КПД источника питания на базе микросхем POWER INTEGRATIONS. Выбираем блок питания для компьютера Все о блоках питания на пк

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:

1. фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
2. первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
3. основной трансформатор;
4. 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.

Введение

КПД источника питания - должен быть главным фактором, на который надо ориентироваться при проектировании обратноходового импульсного источника питания. Он может включать в себя множество факторов - от размера корпуса, в который помещен источник питания до класса безопасности, которому он соответствует. При разработке источника питания много факторов могут негативно сказаться на итоговом КПД. Это могут быть такие, казалось бы безобидные факторы, как емкость накопительных конденсаторов, геометрия сердечника и конструкции трансформатора, выбор выходного выпрямителя и пр. В данном цикле статей мы постараемся сравнить КПД источника питания на базе микросхем Power Integrations и КПД источников питания на базе других решений, рассмотрим технологии измерения КПД и выработать рекомендации, которые необходимы для создания обратноходового источника питания с максимальным КПД.

Часть 1. Сравнение ИП на базе микросхем TOPSwitch и ИП на базе дискретных элементов.

Для частного случая источника питания КПД, достигаемый с помощью использования микросхем Power Integrations равен или больше КПД ИП на базе ШИМ-контроллера и дискретного , даже в случае, если используется MOSFET с Rds (on) намного меньше чем у эквивалентного в составе TOPSwitch . Причины этого становятся понятны, когда мы разберем по деталям потери мощности в ИП на базе Power Integrations и ИП на базе дискретных элементов. Для этих целей были замерены потери мощности индустриального серийного источника питания (24 V , 34 W) с универсальным входным диапазоном при входном напряжении 120 вольт. Этот ИП (см. схему на рис. 1) использует микросхему ШИМ-контроллер 3842 и MOSFET транзистор 600 V , 1.2 ohm , работающий на частоте 76 kHz . Первичная цепь ИП была заменена на TOP 214, при этом трансформатор, выпрямитель и выходные фильтры остались теми же. В результате мы получили схему (см. рис. 2). На этой схеме были также замерены потери мощности. Результаты замеров сведены в таблицу 1.

Рис.1 ИП на базе контроллера 3842.

Рис.2 ИП на базе микросхемы TOP214Y (Power Integrations).

Таблица 1.

Тип источника питания		3842+MOSFET (1.2 ohm, 600V)	TOPSwitch (3.6 ohm, 700V)
Сравнение дискретного ИП с ИП на базе Power Integrations (Vin=120 VAC)
Выходная мощность		34.27 W	34.21 W
Входная мощность		39.38 W	38.63 W
КПД		87%	88.6%
Потери мощности		5.11 W	4.42 W
Рабочая частота		76 KHz	100 KHz
Распределение потерь мощности
Потери при проведении	MOSFET Rds(on)	0.37 W	1.07 W
	Шунт	0.16 W	-
Потери при переключении	Потери CV2f	0.43 W	0.32 W
	Перекрестные потери	1.08 W	-
Другие потери	Стартовая цепь	1-2 W	-
	ШИМ контроллер	0.3 W	0.05 W
	Выходной диод	1.0 W	0.98 W
	Цепь поглощения высоковольтного выброса	1.2 W	1.07 W
	Другие потери (фильтры, мост, трансформатор и пр.)	0.54 W	0.93 W

В итоге КПД ИП на базе микросхем TOP 214 немного лучше, чем у аналогичного на дискретных элементах, и это при том, что Rds (on) микросхемы TOP 214 на 3.6 ohm в три раза выше, чем у дискретного ключа.

Эта разница получается благодаря низкой выходной емкости внутреннего MOSFET транзистора микросхемы PI , а также малому времени переключения. Суммарные потери TOP 214 составляют 1,39 Вт против 2,04 Вт - дискретного ИП.

