Блоки питания стандарта ATX

Блоки питания стандарта ATX.

Используемые в настоящее время в электронной аппаратуре блоки питания (БП) можно разделить на нестабилизированные и стабилизированные. Последние отличаются наличием специальной схемы, поддерживающей выходное напряжение постоянным вне зависимости от колебаний напряжения на входе или мощности нагрузки. В свою очередь, стабилизированные БП можно грубо разделить на два класса по типу используемого стабилизатора: линейные и импульсные.

Блок питания с линейным стабилизатором крайне прост (рис. 1): трансформатор T1 преобразует напряжение сети (220 или 110 В) в близкое к требуемому, затем оно выпрямляется диодным мостом D1, его пульсации сглаживаются конденсатором C1, и уже постоянное напряжение поступает на вход стабилизатора. Последний состоит из регулирующего элемента — транзистора Q1 и управляющей схемы U1, конкретная конструкция которой может меняться в зависимости от требований к устройству. Такая схема очень проста, но при этом обеспечивает на выходе постоянное напряжение, причем точность поддержания его уровня может быть очень высокой. К сожалению, у этой системы есть два принципиальных недостатка, устранить которые практически невозможно. Во-первых, это трансформатор: из-за низкой частоты напряжения в сети (50 или 60 Гц в зависимости от страны) его габариты и масса, мягко говоря, велики. Так, масса даже самого компактного трансформатора тороидального типа на сравнительно скромную мощность 150 Вт несколько килограммов, диаметр порядка 11 см, высота 5 см; трансформатор же на вполне уже обыденную мощность 300–400 Вт не войдет в габариты современного компьютерного блока питания.

Другой принципиальный недостаток БП с линейными стабилизаторами вытекает из принципа работы самого стабилизатора: дело в том, что «излишки» напряжения падают на регулирующем транзисторе, т. е. практически он играет роль переменного резистора, только управляется напряжением с блока U1 (как видно из схемы), а не поворотом ручки. Соответственно на этом транзисторе будет выделяться в виде тепла мощность P=UЧI, где U — разница между входным и выходным напряжениями стабилизатора, а I — отдаваемый им в нагрузку ток. А так как для нормальной работы мощного стабилизатора необходимо, чтобы разница напряжений была порядка нескольких вольт, то и выделяемая мощность оказывается большой. Скажем, если попробовать сконструировать линейный блок питания, отвечающий требованиям, которые предъявляются к современному 300-Вт ATX-блоку, то один только стабилизатор напряжения +12 В на полной нагрузке будет рассеивать до 50 Вт. Такая высокая выделяемая мощность требует соответствующего охлаждения — то есть крупных радиаторов с обдувом сравнительно мощными вентиляторами, что никак не может устроить нас ни по габаритам, ни по уровню шума.

Для решения этих проблем приходится использовать принципиально иной тип блока питания — так называемый импульсный (в зарубежной литературе — SMPS, switching mode power supply). Даже из блок-схемы видно, что его устройство значительно сложнее (рис. 2). Основа импульсного БП — это контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), блок транзисторных ключей и высокочастотный трансформатор. Переменное напряжение питающей сети выпрямляется диодным мостом D1 и сглаживается двумя последовательно

включенными конденсаторами C1 и C2 (в зависимости от конкретной реализации блока конденсатор может быть и один, но такая схема встречается реже), после чего полученное постоянное напряжение (для сети переменного тока 220 В это будет более 300 В) подается на транзисторы силового ключа. Транзисторы работают только в так называемом ключевом режиме, т. е. они либо полностью открыты, либо полностью закрыты, в результате чего выделяемая на них тепловая мощность минимальна, поскольку в открытом состоянии крайне невелико падение напряжения на транзисторе, а в закрытом — практически равен нулю ток через него. Их произведение будет мало и в том и в другом случае. Таким образом, мы избавились от одного из двух недостатков линейного стабилизатора — большой мощности, рассеиваемой на транзисторе.

Другой недостаток — большие габариты трансформатора — преодолевается без особых проблем, ведь трансформатор теперь подключен не к низкочастотной электросети, а к блоку ключей, частоту работы которого мы задаем сами. Габариты же трансформатора сильно уменьшаются с увеличением его рабочей частоты: так, трансформатор на те же 150 Вт, но уже работающий на частоте 60 кГц, будет кубом со стороной всего около 3 см.

Регулировка же выходных напряжений осуществляется изменением ширины импульсов, подаваемых с ШИМ-контроллера (отсюда и его название) на блок транзисторных ключей. Чем шире импульс, тем больше энергии он «накачает» в трансформатор, и тем больше будет напряжение на его вторичных обмотках. ШИМ-контроллер следит за выходными напряжениями блока и при их изменении подстраивает ширину импульсов так,

чтобы оно вернулись в заданные пределы.

Однако выходных напряжений в компьютерном блоке питания много, а сделать на каждое по собственному стабилизатору невозможно. Поэтому в блок устанавливается только один импульсный стабилизатор, непосредственно отслеживающий сразу два основных напряжения: +5 и +12 В. Разумеется, это приведет к тому, что при увеличении нагрузки на +5-В ШИМ-контроллер увеличит ширину импульсов, чтобы скомпенсировать возросшее падение напряжения на шине +5 В, а это, в свою очередь, приведет к увеличению всех остальных напряжений, поскольку трансформатор общий для всех. Для компенсации этого эффекта в схему введен так называемый дроссель групповой стабилизации L1, через который проходят все выходные напряжения;

разумеется, полностью избавиться от всех побочных эффектов он не позволяет, но все же заметно улучшает ситуацию. Такая схема типична для компьютерных блоков питания.

Стандарты блоков питания

AT

Первым стандартным форматом компьютерных блоков питания был AT, соответствующие ему БП и корпуса исчезли из продажи только несколько лет назад.Блок питания стандарта AT обеспечивал компьютер четырьмя постоянными напряжениями — +5, +12, –5 и –12 В. Однако по мере развития процессоров и всевозможной периферии, во-первых, росла общая потребляемая компьютером мощность, во-вторых, все больше сказывалось отсутствие в AT-блоках напряжения +3,3 В, которое приходилось получать непосредственно на системной плате отдельным стабилизатором. Кроме того, формат корпусов AT был не очень удобен для сборки компьютеров и не оптимизирован с точки зрения охлаждения.

