизни.

Внимание при реализации приведенной схемы корректора коэффициента мощности необходимо иметь опыт работы с опасными для жизни напряжениями и соблюдать предельную осторожность.

в схеме действует опасное для жизни напряжение 400 вольт

В случае допущения ошибок при сборке, напряжение в схеме может достигать 1000 и более вольт.

В момент включения и проверки собранной схемы необходимо пользоваться защитными очками.

Принципиальная электрическая схема (исправленная) корректора коэффициента мощности показана на рис. 1.

рис. 1. корректор коэффициента мощности - схема. открыть в большом размере
Предыдущая схема - открыть в большом размере

На схеме цветными блоками отмечены функциональные узлы:

Коричневый - фильтр помех;
Синий - модуль мягкого старта (soft-start);
Красный - внутренний источник питания;
Зеленый - корректор коэффициента мощности;
Голубой - модуль контроля рабочих параметров;
Желтый - модуль включения вентилятора принудительного охлаждения.

На исправленном варианте схемы отмечено (доступно и в большом размере):
красный прямоугольником - новые элементы схемы;
зеленым овалом - новые точки подключения конденсаторов C3 и С4.

Фильтр помех защищает питающую сеть от помех генерируемых при коммутации ключевых транзисторов. Также фильтр защищает схему от помех питающей сети и всплесков напряжения в сети.

Модуль мягкого старта ограничивает потребления тока из питающеё сети в момент первичной зарядки выходных электролитических конденсаторов. Этот модуль генерирует инвертированный сигнал KKM_SUCCESS. При появление сигнала (так как сигнал инвертированный - момент при котором напряжение упадет ниже 1В) можно включить нагрузку подключенную к выходу корректора коэффициента мощности. В случае игнорирования этого сигнала некоторые элементы схемы могут выйти из строя.

Внутренний источник питания генерирует постоянное напряжение 15В (допустимы отклонения +/-2В). Это напряжение используется для питания внутренних схем ККМ.

Корректор коэффициента мощности - основная часть схемы. ККМ выполнен на контроллере ir1155s, рабочая частота в данной схеме 160кГц (допустимы отклонения +/-5кГц). Для усиления токов управления коммутирующих транзисторов используется одноканальный драйвер tc4420, драйвер обеспечивает силу тока управляющих сигналов до 6А.

Модуль контроля рабочих параметров контролирует уровень пониженного питающего напряжения; рабочую температуру ККМ, момент достижения номинального напряжения на выходе ККМ

Модуль включения вентилятора принудительного охлаждения выполняет включение вентиляторов при появлении соответствующего сигнала.

Таблицы номиналов элементов схемы ККМ .

При сборке корректора коэффициента мощности необходимо использовать только оригинальные комплектующие. В случае использования неоригинальных комплектующих (контрафактных, поддельных и прочее), ККМ работать не будет или будет работать не верно и пр.

Этап 1. необходимо выполнить монтаж всех элементов за исключением:
R3 - варистор;
L3 - дроссель ККМ
C25.2-C25.4 - выходные электролитические конденсаторы, установить только один.

Монтажная плата спроектирована с учетом установки в корпус из радиаторного профиля. В этом случае стенки корпуса для элементов D1, D9, Q5, Q6 выполняют роль теплоотвода, а отведение тепла от дросселя L3 будет затруднено. Температура дросселя, в этом случае, служит индикатором нагрева всего устройства и поэтому терморезистор R40 устанавливается под дросселем.

В случае использования корпуса конструкции в которой роль теплоотвода для элементов D1, D9, Q5, Q6 будет использоваться радиатор - терморезистор R40 необходимо установить на поверхность радиатора. Необходимо обеспечить электроизоляцию корпуса радиатора и терморезистора.

Затем монтажную плату необходимо очистить от остатков флюса и других загрязнений.

Монтажная плата после этого этапа сборки будет выглядеть следующим образом

рис. 2. Верхняя часть монтажной платы ККМ.