Кроме этого на микросхемах Power Integrations и дискретных элементах отличаются по потреблению энергии стартовой схемой и схемой управления. Эти потери показаны в таблице 1. Потерями схемы на PI можно пренебречь, когда как потери дискретной схемы составляют порядка 30 мВт. Микрсохемы TopSwitch имеют в своем составе стартовую цепь, которая автоматически отключается после старта микросхемы, поэтому, когда микросхема находится в рабочем режиме, стартовая схема не потребляет. Большинство схем на базе 3842+ MOSFET используют резистор, подключенный на высокое напряжение для обеспечения старта схемы. При этом постоянное потребление такого элемента схемы составит 1-2 Вт. Потребление контроллера встроенного в микросхему TOPSwitch намного меньше потребления схемы на 3842 (50 мВт против 300 мВт). Потери в контроллере обусловлены потреблением схемы контроллера, а также мощностью, необходимой для управления MOSFET транзистором. MOSFET микросхемы TOPSwitch - это устройство сделанной по жестким технологическим допускам с малой емкостью затвора, и практически нулевой емкостью Миллера, соответственно для работы с таким транзистором нужна крайне малая мощность. Контроллер TOPSwitch - эта микросхема, выполненная по CMOS технологии, для работы которой нужно 5,7 вольта 2,5 mA при максимальном рабочем цикле и 6,5 mA при минимальном.

Из выше написанного можно сделать вывод, что КПД источника питания на микросхеме Power Integrations как минимум не меньше, а как максимум больше, чем КПД источника питания на дискретных элементах.

Компания: Макро Групп

Блок питания обеспечивает электроэнергией все компоненты ПК. Мы расскажем о том, как работает это устройство.

Несмотря на то, что компьютер подключается к стандартной электрической розетке, его комплектующие не могут получать энергию напрямую из силовой электросети по двум причинам.

Во-первых, в сети используется переменный ток, а компьютерным компонентам необходим постоянный. Поэтому одной из задач блока питания является «выпрямление» тока.

Во-вторых, разные компоненты компьютера для работы требуют различного напряжения питания, а некоторым необходимо сразу несколько линий с разным напряжением. Блок питания обеспечивает каждое устройство током с необходимыми параметрами. Для этого в нем предусмотрено несколько линий питания. К примеру, на разъемы питания винчестеров и оптических приводов подается напряжение 5 В для электроники и 12 В для мотора.

Характеристики блока питания

Блок питания является единственным источником электроэнергии для всех компонентов ПК, поэтому от характеристик выдаваемого им тока напрямую зависит стабильность функционирования всей системы. Основной характеристикой БП является мощность. Она должна быть, по меньшей мере, равна суммарной мощности, которую потребляют комплектующие ПК при максимальной вычислительной нагрузке, а еще лучше, если она превышает этот показатель на 100 Вт и более. В противном случае компьютер будет выключаться в моменты пиковой нагрузки или, что гораздо хуже, БП сгорит, прихватив с собой «на тот свет» другие компоненты системы.

Для большинства офисных компьютеров достаточно мощности 300 Вт. Блок питания игровой машины должен иметь мощность не менее 400 Вт – высокопроизводительные процессоры и быстрые видеокарты, а также необходимые им дополнительные системы охлаждения потребляют очень много энергии. Если в компьютере несколько видеокарт, то для его питания потребуются 500- и 650-ваттные БП. В продаже уже есть модели мощностью более 1000 Вт, но покупка их практически бессмысленна.

Нередко производители БП бессовестно завышают номинальное значение мощности, чаще всего с этим сталкиваются покупатели дешевых моделей. Советуем вам выбирать блок питания, основываясь на данных тестирования. Кроме того, мощность БП легче всего определить по весу: чем он больше, тем выше вероятность того, что реальная мощность блока питания соответствует заявленной.

Помимо общей мощности блока питания, имеют значение и другие его характеристики:

Максимальная сила тока на отдельных линиях. Общая мощность БП складывается из мощностей, которые он может обеспечить на отдельных линиях питания. Если нагрузка на одну из них превысит допустимый предел, то система потеряет стабильность даже если суммарная потребляемая мощность будет далека от номинала блока питания. Нагрузка на линии в современных системах, как правило, неравномерна. Тяжелее всех приходится 12-вольтовому каналу, особенно в конфигурациях с мощными видеокартами.