Все это привело к разработке компанией Intel в 1995 г. формата ATX — нового типа корпусов и блоков питания.

ATX

В блоке питания ATX количество выходных напряжения увеличилось: добавились напряжения +3,3 и +5 В SB (Stand-By). Последнее было введено для реализации таких функций, как «пробуждение» компьютера по сигналу из локальной сети, от модема, по нажатию клавиши на клавиатуре или мыши, а также для реализации «дремлющего» режима S3 Suspend-to-RAM, в котором все текущие данные хранятся в оперативной памяти даже при выключенном компьютере. Очевидно, что напряжение +5 В SB должно присутствовать вне зависимости от того, включен или выключен компьютер (если, конечно, он физически не отключен от розетки), поэтому его стабилизатор — это практически отдельный миниатюрный маломощный блок питания, функционирующий непрерывно. Если в формате AT кнопка включения компьютера снимала с блока питания напряжение 220 В, то в ATX кнопка включения лишь дает на блок питания команду остановить ШИМ-контроллер основного стабилизатора, но сам блок при этом остается подключенным к сети, и в нем продолжает работать стабилизатор дежурного режима +5 В SB. Для того чтобы отключить блок полностью, требуется либо воспользоваться имеющейся на многих моделях клавишей на задней стенке блока, либо физически отключить его от сети 220 В.

Постепенно в стандарт ATX вносились изменения, но до определенного момента они не оказывали существенного влияния на блок питания. Новой тенденцией, приведшей к заметному с точки зрения пользователя изменению БП, был переход на 12-В питание стабилизатора процессора.

ATX12V

До выпуска компанией Intel процессора Pentium 4 со значительной потребляемой мощностью обычным решением было питание стабилизатора процессора от +5-В шины. Очевидно, что для процессора с потребляемой мощностью, скажем, 50 Вт даже без учета потерь на расположенном на системной плате стабилизаторе (а это еще как минимум 10%) ток при питании от упомянутой шины составит 10 А, что весьма немало. Такие токи, во-первых, осложняют размещение компонентов на системной плате, ибо крупный разъем питания ATX зачастую трудно расположить в удобном для разработчика печатной платы месте (как можно ближе к стабилизатору питания процессора), а во-вторых, недостаточно плотный контакт в разъеме питания системной платы вызывал перегрев контактов и разъема с дальнейшим ухудшением контакта и более чем вероятными сбоями системы. Выходом из этой ситуации стал переход на питание стабилизатора ЦП от +12-В шины. Известно, что если напряжение в 2,4 раза больше, то ток при той же потребляемой мощности будет в 2,4 раза меньше, а, кроме того, установленный на плате стабилизатор, как и любой преобразователь постоянного тока, увеличивает свой КПД с ростом входного напряжения. Однако возникла другая проблема: поскольку до последнего времени серьезных потребителей +12 В на системной плате не было, то в разъеме ее питания был предусмотрен всего один провод для этого напряжения, что могло привести к перегреву и обгоранию контактов из-за чрезмерно большого тока через них. Эта проблема была решена добавлением еще одного разъема питания системной платы — маленького четырехконтактного ATX12V, который не только добавил два дополнительных провода +12 В, но и благодаря своим скромным размерам позволил размещать его рядом со стабилизаторами питания процессора, серьезно упростив работу разработчикам печатных плат. Таким образом, летом 2000 г. компания Intel выпустила инженерное дополнение к стандарту ATX 2.03, названное «ATX12V». Помимо вышеупомянутого разъема, в нем были ужесточены требования к блоку питания: при той же суммарной выходной мощности, что и раньше, блок должен был обеспечивать большие токи по шинам +12 и +3,3 В. Более того, устанавливалась нижняя граница максимального тока по шине +12 В — 10 А вне зависимости от суммарной мощности БП; блок, не обеспечивающий такого тока, не может считаться соответствующим стандарту ATX12V.

Так как физически новые блоки отличались от старых лишь дополнительным разъемом, то в продаже в большом количестве появились различные переходники для адаптации ATX-блоков питания к стандарту ATX12V. Разумеется, в связи с возросшими требованиями к нагрузочным токам для мощных систем такая адаптация была некорректна, но у систем со сравнительно небольшим энергопотреблением никаких проблем не возникало.

Следующее заметное изменение принесла версия 1.2 все того же стандарта ATX12V. Напряжение –5 В, до этого момента обязательное для всех блоков питания, практически уже не использовалось: оно подавалось только на системную плату и разъемы ISA, которые уже давно не используются. Даже в более старых компьютерах, где еще использовались ISA-платы, это напряжение, как правило, не требовалось. В связи с этим в стандарте ATX12V 1.2 напряжение –5 В стало необязательным, и вскоре на рынке появились БП, у которых в разъеме питания системной платы отсутствовал соответствующий провод.

Тем временем наметилась новая тенденция: если раньше потребление по шине +3,3 В росло, то теперь оно, напротив, стало падать, ибо все больше производителей стали использовать на своих платах отдельные стабилизаторы, питающиеся от +5 или чаще +12 В и формирующие необходимые для платы напряжения. Более того, современные графические платы питаются уже не от AGP, а от отдельного разъема питания, на который просто не заводится напряжение +3,3 В. Соответственно, требования к этому напряжению падают, а к нагрузочной способности по шине +12 В, наоборот, увеличиваются, особенно учитывая постоянно растущее энергопотребление процессоров.

ATX12V 2.0

Для удовлетворения вышеописанных требований был разработан стандарт ATX12V, версия 2.0 (не путать со стандартом ATX 2.0; ATX12V 2.0 соответствует версии 2.2 стандарта ATX). Это не просто косметические улучшения БП: изменения довольно серьезны, и старые блоки питания, хотя и будут частично совместимы с системными платами стандарта ATX12V 2.0, во многих случаях придется заменить.