На этой монтажной плате терморезистор и отводящий провод помещены в термоусадочную изоляцию. Так как терморезистор будет прикреплен к радиатору механическим способом, для повышения прочности электроизоляции он помещен в дополнительную термоусадочную изоляцию.

рис. 3. Нижняя часть монтажной платы ККМ.

К плате ККМ нужно подключить вентилятор 12В ток не более 0,2А.

ВНИМАНИЕ!!! В устройстве действует опасное для жизни напряжение 400 вольт.

Плату ККМ необходимо подключить к регулируемому источнику переменного напряжения 220В 50 Гц с ограничением силы тока 0,05 А.

После подачи питания, светодиод D8 должен светиться, напряжение на стабилитроне D5 должно быть в пределах 14-17 вольт. В случае отсутствия напряжения, необходимо проверить напряжение на конденсаторе С12 оно должно быть около 310 вольт. Если напряжение присутствует это означает неработоспособность дежурного источника питания. Частой причиной его неработоспособности является неверная сборка импульсного трансформатора T1.

Напряжение на выводе 4 микросхемы U1 (ir1155s) должно быть около 3,62 В, напряжение на выводе 6 около 3,75 В.

С помощью осциллографа необходимо проверить работу модуля ККМ. Для этого щуп осциллографа нужно подключить к выводу 6 или 7 микросхемы U3 (tc4420). Импульсы на выводе должны соответствовать следующему изображению.

рис. 4. График сигналов на выходе микросхемы драйвера tc4420.

Частота импульсов должна быть 160кГц (+/- 5кГц). Частота импульсов задается конденсатором С10. Увеличение емкости приводит к уменьшению частоты.

Амплитуда сигналов на выводах SG силовых транзисторов будет немного ниже, чем на выводе их драйвера (рис. 5).

рис. 5. График сигналов на выходах SG силовых транзисторов.

При этом график сигнала на резисторах Rg (R17, R18) будет следующим (рис. 6).

рис. 6. График сигнала на резисторах Rg (R17, R18).

Далее, контролируя сигналы на выводе драйвера, необходимо плавно уменьшать напряжение. При входном напряжении 150-155 вольт, генерация импульсов должна прекратиться. После прекращения генерации импульсов, входное напряжение необходимо плавно увеличивать, при входном напряжении 160-165 вольт, генерация импульсов должна возобновиться.

Продолжая плавно увеличивать напряжение, при достижении 270-280 вольт (АС) должны сработать реле (определить можно по их характерному звуку). Напряжение сигнала KKM_SUCCESS должно быть не более 1 вольта. Затем напряжение необходимо плавно уменьшать, при снижении напряжения до 250-260 вольт, реле должны выключиться, сигнал на выходе KKM_SUCCESS должен быть более 5 вольт.

Используя термофен, необходимо нагреть терморезистор, при достижении температуры 45-50 С° должен включиться вентилятор, при достижении температуры 75-85 С° генерация импульсов должна прекратиться. Во время остывания терморезистора последовательно должны возобновиться генерация импульсов и выключиться вентилятор.

Отключите питание.

ВНИМАНИЕ!!! после отключения питания в схеме некоторое время (несколько минут) будет сохраняться опасное для жизни напряжение.

Этап 3. Необходимо установить оставшиеся элементы схемы: R3, L3, C25.2-C25.4 и теплотвод для элементов D1, D9, Q5, Q6. На теплоотвод необходимо установить терморезистор обеспечив низкое тепловое сопротивление между ними. Также необходимо обеспечить низкое тепловое сопротивление между D1, D9, Q5, Q6 и радиатором. В случае затрудненной передачи тепла к радиатору эти элементы выйдут из строя.

Качество установки радиатора, с точки зрения теплоотведения, удобно проконтролировать с помощью тепловизора.

Теплоотвод нужно соединить с шиной Earth (на монтажной плате рядом с Y конденсаторами имеются необходимые для этого монтажные отверстия).