Габариты. При указании габаритов БП производители, как правило, ограничиваются обозначением форм-фактора (современный ATX, устаревший AT или экзотический BTX). Но производители компьютерных корпусов и блоков питания не всегда строго придерживаются нормы. Поэтому при покупке нового блока питания советуем сравнивать его габариты с размерами «посадочного места» в корпусе вашего ПК.

Разъемы и длина кабелей. Разъемов Molex у блока питания должно быть не меньше шести штук. В компьютере с двумя жесткими дисками и парой оптических приводов (например, пишущим DVD-RW и DVD-«читалкой») уже задействованы четыре такие разъема, а к Molex могут подключаться и другие устройства – например, корпусные вентиляторы и видеокарты с интерфейсом AGP.

Длина кабелей питания должна быть достаточной для того, чтобы они могли дотянуться до всех необходимых разъемов. Некоторые производители предлагают блоки питания, кабели которых не впаяны в плату, а подключаются к разъемам на корпусе. Это сокращает количество болтающихся в корпусе проводов, а следовательно – уменьшает беспорядок в системном блоке и способствует лучшей вентиляции его внутренностей, так как не создает помех циркулирующим внутри компьютера потокам воздуха.

Шум. Во время работы компоненты блока питания сильно нагреваются и требуют усиленного охлаждения. Для этого используются вентиляторы, встроенные в корпус БП, и радиаторы. Большинство блоков питания используют один вентилятор типоразмера 80 или 120 мм, а работают вентиляторы довольно шумно. Причем, чем выше мощность БП, тем более интенсивный поток воздуха требуется для того, чтобы охладить его. Для снижения уровня шума в качественных блоках питания используются схемы контроля скорости вращения вентиляторов в соответствии с температурой внутри БП.

Некоторые блоки питания позволяют пользователю самому определять скорость вращения вентилятора с помощью регулятора на задней стенке БП.

Существуют такие модели БП, которые продолжают вентилировать системный блок некоторое время после выключения компьютера. Благодаря этому компоненты ПК быстрее остывают после работы.

Наличие тумблера. Выключатель на задней стенке блока питания позволяет полностью обесточить систему, если возникает необходимость вскрыть корпус компьютера, поэтому его наличие приветствуется.

Дополнительные характеристики блока питания

Высокая мощность блока питания сама по себе не гарантирует качественной работы. Помимо нее, имеют значение и другие электрические параметры.

Коэффициент полезного действия (КПД). Этот показатель говорит о том, какая доля потребляемой блоком питания энергии из электрической сети достается комплектующим компьютера. Чем ниже КПД, тем больше энергии тратится на бесполезное выделение тепла. К примеру, если КПД составляет 60%, то 40% энергии из розетки теряется. Это повышает расход электроэнергии и приводит к сильному нагреву компонентов БП, а следвательно – к необходимости усиленного охлаждения с помощью шумного вентилятора.

Хорошие блоки питания имеют КПД, равный 80% и выше. Их можно узнать по знаку «80 Plus». С недавних пор действуют три новых более строгих стандарта: 80 Plus Bronze (КПД не ниже 82%), 80 Plus Silver (от 85%) и 80 Plus Gold (от 88%).

Значительно поднять КПД блока питания позволяет модуль PFC (Power Factor Correction). Он бывает двух видов: пассивный и активный. Последний гораздо эффективнее и позволяет добиваться уровня КПД до 98%, для БП с пассивным PFC характерен КПД на уровне 75%.

Стабильность напряжения. Напряжение на линиях блока питания колеблется в зависимости от нагрузки, но при этом оно не должно выходить из определенных границ. В противном случае возможны сбои в работе системы или даже выход из строя отдельных ее компонентов. Надеяться на стабильность напряжения позволяет в первую очередь мощность блока питания.

Безопасность. Качественные блоки питания оснащаются различными системами для защиты от скачков напряжения, перегрузки, перегрева и короткого замыкания. Эти функции защищают не только блок питания, но и другие компоненты компьютера. Заметим, что наличие таких систем в блоке питания не исключает необходимости использования источников бесперебойного питания и сетевых фильтров.