Основное отличие нового стандарта в том, что теперь в блоке питания предусмотрены сразу две шины +12 В. Связано это с тем, что увеличить нагрузочный ток по одной шине выше 20 А нельзя — по требованиям стандартов безопасности мощность цепей, к которым есть открытый доступ для оператора, не должна превышать 240 В·А (12 ВЧ20 А). При этом заметно уменьшились максимальные нагрузочные токи по шинам +3,3 и +5 В (до полутора раз по сравнению с блоками ATX12V 1.1 той же мощности).

Претерпел изменения и разъем питания системной платы. Если раньше это был 20-контактный разъем Molex 39-01-2200 (рис. 3, слева), то теперь он заменен на 24-контактный Molex 39-01-2240 (рис. 3, справа) — добавилось по одному контакту +12, +3,3, +5 В и «земля». Легко заметить, что двадцать крайних контактов у обоих разъемов совершенно одинаковы, поэтому блок питания ATX12V 2.0 можно использовать в паре с ATX12V 1.1-платой (если сбоку от ее разъема питания есть свободное место для четырех «лишних» контактов разъема) и наоборот, однако в последнем случае надо учитывать, что с мощной системой ATX12V 2.0 с большим энергопотреблением блок питания, соответствующий старому стандарту, может не справиться.

Привычный четырехконтактный разъем ATX12V, предназначенный для питания стабилизатора процессора, в новом стандарте не изменился, но теперь на него подается напряжение +12 В с другого источника, так что процессор имеет свое собственное питание, до некоторой степени независимое от питания системной платы и различной периферии, что должно положительно сказаться на качестве питающих напряжений.

Также из нового стандарта полностью исчезло напряжение –5 В: оно не предусмотрено даже как необязательное. Вместе с ним исчез и появившийся несколькими годами раньше в стандарте ATX 2.01 разъем AUX для дополнительной подпитки системной платы (на него выводились напряжения +5 и +3,3 В, а сам разъем напоминал разъемы питания системных плат форм-фактора AT); несмотря на рекомендацию использовать его в системах с большим энергопотреблением, на практике системные платы с таким разъемом практически не выпускались. Кроме того, разъемы питания Serial ATA-винчестеров теперь стали обязательны, впрочем, последние модели блоков питания ATX12V 1.1 уже выпускались с ними.

Также стоит отметить появление в стандарте рекомендаций по максимальным нагрузочным токам для БП мощностью 350 и 400 Вт — до этого регламентировались токи для блоков питания до 300 Вт включительно, что оставляло производителям более мощных БП больший простор для выбора характеристик, а это, в свою очередь, приводило к тому, что блоки большой мощности сильно различались между собой по возможностям, а некоторые не во всем превосходили даже стандартный 300 Вт блок питания.

На сегодня блоков стандарта ATX12V 2.0 в широкой продаже нет, ожидать их появления стоит разве что вместе с появлением корпусов и системных плат нового стандарта BTX.

EPS12V

EPS12V — это стандарт для серверов начального уровня. Но в продаже достаточно часто встречаются соответствующие ему блоки питания мощностью 400–500 Вт, которые представляют определенный интерес и для владельцев мощных систем стандарта ATX.

Физически блоки стандарта EPS12V по габаритам и расположению крепежных отверстий совместимы с блоками ATX, так что ничто не препятствует их установке в обычный ATX-корпус. Разъем питания системной платы стандарта EPS12V аналогичен разъему в ATX12V 2.0-платах, причем не только физически (это 24-контактный разъем такого же типа), но и по разводке контактов; таким образом, к EPS12V-блоку питания можно без проблем подключать системные платы ATX12V 2.0 и при наличии физической возможности подключить более крупный разъем также и платы ATX12V 1.1 (при отсутствии такой возможности следует использовать переходник).

Разъем питания процессоров у EPS12V собственный, восьмиконтактный. Однако четыре крайних контакта в точности совпадают с разъемом ATX12V, поэтому его также можно напрямую подключить к обычной ATX12V системной плате, если сбоку от установленного на ней разъема есть свободное место, либо же, если места нет, воспользоваться переходником.

Важно, что блоки EPS12V бывают как с одним источником +12 В, так и с двумя, аналогично ATX12V 2.0. В последнем случае подключать на системной плате ATX12V 1.1 второй источник +12 В блока питания (он выведен на 8-контактный разъем питания процессора) можно, только будучи уверенным, что шины питания процессора и шина +12 В с разъема питания самой системной платы полностью разделены; в противном случае системная плата может выйти из строя. С системными платами стандарта ATX12V 2.0 такой проблемы возникнуть не может — у них шины разделены по определению, ибо используются два раздельных источника питания.

Другие форм-факторы блоков питания

Кроме ATX и ATX12V, существует еще несколько формфакторов блоков, предназначенных для различных типов компактных корпусов. Стандарт ATX12V для них родительский. Во-первых, это SFX (SFX12V) — компактные блоки питания для microATX- и flexATX-корпусов, по форме довольно близкие к своим «старшим собратьям», но заметно отличающиеся размерами. Сейчас выпущена третья версия стандарта (3.0), в которой он приводится в соответствие с ATX12V 2.0, т. е. в первую очередь основной разъем питания системной платы заменяется на 24-контактный, а блок оснащается вторым выходом +12 В. Предыдущие версии блоков питания SFX электрически соответствуют более ранним версиям стандарта ATX. Новый стандарт описывает БП мощностью от 160 до 300 Вт, что достаточно много для microATX-системы.

Стандарт TFX12V описывает другое семейство компактных блоков — Thin Form Factor, т.е. тонкие блоки. Это сравнительно молодой стандарт, выпущенный в начале 2002 г. и описывающий немного меньшие, чем SFX, блоки, предназначенные для сверхкомпактных корпусов. Максимальная мощность, определяемая стандартом, составляет уже 270 Вт. Электрически TFX-блоки совместимы с обычными ATX-блоками, поэтому при необходимости можно подключить системную плату стандарта ATX к блоку питания стандарта TFX и наоборот.

И, наконец, самый молодой стандарт — CFX12V, его первая версия была представлена в июле 2003 г. Он описывает блоки мощностью от 220 до 275 Вт, предназначенные для установки в корпуса нового форм-фактора — microBTX. Внешне CFX-блоки выглядят довольно необычно: они имеют не привычную форму параллелепипеда, а более сложную, с выступом, который в собранном компьютере будет нависать над системной платой, благодаря чему удается уменьшить размеры всего системного блока. Разъемы CFX-блоков также полностью аналогичны разъемам ATX12V 2.0 как механически, так и электрически.