Крайне важно проверить электроизоляцию между шинами Earth и N или L (шины N-L используются для подачи электропитания). Напряжение пробоя электроизоляции должно быть не менее 1000 Вольт. Проверять напряжение пробоя изоляции свыше 1000 Вольт не следут. Эту процедуру можно выполнить с помощью специального прибора - тестера электроизоляции.

ВНИМАНИЕ!!!. В случае нарушения проверяемой электроизояции, при проверке некоторые элементы схемы могут выйти из строя.

Пример сборки корректора коэффициента мощности показан на следующих изображениях.

Этап 4. Подключите ККМ к питающий сети ограничив потребляемую силу тока 10А. После включения напряжение на выходе ККМ должно быть около 385-400 В. Также должен быть слышен звук включения реле. Подключите к выходу ККМ резистивную нагрузку 300 Ом. Напряжение на выходе ККМ должно остаться в техже пределах. PF должен быть не ниже 0,7.

Подключите ККМ к питающей сети без ограничителя тока. Увеличивая нагрузку до 2000 ватт PF должен также возрастать до значения не ниже 0,95. График PF в зависимости от нагрузки показан на рис. 7.

рис. 7. График зависимости PF от нагрузки.

Если значение PF не увеличивается до значения 0,95 при увеличении нагрузки это свидетельствует о некорректной работе ККМ. Вероятными причинами такой некорректной могут быть: резистивный датчик тока, дроссель, ошибки при изготовлении монтажной платы, контрафактные элементы D9, Q5, Q6, С18.1, C18.2, внутренний источник питания недостаточной мощности.

Осциллограммы потребляемых токов и выходных пульсаций.

В ходе нагрузочных тестов был определен КПД (рис. 8). Если принять во внимание погрешность измерительных приборов, вероятно, реальный КПД будет на 1-2% ниже. КПД был измерен при подключении ККМ к питающей сети с помощью двух дополнительных фильтров синфазных помех.

рис. 8. КПД корректора коэффициента мощности.

Данные для обоих графиков были получены при напряжениях питающей сети 200 и 240 вольт.

Этап 5. После всех проверок, разрядный резистор R23 можно удалить. Сборку и проверку ККМ на этом этапе можно считать завершенной.

Вопросы и предложения пишите на адрес электронной почты с пометкой ККМ или PFC.

Содержимое корзины

Articles

За и против блока питания с активным PFC

Стабильная работа компьютера напрямую зависит от качественного напряжения которое мы подпитываем его. Поскольку многим из нас не подвластно контролировать качество напряжения в сети, но зато мы можем с помощью добротного блока питания подстраховать нас от нежелательных проблем.
Итак, современные многоядерные процессоры, видеокарты (уже модно стало ставить их парами), различные USB-приборы (зачастую запитывающиеся от компьютера) вынуждают нас приобретать все более мощные блоки питания (БП). А между тем, практически все современные БП уважаемых брэндов с мощностью от 450 Вт оснащаются устройствами коррекции коэффициента мощности (PFC - Power Factor Correction ).

Что такое PFC и что нам от этого?

Пассивный RFC

Является наиболее простым и распространенным, и представляет собой обычный дроссель большой емкости (и размеров), включенный последовательно с блоком питания. Надо сказать, что проблему он практически не решает, а места занимает много.

Активный PFC

Представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение. Результирующий коэффициент мощности такого блока может достигать 0,95...0,98 при работе с полной нагрузкой.
Помимо того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, он еще и улучшает работу блока питания - дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока: блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению.
Также при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110...230В, не требующие ручного переключения напряжения сети.
Также использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения - в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя. Ещё одним преимуществом использования активного PFC является более низкий уровень высокочастотных помех на выходных линиях, то есть такие БП рекомендуются для использования в ПК с периферией, предназначенной для работы с аналоговым аудио/видео материалом.