Основные характеристики блока питания

На каждом блоке питания есть наклейка с указанием его технических характеристик. Основным параметром является так называемая Com­bined Power или Combined Wattage. Это предельная совокупная мощность по всем существующим линиям питания. Кроме того, имеет значение предельная мощность и по отдельным линиям. Если на какой-то линии для того, чтобы «прокормить» подключенные к ней устройства, не хватает мощности, то эти компоненты могут работать нестабильно, даже если общей мощности БП вполне достаточно. Как правило, не на всех блоках питания указывается предельная мощность по отдельным линиям, но на всех обозначена сила тока. С помощью этого параметра легко рассчитать мощность: для этого надо умножить силу тока на напряжение в соответствующей линии.

12 В. 12 вольт подается, прежде всего, на мощные потребители электроэнергии – видеокарту и центральный процессор. Блок питания должен обеспечивать на этой линии как можно большую мощность. К примеру, 12-вольтовая линия БП рассчитана на силу тока 20 А. При напряжении 12 В это соответствует мощности в 240 Вт. Высокопроизводительные видеокарты могут развивать мощность до 200 Вт и выше. Питание на них подается через две 12-вольтовые линии.

5 В. Линии с напряжением 5 В снабжают питанием материнскую плату, жесткие диски и оптические приводы ПК.

3,3 В. Линии на 3,3 В идут только на материнскую плату и обеспечивают питанием оперативную память.

Характеристики блоков питания

Существует несколько параметров, которые определяют входную и выходную мощность, а также рабочие характеристики БП. Эти параметры являются общими для большинства блоков питания.

Загрузка блока питания

Вне зависимости от этих характеристик, если вы хотите правильно и точно протестировать блок питания , убедитесь, что хотя бы по одной линии электропитания имеется нагрузка, а ещё лучше, чтобы она была по всем трём линиям. Это - одна из причин, по которым мы рекомендуем проверять блок питания, когда он установлен в компьютер, а не извлечён. В качестве импровизированного тестового стенда вы можете использовать запасную материнскую плату и один или несколько жёстких дисков, чтобы обеспечить нагрузку по линиям питания.

Мощность блока питания

Системный интегратор должен предоставлять технические спецификации всех компонентов, которые используются в системе. Данная информация обычно отражена в справочном руководстве, но спецификации блока питания , как правило, можно узнать и по стикеру на нём. Производители БП также обычно предоставляют такую информацию, что более предпочтительно, если вы можете определить производителя и проверить данные напрямую или через интернет.

К входным характеристикам относится напряжение сети переменного тока, тогда как характеристики на выходе подразумевают перечень силы тока в амперах по каждой линии. Умножив силу тока на напряжение, можно рассчитать мощность блока питания для каждой линии:

Ватты (Вт) = Вольты (В) х Амперы (А)

Например, если для одной из линий +12 В указана сила тока 8 А, мощность равна 96 Вт, согласно данной формуле. Сложив напряжение/силу тока на каждом из основных выходов, можно рассчитать общую мощность блока питания . Отметим, что в данных вычислениях участвуют только положительные напряжения. Отрицательные напряжения, линии Standby, Power_Good и другие вспомогательные сигналы при вычислении мощности БП не учитываются.

В следующей таблице приведены расчёты для нескольких блоков питания различной мощности, соответствующим стандартам ATX12V/EPS12V, производства компании Corsair (www.corsair.com).

Типичные характеристики БП ATX12V/EPS12V, значения на выходах
Модель	VX450W	VX550W	HX650W	HX750W	HX850W	TX950W	AX1200
+12 В (A)	33	41	52	62	70	78	100
-12 В (A)	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8
+5 VSB (A)	2.5	3	3	3	3	3	2.5
+5 В (A)	20	28	30	25	25	25	30
+3.3 В (A)	20	30	24	25	25	25	30
Max +5 В/+3.3 В (Вт)	130	140	170	150	150	150	180
Заявленная мощность (Вт)	450	550	650	750	850	950	1200
Расчётная мощность (Вт)	548	657	819	919	1015	1111	1407

Фактически, все блоки питания достигают максимальных значений по линиям +3,3 В и +5 В. Расчётная максимальная мощность подразумевает общее максимальное потребление по всем линиям и в реальных условиях не достигается. Поэтому заявленная производителем мощность БП, как правило, меньше, чем расчётная.