Параметры блоков питания стандарта ATX12V

Традиционно большинство пользователей считают мощность блока питания его основным параметром, что, вообще говоря, совершенно неправильно. Однако некоторые производители БП этим пользуются, предлагая блоки со все большими и большими цифрами на этикетке, причем эти цифры часто можно считать необоснованными.

Выходная мощность. Прежде всего необходимо определить, что такое мощность блока питания. Это максимальная суммарная нагрузка по всем выходным шинам, при которой БП может работать неограниченно долгое время. Помимо общей мощности, на этикетке также часто указывается максимальная суммарная мощность для шин +5 и +3,3 В — она обычно составляет около двух третей от полной.

КПД блока в этой мощности не учитывается, т. е. это «чистая» нагрузка, которую он может держать на своем выходе. Более того, не должно учитываться и время работы при полной нагрузке; если производителем явно не указано иное, то блок должен быть способен работать при полной нагрузке неограниченно долго.

Максимальные токи нагрузки. Экспериментальное измерение потребляемой компьютером мощности показывает, что даже сравнительно мощный компьютер с 3-ГГц Pentium 4 потребляет немногим более 150 Вт, однако еще один эксперимент показывает, что стоит установить в него мощный графический адаптер (например, класса RADEON 9800), и 250 Вт может уже и не хватить. Происходит это потому, что у любого блока питания, помимо мощности, есть другое принципиальное ограничение — максимально допустимый ток по каждому из выходов. На практике достаточно часто возникает ситуация, когда из-за несбалансированности нагрузки на БП потребляемый по какой-то одной шине ток приближается к порогу стабильной работы блока, в то время как суммарная потребляемая от него мощность сравнительно невысока; и, к сожалению, предсказать такую ситуацию практически невозможно, ибо достоверных данных об энергопотреблении большей части комплектующих попросту нет.

Выше уже рассматривались изменения в распределении энергопотребления между различными шинами БП и соответствующая им эволюция стандартов. Максимальные нагрузочные токи, рекомендуемые стандартами ATX, ATX12V 1.1 и ATX12V 2.0 для блоков питания мощностью 250 и 300 Вт, приведены в табл. 1. Допустимые токи нагрузки для блоков питания, казалось бы, одной и той же мощности, могут различаться довольно сильно. Причем нельзя сказать, что с течением времени все параметры БП улучшаются: так, купленная полгода назад система с мощным процессором и графическим адаптером, питающимися от шины +5 В, может нормально работать с 250-Вт ATX-блоком питания пятилетней давности, зато откажется запускаться с новейшим блоком ATX12V 2.0, только-только сошедшим с конвейера. Из этого не следует, что новый блок питания хуже старого, он лучше, но не для этой системы. Ни в коем случае нельзя рассматривать блок питания в отрыве от системы, с которой он будет использоваться, ибо абстрактные ватты в общем случае ни о чем не говорят.

Но даже в пределах одного стандарта (наиболее распространенного на данный момент ATX12V 1.1) все не так просто. Во-первых, многие недостаточно добросовестные производители блоков питания низшего класса зачастую указывают на них выходную мощность, либо просто не соответствующую реальности, либо не соответствующую заявленным выходным токам, т. е. испытания показывают, что блок в принципе способен работать с указанной для него суммарной мощностью нагрузки, но нагрузка по каждой конкретной шине в отдельности согласно стандарту соответствует блоку на одну-две ступени меньшей мощности. Причина этого проста — рекомендованные токи нагрузки для 300-Вт БП ATX12V при умножении их на соответствующие напряжения и сложении полученных мощностей дают мощность почти в полтора раза выше заявленной

(12В х 15А + 5В х 30А + 3,3В х 28А = 422,4Вт).

Разумеется, при попытке нагрузить 300-Вт блок мощностью 400 Вт он с очень большой вероятностью просто выйдет из строя, однако на практике такие запасы по токам нагрузки позволяют не беспокоиться о равномерном распределении нагрузки по разным шинам, а как уже отмечалось, в обычном компьютере оно скорее всего и не будет равномерным. На некоторых же недорогих блоках вдруг обнаруживается, что подобная сумма произведений превышает заявленную изготовителем мощность всего на 10–20 Вт, и если на испытательном стенде, где можно задать произвольную нагрузку на каждую шину, блок демонстрирует способность выдержать 300 Вт (для этого, разумеется, приходится «вешать» на каждую шину максимальную для нее нагрузку), то на практике ситуация со столь аккуратным распределением мощностей не возникает практически никогда. Поэтому в реальных условиях пользователь скорее всего столкнется не с ограничением общей мощности блока питания, а с ограничением максимального тока какой-либо одной из шин. Вот и получается не очень красивая картина: с одной стороны, блок вроде бы формально может работать с 300-Вт нагрузкой, но с другой — в реальных применениях очень сильно уступает другим, более дорогим БП, также заявленным как 300-Вт.

Во-вторых, текущий стандарт описывает рекомендованные токи нагрузки только для блоков мощностью до 300 Вт включительно. Параметры более мощных блоков полностью отданы на усмотрение производителя (надо заметить, что в ATX12V 2.0 это упущение исправлено, там описаны также рекомендуемые спецификации для 350- и 400-Вт блоков питания). Для примера в табл. 2 приведены максимальные токи нагрузки для четырех блоков питания Zalman: два — мощностью 300 и два 400 Вт. Обратите внимание на ток нагрузки шины +12 В — очевидно, что если на блоке ZM300A будет срабатывать защита по перегрузке этой шины, то замена его на более мощный ZM400A не исправит ситуацию, так как у него та же нагрузочная способность по шине +12 В, а вот установка блока ZM300B или ZM400B поможет, несмотря на то что первый имеет ту же мощность 300 Вт.

Таким образом, одна из наиболее важных характеристик блока питания — отнюдь не суммарная выходная мощность, а допустимые токи нагрузки по каждой из шин.