Одним словом, все говорит в пользу использования БП с активным PFC - именно он и обеспечит тот высококачественный бензин для наших компьютеров!
Скрытая проблема о котором и не догадывались: ИБП для БП с активным PFC

Вот, купили вы компьютер - не пожалели денег на блок питания и все такое. Работаете, играете, все в порядке - душа радуется. К сожалению не все так легко и просто как нам хотелось бы, так как сеть у нас не идеальная, то мы будем иметь дело со скачками и провалами электричества.
Ну, тут все просто, - скажете вы. Покупайте ИБП (Источник Бесперебойного Питания - бесперебойник), втыкай в него монитор и системный блок, и всегда успеешь сделать Shut Down (Отключение) своей Винде. Главное - чтобы мощность ИБП (он же UPS - Uninterruptible Power Supply) coответствовала мощности блока питания компьютера плюс потребляемая мощность монитора.
Но дело в том, что эксплуатация БП с активным PFC совместно с дешёвыми ИБП, выдающими ступенчатый сигнал при работе от батарей, может приводить к сбоям в работе компьютера, поэтому производители рекомендуют использовать в таких случаях ИБП класса Smart, всегда подающие на выход синусоидальный сигнал.
Есть еще один нюанс. Все ИБП грубо делятся на резервные, линейно-интерактивые и непрерывного действия (OnLine). Для первых двух время переключения питания с внешней сети на батареи составляет несколько миллисекунд, и этого в случае обычных блоков питания оказывается достаточно. А вот БП с активным PFC при исчезновении питания мгновенно и резко увеличивает потребление электричества в несколько раз. При этом ваш бесперебойник либо отключается, либо сгорает, а компьютер аварийно обесточивается со всеми вытекающими аппаратными, программными и финансовыми последствиями.

Есть 4 варианта выхода из сложившейся ситуации:

Раз уж вы приобрели классный блок питания с активной компенсацией мощности, а электричество у вас часто пропадает или просто скачет (как и везде в нашей стране, где электросети не рассчитаны на всеобщую компьютеризацию), и существование без бесперебойника радостным не назовешь, тогда выбирайте способ решения проблемы сами.

1. Самый дешевый (но не всегда приемлемый). Поменять БП на другой, без активной PFC.

2. Обходиться без UPS . Это чревато тем, что может сгореть материнка (финансовые затраты), может слететь система (затраты времени на ее переустановку), но хуже всего, что может накрыться винт, и вся ваша работа может накрыться медным тазом прямо перед сдачей заказчику.

3. Самый верный выход (не из дешевых, затраты - от 300 у.е.). Покупка ИБП непрерывного действия (OnLine). В таких источниках бесперебойного питания применяется технология двойного преобразования напряжения, что обеспечивает превосходную защиту, как обычных компьютеров, так и серверов.

Механизм двойного преобразования напряжения позволяет устранить все помехи, возникающие в сети электропитания. Выпрямитель преобразует переменное напряжение электросети в постоянное. Постоянное напряжение используется для зарядки батарей и питания инвертора. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное (с сигналом синусоидальной формы), которое непрерывно питает компьютер.
При отсутствии напряжения в сети питание инвертора осуществляется при помощи батарей, таким образом, компьютер не останется без электричества ни на мгновение!

4. Тоже выход . Не дешевле предыдущего, но более громоздкий - это покупка линейно-интерактивного ИБП типа Smart (с синусоидой на выходе) с запасом по мощности в 3-5 раз (это обязательное условие!). Стоить он будет в тех же пределах, что и OnLine, но весить будет гораздо больше! Да и вентилятор в нем будет помощнее (и погромче).
Вот такие мины заложил мир компьютеров в кошельки наивных пользователей:))) Может вы, уважаемый читатель, думаете, что мы преувеличиваем проблему? - Отнюдь. Вот и на сайтах уважаемых производителей UPS (например, АРС) так об этом и пишут - не работают, мол, резервные и линейно-интерактивные ИБП с активными PFC!