Хотя купленные в магазине ПК часто оснащены маломощными блоками питания на 350 Вт или меньше, высокая мощность БП часто рекомендуется для полноценных настольных систем. К сожалению, даже относительно высоким оценкам мощности, заявленным для дешёвых блоков питания, не всегда можно доверять. Например, мы видели блок питания с заявленной мощностью 650 Вт, фактическая мощность которого составляла честные 200 Вт. Ещё одна проблема заключается в том, что всего несколько компаний выпускают блоки питания для ПК. Большинство БП, которые вы можете встретить на прилавках магазинов, сделаны одним из нескольких производителей, но могут продаваться под разными торговыми марками, названиями, моделями и т.д. Поскольку далеко не каждый покупатель имеет оборудование, с помощью которого можно протестировать реальную мощность на выходах, стоит доверять лишь известным, проверенным маркам, которые предлагают качественные БП.

Большинство блоков питания считаются универсальными, то есть могут использоваться в любой точке мира. Иными словами, они могут работать в сетях переменного тока 127 В /50 Гц (США), 240 В/50 Гц (Европа и некоторые другие страны), 220 В/50 Гц (Россия). Переключение в соответствующий режим входящего тока, как правило, осуществляется в автоматическом режиме, хотя до сих пор иногда встречаются БП, оснащённые тумблером 127/240 В на задней панели.

В сети переменного тока напряжение может колебаться, что учитывается при разработке дизайна блока питания, имеющего специальные цепи стабилизации на входе перед импульсным преобразователем напряжения. Как правило, учитывается эффект "проседания" напряжения, то есть его снижения на пути к розетке в квартире. По этой причине блок питания , рассчитанный на европейский стандарт 240 В, может работать в российских сетях 220 В.

Внимание! Если ваш блок питания не переключается автоматически, убедитесь, что тумблер переключения входящего напряжения установлен правильно. Если вы подключите блок питания в розетку 120 В с тумблером, установленным на 240 В, никаких неприятных последствий не произойдёт, но БП не будет работать до тех пор, пока вы не переключите тумблер. С другой стороны, если тумблер зафиксирован на 120 В, а блок питания подключается к розетке 220/240 В, он может выйти из строя.

Прочие характеристики и сертификаты

Помимо мощности, существуют и иные характеристики и функции, которыми наделяют свои изделии производители блоков питания.

Мы имели дело с огромным количеством различных компьютеров и наш опыт заключается в том, что если в помещении есть несколько компьютеров и в сети происходит внезапное падение напряжение, то более качественный и мощный блок питания позволит сохранить компьютер в рабочем состоянии, в то время как ПК со слабыми блоками питания отключаются.

Более качественный блок питания также помогает защищать вашу систему. В частности, используя блоки питания таких производителей, как PC Power и Cooling, вы можете не переживать за безопасность компонентов ПК в следующих случаях:

• 100% отключение энергии любой продолжительности.
• Кратковременное падение напряжения.
• Пиковое увеличение напряжения до 2500 В на входе (например, в результате удара молнии или кратковременного скачка напряжения в сети).

Качественные блоки питания имеют крайне низкую величину тока, подведённого к заземлению (менее 500 мА). Это важно с точки зрения безопасности ПК, если он не подключён к заземлению.

Как можно видеть, дополнительные характеристики блоков питания достаточно жёсткие и подобные возможности можно встретить, только когда речь идёт о достаточно дорогих изделиях.

Вы можете также встретить и много других критериев оценки БП. Блок питания - это тот компонент ПК, на который многие покупатели обращают внимание в последнюю очередь, поэтому многие системные интеграторы также не уделяют должного внимания выбору БП. В конце концов, продавцу ПК выгоднее установить в компьютер более производительный процессор или жёсткий диск большего объёма, чем оснастить его более качественным блоком питания.