Стабильность выходных напряжений. Как уже отмечалось, в компьютерных блоках питания используется так называемая схема с групповой стабилизацией напряжений, что приводит к взаимной зависимости различных выходных напряжений: если, скажем, увеличивается нагрузка на шину +5 В, то стабилизатор, пытаясь поднять снизившееся на ней напряжение до прежнего уровня, увеличивает его и на всех остальных шинах.

Как правило, при эксплуатации блока питания проблемой может стать выход за допустимые пределы напряжения +5 или +12 В, в то время как напряжение +3,3 В обычно стабилизируется в блоке собственным вспомогательным стабилизатором и к скачкам нагрузки по остальным шинам не столь чувствительно.

К сожалению, каких-либо характеристик, позволяющих оценить качество работы стабилизатора блока, производителями не приводится, есть лишь требования стандарта, определяющие максимально допустимые отклонения напряжений от номинала, они приведены в табл. 3. Однако эти цифры сами по себе имеют смысл только применительно к конкретному компьютеру: если какое-либо напряжение выходит за пределы допусков, стоит всерьез задуматься о замене БП на более качественный или более мощный. Тот же факт, что все производители заявляют о соответствии этим требованиям, еще ничего не говорит о качестве блоков питания — дело в том, что неясно, при каких нагрузках эти требования соблюдаются. С одной стороны, очевидно, что если максимально нагрузить шину +12 В и минимально +5 В, то напряжение +5 В сильно вырастет, а +12 В — наоборот, упадет, причем оба они вый дут за допустимые пределы. Однако в реальном компьютере ситуация с таким сильным перекосом нагрузки невозможна, поэтому и ничего катастрофичного в превышении пределов нет.

Для оценки качества исполнения стабилизатора значительно удобнее нагружать БП фиксированной нагрузкой, меняя ее распределение по различным шинам. Тогда, замерив выходные напряжения блока, можно будет посчитать разницу между показанными им в ходе такого теста минимальным и максимальным напряжениями, которая и будет характеризовать качество изготовления стабилизатора: чем меньше разница, тем лучше блок держит выходные напряжения. Нагрузка при таких тестах распределяется по шинам сознательно неравномерно для получения максимальной разницы напряжений — очевидно, что такой тест не даст ответа на вопрос, будет ли работать данный блок питания в том или ином компьютере, однако позволит провести сравнительное тестирование различных блоков с точки зрения стабильности выдаваемых ими напряжений при изменении нагрузки.

Высокочастотные пульсации выходных напряжений. Другая проблема импульсных блоков питания — следствие его достоинств: высокой частоты и ключевого режима работы транзисторов. Во-первых, благодаря этому мы получаем на выходе блока высокочастотные колебания на частоте работы ШИМ-контроллера, т. е. около 60 кГц.

Во-вторых, практически мгновенное переключение ключевых транзисторов означает, что в моменты переключения на выходе стабилизатора возникает короткая, но сильная помеха с широким спектром. Заметно сгладить ее, переключая транзисторы плавно, нельзя — тогда в моменты переключения они будут работать в линейном режиме, когда одновременно достаточно велики и напряжение на транзисторе, и ток через него, что приведет к заметному росту тепловыделения. Поэтому единственный способ бороться с такими помехами —установка фильтров. Отчасти роль фильтра играет дроссель групповой стабилизации L1 (рис. 2), но у него довольно большая индуктивность, поэтому он не способен бороться с возникающими в моменты переключения транзисторов высокочастотными помехами. Из-за этого приходится ставить дополнительные небольшие дроссели (на приведенной блок-схеме это L2 и L3) — они уже независимы для каждой выходной шины и предназначены только для сглаживания помех, возникших в результате работы стабилизатора.

На высокочастотные пульсации выходных напряжений стандарт накладывает жесткие требования: их размах, т. е. расстояние от минимума до максимума, даже при максимальной нагрузке на блок не должен превышать значений, указанных в табл. 4. С соблюдением этих требований дело обстоит проще, чем со стабильностью напряжений — все блоки питания среднего уровня и выше им соответствуют. Проблемы же начинаются, если производитель блока откровенно экономит на деталях, занижая номиналы фильтрующих конденсаторов на выходе или заменяя дроссели обычными перемычками. В таких случаях эффекты бывают самыми разнообразными: в одних БП начинают сильно проявляться колебания на частоте ШИМ-контроллера (т. е. в районе 60 кГц), в других появляются по-настоящему сильные выбросы в момент переключения транзисторов, в третьих на выходе возникают колебания с удвоенной частотой питающей сети (100 Гц) — это уже следствие либо чрезмерно заниженной емкости конденсаторов высоковольтного выпрямителя (C1 и C2 на приведенной выше блок-схеме, рис. 2), либо грубые ошибки в проектировании блока питания. К сожалению, определить размах пульсаций в домашних условиях практически невозможно — для этого требуется хороший осциллограф, а вот неприятностей чрезмерно большие пульсации могут доставить ничуть не меньше, чем нестабильные напряжения.

Фильтрация ВЧ-помех на входе блока. Однако создаваемые блоком питания помехи попадают не только на его выход, но и на вход, что может повлиять на другую электронную аппаратуру, размещенную поблизости (так, импульсный блок питания может наводить заметные помехи на включенный в одну розетку с ним телевизор). Поэтому на входе БП ставится специальный фильтр для подавления помехи — и, вопреки распространенному мнению, защищает он не сам блок питания, а, наоборот, включенную поблизости от него прочую аппаратуру. На практике этот узел обычно представляет собой LC-фильтр, состоящий из двух дросселей и нескольких конденсаторов. К сожалению, протестировать эффективность его работы еще сложнее, чем измерить уровень пульсаций на выходе блока.

Многие производители недорогих моделей блоков питания пользуются этим: фильтр либо убирается вообще, либо заметно упрощается. Проконтролировать это, как правило, можно только визуально, разобрав блок питания, что не всегда возможно.

Защита блока питания. В любом компьютерном блоке питания, претендующем на соответствие стандартам, есть несколько систем защиты, призванных уберечь сам БП от каких-либо внешних воздействий и не допустить повреждения подключенных к нему компонентов в случае выхода из строя его самого.

Базовая защита блока питания — это защита по максимальной выходной мощности. Она достаточно эффективна как средство защиты от перегрева — ведь тепло выделение блока зависит от нагрузки на него, но при этом не способна уберечь блок от выхода из строя при сильной перегрузке какой-либо одной из выходных шин. В такой ситуации общая потребляемая мощность может и не превысить допустимую, в то время как перегруженная шина выйдет из строя из-за превышения максимального тока, что уже, в свою очередь, приведет к полному выходу из строя всего блока питания.

Для борьбы с этим в качественных блоках, помимо общей защиты по мощности, шины с большой нагрузочной способностью также оснащены индивидуальной защитой, останавливающей блок при перегрузке любой такой шины. Необходимо отметить, что, согласно стандарту, блок должен корректно справляться не только с перегрузкой, но и с замыканием шин друг на друга, а также на «землю».

Третья важная ступень защиты уже рассчитана на предотвращение поломок оборудования при выходе из строя самого блока питания: она контролирует выходные напряжения и, если они по какой-либо причине оказываются ниже или выше допустимого уровня, останавливает блок. Допустимый уровень в данном случае — не приведенные выше допустимые отклонения напряжений в процессе работы, а несколько большие значения, иначе защита активировалась бы при отдельных коротких всплесках напряжения, не способных причинить никакого вреда.

К сожалению, некоторые блоки нижнего ценового диапазона не оснащаются подобной защитой, что в случае выхода такого блока из строя может привести (и зачастую это происходит) к отказу практически всего системного блока, в том числе электроники жестких дисков, системной платы, графического адаптера и др.

Блоки питания среднего ценового диапазона, как правило, уже разрабатываются на базе микросхем ШИМ-контроллеров со встроенной защитой, поэтому для них вероятность таких происшествий крайне мала.

Вопреки распространенному мнению, блоки не оборудуются защитой от превышения входного напряжения. Впрочем, импульсный блок питания способен работать в очень широком диапазоне напряжений, поэтому в штатном режиме для нормальной работы ему подходит практически любая электросеть без дополнительной стабилизации. Выход же блока питания из строя из-за превышения входного напряжения обычно случается при работе его в 220-В сети, когда переключатель напряжения сети установлен в положение «110 В». Такая ситуация означает практически мгновенный отказ БП. Установленный на входе блока питания плавкий предохранитель предназначен для защиты не самого БП, а питающей 220-В сети и аппаратуры в ней, поскольку срабатывает он уже после выхода из строя ключевых транзисторов блока, а установленные там же варисторы (нелинейные резисторы, сопротивление которых резко падает, если напряжение на них превышает некоторый порог) рассчитаны на защиту от коротких резких всплесков напряжения (например, при близком ударе молнии), но не от подключения блока к сети со слишком большим напряжением.

Кроме перечисленного, стандарт предусматривает возможность установки в блок защиты от перегрева, однако это необязательное требование, и абсолютное большинство производителей такую защиту не устанавливают.

КПД блока питания. Коэффициент полезного действия блока определяет отношение отдаваемой им на нагрузку мощности к активной мощности, потребляемой блоком от сети питания.

В данный момент стандарт ATX12V 1.1 требует КПД не менее 68% на максимальной мощности (для импульсного блока питания в среднем КПД растет с увеличением мощности нагрузки). В версии 2.0 этого стандарта требования ужесточены — теперь КПД должен составлять не менее 60% при мощности нагрузки 20% от максимальной и не менее 70% при мощности нагрузки 50% и более от максимальной.

Здесь можно лишь отметить, что, как показывает выборочное тестирование различных блоков, реальный КПД меняется от 70 до 85%, т. е. без каких-либо проблем удовлетворяет требованиям стандарта.

Коэффициент мощности. В цепях переменного тока принято различать четыре вида мощности. Во-первых, мгновенная мощность — произведение тока на напряжение в данный момент времени. Во-вторых, так называемая активная мощность — мощность, выделяющаяся на чисто резистивной нагрузке, измеряется она в ваттах. Активная мощность целиком идет на полезную работу (нагрев, механическое движение), и обычно именно ее понимают под потребляемой мощностью.

Так как реальная нагрузка обычно имеет еще индуктивную и емкостную составляющие, то к активной мощности добавляется реактивная, измеряемая в вольт-амперах реактивных (ВАР). Нагрузкой реактивная мощность не потребляется: полученная в течение одного полупериода сетевого напряжения, она полностью отдается обратно в сеть в течение следующего полупериода, лишь напрасно нагружая провода. Таким образом, реактивная мощность совершенно бесполезна, и с ней по возможности борются, применяя различные корректирующие устройства. Векторная сумма активной и реактивной мощностей дает полную мощность — соответственно, квадрат полной мощности равен сумме квадратов активной и реактивной мощностей.

Коэффициентом мощности называется отношение активной мощности к полной. Так как разница между этими двумя мощностями появляется из-за реактивной мощности, не несущей никакой пользы, то в идеале активная мощность должна быть полной и соответственно коэффициент мощности — единица.

Высокая реактивная мощность может возникать либо в результате большого сдвига фаз между напряжением и током, либо в случае, если потребление тока сильно отличается от синусоидального. В импульсных блоках питания реализуется преимущественно второй случай, что обусловлено особенностями их схемотехники: на входе такого блока питания стоит выпрямитель и следом за ним — конденсатор (или, если быть точным, обычно два конденсатора), с которого уже снимается напряжение питания для импульсного преобразователя. При включении блока питания в сеть первой четвертьволной сетевого напряжения конденсатор заряжается до трехсот с небольшим вольт. Потом сетевое напряжение начинает быстро спадать (вторая четвертьволна), в то время как конденсатор значительно медленнее разряжается в нагрузку — в результате в момент начала роста сетевого напряжения (третья четвертьволна) напряжение на не успевшем разрядиться конденсаторе будет около 250 В, и пока напряжение в сети меньше — ток заряда будет равен нулю (диоды выпрямителя заперты приложенным к ним обратным напряжением, равным разности напряжений на конденсаторе и в сети). На последней трети четвертьволны (разумеется, все численные оценки даны весьма приблизительно, реально они зависят от величины нагрузки и емкости конденсатора) напряжение в сети превысит напряжение на конденсаторе — и потечет ток заряда. Заряд прекратится, как только напряжение в сети снова станет меньше, чем на конденсаторе, — это произойдет в первой половине четвертой четвертьволны. В результате получается, что блок питания потребляет ток только в моменты зарядки конденсатора: на осциллограмме такое потребление выглядит как острые высокие пики, не имеющие ничего общего с плавной синусоидой.