Именно по этой причине при выборе компьютера либо апгрейде имеющегося необходимо очень внимательно отнестись к качеству блока питания , который вы планируете использовать. В то же время, различные характеристики и значения, которые приводятся в спецификации блоков питания, многих покупателей могут ввести в ступор. Поэтому здесь мы приводим перечень наиболее распространённых параметров блоков питания:

• Наработка на отказ (Mean Time Between Failures - MTBF) или наработка до отказа (Mean Time To Failure - MTTF). Расчётный интервал времени, выраженный в часах, в течении которого предполагается, что блок питания будет работать до выхода из строя. Блоки питания обычно имеют рейтинги MTBF (например, 100 000 часов или более), которые, очевидно, не являются результатом реальных эмпирических тестов. Фактически, производители используют опубликованные стандарты для вычисления MTBF, основанные на рейтингах отказов отдельных компонентов блока питания. Цифры MTBF для блоков питания часто включают уровень нагрузки, который предполагается (в % от общей мощности), а также температуру окружающей среды, при которой данные значения актуальны.
• Входной (или рабочий) диапазон. Означает диапазон напряжений, с которыми может работать БП. Например, для американской сети переменного тока 120 В входной диапазон, как правило, составляет 90-135 В, а для европейских сетей 240 В типичен диапазон 180-270 В.
• Пиковый ток при включении. Максимальная величина тока на момент времени непосредственно после включения БП, выраженная в амперах при заданном напряжении. Чем ниже эта величина, тем меньший температурный шок система испытывает.
• Время отключения. Количество времени (в миллисекундах), в течение которого БП может поддерживать уровни напряжения в соответствии со значениями по спецификации в случае внезапного отключения входящего тока. Это позволяет компьютеру продолжать работу после кратковременного падения напряжения в сети без перезагрузки или отключения. Величины в 15-30 мс являются стандартными для современных БП, но чем больше данная величина, тем лучше. Согласно спецификации "Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factors", минимальное время отключения составляет 16 мс. Время отключения также сильно зависит от текущей нагрузки на блок питания. Время отключения, как правило, отражает минимальное время, измеренное под максимальной загрузкой. Если нагрузка снижается, то время отключения пропорционально возрастает. Например, если блок питания на 1000 Вт имеет время задержки 20 мс согласно своей спецификации (измеренное под нагрузкой 1000 Вт), то при нагрузке 500 Вт (половина заявленной мощности) время загрузки увеличивается вдвое, а при нагрузке 250 Вт - в четыре раза. На самом деле, это одна из причин приобрести более мощный блок питания, чем требуется с учётом требований компонентов системы.
• Время перехода. Количество времени (в миллисекундах), которое требуется блоку питания, чтобы восстановить напряжения на выходах (в соответствии со спецификацией) после перехода в другой режим работы. Иными словами, речь идёт о времени, за которое напряжения на выходах блока питания стабилизируются при включении или отключении одного из компонентов ПК. Блок питания проверяет нагрузку по выходам через регулярные интервалы времени. Когда устройство отключается (например, оптический привод останавливает вращение диска), блок питания в течение короткого промежутка времени может продолжать подводить высокий уровень тока по разъёму питания. Это излишнее напряжение называется "выбросом", а время перехода означает промежуток времени, который требуется для возвращения к стандартным значениям напряжения на выходах согласно спецификации. Изменение режима работы какого-либо из компонентов ПК рассматриваются как скачок напряжения и могут вызывать сбои и зависания компьютера, так как влияют на подаваемые к другим выходам напряжения. Будучи одной из основных проблем импульсных блоков питания, когда они только появились, "выбросы" были заметно снижены в последние годы. Значения времени перехода часто выражаются как временные промежутки, но иногда они выражаются в предельной величине изменения напряжений на выходах (например, в спецификации говорится, что "уровень напряжения на выходе при изменении режима нагрузки может меняться в пределах 20%).
• Защита от превышения напряжения. Данный параметр определяет показатели для каждого выхода, при которых блок питания отключает тот или иной выход. Могут выражаться либо в %% от значения по спецификации (например, 120% для +3,3 В и +5 В), либо в реальных значениях напряжения (например, +4,6 В для выхода +3,3 В и +7 В для выхода +5 В).
• Максимальный ток нагрузки. Максимальное значение тока (в амперах), который может безопасно проходить через тот или иной выход. Значения выражаются в индивидуальной силе тока для каждого напряжения. Опираясь на эти данные, вы можете не только рассчитать общую мощность блока питания, но и проверить, сколько устройств можно "повесить" на тот или иной выход.
• Минимальный ток нагрузки. Определяет наименьшее значение тока (в амперах), которое должно подаваться на конкретный выход для обеспечения его работы. Если ток, потребляемый на выходе, снижается ниже минимального, то блок питания может выйти из строя или автоматически отключится.
• Стабилизация нагрузки (или стабилизация напряжения нагрузки). Когда ток по тому или иному выходу увеличивается либо снижается, значения напряжения также немного изменяются - как правило, снижаются, если ток увеличивается. Стабилизация нагрузки означает изменение напряжения на выходе, когда происходит переход от минимальной нагрузки к максимальной (или наоборот). Значения выражаются в +/- %%, обычно в диапазоне от +/-1% до +/-5% для выходов +3,3 В, +5 В и +12 В.
• Стабилизация сетевого напряжения. Изменение выходного напряжения при колебаниях входящего переменного тока от самого низкого до самого высокого значения (либо наоборот). Блок питания должен использовать любой переменной ток в пределах рабочего диапазона, сохраняя на выходе стабильное напряжение (допустимы колебания в пределах 1% или ниже).
• Эффективность. Соотношение мощности БП на выходах к потребляемой мощности. Стандартными на сегодняшний день считаются значения 65-85%. Оставшиеся 15-35% превращаются в тепловую энергию в ходе процесса преобразования тока из переменного в постоянный. Хотя более высокая эффективность означает, что блок питания будет меньше греться (и это хорошо) и более низкие расходы на оплату электроэнергии. Ради более высокой эффективности блока питания не должны приноситься в жертву точность, стабильность и надёжность, также как жёсткая стабилизация сетевого напряжения и другие характеристики.
• Шумы, перепады, периодические и случайные отклонения сети переменного тока. Средняя величина колебаний напряжения на выходах БП в зависимости от всех эффектов сети переменного тока, связанных с перепадами напряжения, как правило, изменяющаяся в милливольтах или процентах от номинального значения. Чем ниже данный показатель, тем лучше. Для качественных блоков питания перепады напряжения обычно составляют 1% от номинального напряжения на выходе (или меньше). Следовательно, для выхода +5 В они могут достигать 0,05 В или 50 мВ (милливольт). Перепады напряжения могут быть вызваны внутренними особенностями конструкции блока питания, колебаниями напряжения в сети переменного тока либо случайными наводками.