Для коррекции коэффициента мощности (Power Factor Correction, PFC) в настоящее время применяют два типа схем: пассивные и активные.

Пассивные схемы представляют собой один массивный дроссель, включенный последовательно с блоком питания и благодаря своей большой индуктивности сглаживающий пики потребления блока. Такая схема крайне проста, но неэффективна: если блок питания без коррекции имеет коэффициент мощности 0,65–0,7 (в зависимости от нагрузки), то пассивная коррекция позволяет увеличить его до 0,7–0,75, что на фоне достаточно заметной с точки зрения производителя стоимости мощного дросселя весьма скромный показатель. Впрочем, от пассивной коррекции есть и еще один положительный эффект — дроссель выступает как великолепный фильтр, гасящий высокочастотные помехи от блока питания.

Схема активной коррекции коэффициента мощности — это небольшое электронное устройство, позволяющее достичь почти идеального результата — коэффициент мощности блока с активной коррекцией достигает 0,95–0,98.

Охлаждение блока питания. Так как в блоке питания сравнительно небольших габаритов выделяется значительная мощность, ему требуется активное охлаждение — принудительный обдув греющихся элементов с помощью вентилятора.

Варианты реализации охлаждения довольно сильно разнятся в зависимости от блока. Самый популярный метод — один 80-мм вентилятор, расположенный на задней (внешней) стенке блока питания и вытягивающий теплый воздух наружу. У такого типа охлаждения два серьезных недостатка: во-первых, при таком расположении вентилятора проблематичным становится качественное охлаждение всего объема блока; во-вторых, тепловыделение мощных блоков питания заставляет ставить производительные вентиляторы, что приводит к росту шума.

Самое простое решение проблемы — установка на противоположной стенке блока питания второго такого же вентилятора. Это решение, как правило, используется в недорогих БП благодаря своей дешевизне. Установленный таким образом вентилятор направляет поток воздуха непосредственно на радиаторы транзисторов и диодов блока питания и силовой трансформатор, но при традиционной компоновке блока питания несколько в стороне остается еще один элемент с большим тепловыделением — дроссель групповой стабилизации.

Более эффективна схема со вторым вентилятором на верхней крышке блока (причем он смещается в сторону относительно первого вентилятора), размещенным так, чтобы поток воздуха от него приходился в первую очередь на два самых горячих элемента: радиатор с вы-

ходными диодными сборками и дроссель групповой стабилизации. Благодаря эффективному охлаждению этих элементов удается установить достаточно тихоходные вентиляторы, чтобы шум от них не был раздражающим. Такая схема охлаждения обычно применяется в довольно дорогих блоках питания, хотя встречаются и в отдельных моделях среднего ценового диапазона.

И, наконец, наиболее перспективная схема — установка одного 120-мм вентилятора на верхнюю крышку блока питания. Вентилятор с задней стенки при этом убирается вообще, а на стенке делается перфорация для свободного выхода воздуха. Такая схема обеспечивает одновременно и хорошее равномерное охлаждение всех компонентов блока благодаря большому размеру вентилятора, и низкий уровень шума благодаря его большой эффективности (120-мм вентилятор имеет существенно меньшие обороты, чем 80-мм с таким же воздушным потоком, а следовательно, производит значительно меньше шума). К тому же эта схема дешевле, чем установка двух 80-мм вентиляторов — поэтому блоки с охлаждением одним 120-мм вентилятором становятся все более популярными в самых разных ценовых категориях.

Другая особенность систем охлаждения блоков питания — регулировка скорости вентилятора. Как правило, скорость зависит от температуры внутри блока питания (датчик располагается на радиаторе с диодными сборками или рядом с дросселем групповой стабилизации), но встречаются и блоки, в которых скорость регулируется в зависимости от нагрузки (например, последние модели от InWin).

Качество исполнения терморегулятора также сильно зависит от ценовой категории блока: это может быть просто включенный последовательно с вентилятором терморезистор в самых дешевых блоках и сравнительно серьезная электронная схема в более дорогих. Различается и эффективность регулировки — в тихих дорогих блоках при включении вентилятор может вращаться на минимальной скорости 1000–1200 об/мин, а по мере прогрева блока при необходимости разгоняться до 2500–3000 об/мин, а в младших моделях скорость зачастую меняется в куда более скромных пределах, порядка 2000–2500 об/мин (здесь приведены характерные скорости 80-мм вентиляторов, для блоков со 120-мм моделями они будут существенно меньше). Кроме того, на некоторых моделях блоков, например компании Enermax, встречается и ручная регулировка скорости вращения с помощью обычного переменного резистора.

Также небольшую, но все же заметную роль в охлаждении играет решетка вентилятора. В дорогих моделях вместо штампованной решетки применяют проволочную, на которой, благодаря ее небольшой площади и закругленным краям, поток воздуха от вентилятора производит значительно меньше шума.

Критерии визуальной оценки качества блока питания

Так как для проведения объективного тестирования БП требуется соответствующая аппаратура, и вообще это не всегда возможно, то достаточно важна визуальная оценки качества блока.

Во-первых, надо обратить внимание на массу блока. Она у качественного блока питания, как правило, 1,5–2 кг; если масса меньше, значит, производитель экономит на металле корпуса, толщине и размерах радиаторов, магнитопроводов дросселей, силового трансформатора и т. д. Как правило, блоки «в весе пера» относятся к низшей ценовой категории и зачастую показывают допустимые параметры при мощности нагрузки не более 60–70% от заявленной производителем. Правда, надо отметить, что использование пассивной коррекции коэффициента мощности заметно прибавляет вес любому блоку, однако наличие дросселя PFC обычно видно по головкам четырех держащих его крепежных болтов.

Второй критерий, как уже говорилось выше, заявленные производителем токи нагрузки. Если для 300-Вт блока питания заявлен ток нагрузки, скажем, 12 А по шине +12 В — есть серьезные основания полагать, что такой блок в работе уступит не только другим 300-Вт моделям, но даже многим 250-Вт.

Третий критерий — сечение проводов блока. Его не обязательно измерять, поскольку все провода маркируются надписью на изоляции в системе AWG (American Wire Gauge). Согласно стандарту, нормальным сечением для проводов блока питания мощностью до 300 Вт считается 18AWG (кроме проводов питания накопителей и разъема ATX12V — они тоньше), в блоках большей мощности рекомендуется при необходимости применять провода сечением 16AWG (чем меньше цифра, тем больше сечение проводов). Если производитель ной платы или жестких дисков тонкие провода сечением 20AWG, это верный признак невысокого качества блока. При небольшом опыте можно легко определять сечение проводов «на глаз», даже не читая маркировки.

Также стоит обратить внимание на количество разъемов для питания периферии. Их должно быть не только много, но, что более важно, они должны быть разнесены на разные группы проводов. В идеале на каждой выходящей из блока питания группе проводов должно быть не более двух разъемов питания винчестеров и одного разъема питания НГМД. Если же на одной группе проводов находятся сразу по четыре разъема, да еще и сечение проводов соответствует стандарту 20AWG, то это верный путь к проблемам при попытках задействовать все четыре разъема.

И, разумеется, даже по внешнему виду самого блока в целом — качеству изготовления корпуса, применяемым вентиляторам, типу решеток вентиляторов, наличию выключателя питания — можно примерно определить ценовую категорию, к которой он относится, и соответственно ожидать от него того или иного качества работы.

Некоторые производители блоков питания.

В заключение перечислим некоторые наиболее популярные компании, выпускающие блоки питания, кратко охарактеризовав качество их продукции. Компания InWin производит блоки питания InWin PowerMan для собственных корпусов. Продукция InWin отличается достаточно умеренной ценой при очень хорошем качестве — практически эта продукция обозначает собой нижнюю границу сегмента блоков питания, при покупке которых можно не задумываться о возможных проблемах. Блоки питания продаются как отдельно, так и в составе корпусов. Ранее корпуса InWin комплектовались блоками питания от FSP Group, в настоящее время они комплектуются только собственными моделями InWin.

Компания Sirtec — один из крупнейших производителей блоков питания — продает свои блоки под маркой HighPower. Модели мощностью 250 и 300 Вт относятся к средней ценовой категории, причем на заявленной максимальной мощности они могут работать не более 15 с, и это указано в их характеристиках. Блоки мощностью 360 Вт и более представляют собой весьма качественные изделия. Предлагается широкий ассортимент — с одним или двумя вентиляторами и с различными типами коррекции коэффициента мощности.

Компания Thermaltake, продающая одноименные блоки питания, для их производства пользуется услугами Sirtec.

Компания Chieftec, поставляющая одноименные корпуса, также комплектует их блоками питания от Sirtec.

Компания «Ниеншанц» поставляет корпуса Powerman и блоки питания Powerman и Powerman Pro. Несмотря на схожесть названия с InWin PowerMan, эти блоки не имеют к InWin никакого отношения, производит их так же компания Sirtec.

Delta Electronics — один из крупнейших производителей блоков питания, поставляющий свою продукцию такому гиганту, как HP, достаточно мало известна на российском рынке. Качество продукции — великолепное, однако в продажу в России попадают в основном БП, предназначенные для HP и поэтому иногда обладающие рядом особенностей, специфичных для компьютеров HP.

Lite-ON — еще одна компания, также осуществляющая поставки блоков питания для крупных торговых марок. На российском рынке она известна в основном благодаря попавшим в свободную продажу OEM-изделиям для HP. Качество блоков питания — отличное.

FSP Group (Sparkle Power, Fortron/Source Power) — крупный OEM-производитель, некогда поставлявший блоки питания для InWin. Сегодня InWin перешел на использование блоков питания собственного изготовления, а продукция FSP Group встречается в продаже либо под собственной маркой, либо под марками AOpen и Zalman. Качество блоков питания — отличное.

Zalman — компания, известная в основном системами охлаждения, также поставляет четыре модели блоков питания. Производством этих блоков занимается FSP Group.

Enermax и Antec — производители дорогих и качественных блоков питания, нацеленные в первую очередь на розничные продажи конечным пользователям. К сожалению, в Россию эти блоки не поставляются.

Codegen Group — весьма известная компания, поставляющая широкий ассортимент корпусов и блоков питания средней ценовой категории. Качество колеблется от низкого до среднего в зависимости от модели БП и даты его выпуска.

Microtech — поставляет корпуса и блоки питания Powermaster. Наиболее распространены две серии этих блоков: FA, отличающаяся невысоким качеством, и JJ, относящаяся к средней категории. Последнюю производит компания Jou Jye Eectronics Co., изготовитель первой серии неизвестен. Также аналогичные Powermaster блоки питания встречаются под маркой Golden Power.

Herolchi Electronics Co. поставляет блоки питания HEC, также встречающиеся под марками GIT и Apollo. Качество изготовления блоков питания очень хорошее, однако тестирование выявило у них недостаточную надежность при работе под большой нагрузкой.

Macropower — блоки питания под такой маркой встречаются в корпусах Ascot. На самом деле это блоки производства Herolchi, примечательно, что проблем с работой под большой нагрузкой у них не обнаружилось.

Microlab — компания, известная в основном мультимедийной акустикой, — также выпускает и блоки питания. Качество их продукции находится на среднем уровне, немного выше Codegen Group, но сильно уступает таким компаниям, как InWin, FSP Group или Sirtec.

L&C Technology (LCT) — достаточно известный производитель блоков питания и недорогих корпусов. Качество варьируется от невысокого для младших моделей небольшой мощности до среднего для старших моделей.

QuicCase, PowerMini, IPower, СМС-Т, PowerMini и многие другие — продукция низшей ценовой категории, не отвечающая, как правило, даже минимальным требованиям к качеству.

10

Блоки питания стандарта ATX