В предлагаемой вашему вниманию статье даётся описание используемой нами методики тестирования блоков питания – до настоящего момента отдельные части этого описания были рассеяны по различным статьям с тестами блоков питания, что не слишком удобно для желающих быстро ознакомиться с методикой по её состоянию на сегодняшний день.

Данный материал обновляется по мере развития и совершенствования методики, поэтому некоторые отражённые в нём методы могут не использоваться в наших старых статьях с тестами блоков питания – это означает лишь то, что метод был разработан уже после публикации соответствующей статьи. Список внесённых в статью изменений Вы найдёте в её конце.

Статью можно достаточно чётко разделить на три части: в первой мы коротко перечислим проверяемые нами параметры блока и условия этих проверок, а также поясним технический смысл данных параметров. Во второй части мы упомянем ряд терминов, часто используемых производителями блоков в маркетинговых целях, и дадим их объяснение. Третья часть будет интересна для желающих более подробно ознакомиться с техническими особенностями построения и функционирования нашего стенда для тестирования блоков питания.

Направляющим и руководящим документом при разработке описанной ниже методики для нас служил стандарт , с последней версией которого можно ознакомиться на сайте FormFactors.org . В настоящий момент он вошёл как составная часть в более общий документ под названием Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factors , в котором описаны блоки не только ATX, но и других форматов (CFX, TFX, SFX и так далее). Несмотря на то, что формально PSDG не является обязательным к исполнению для всех производителей блоков питания стандартом, мы a priori считаем, что если для компьютерного блока питания явно не указано иное (то есть это блок, находящийся в обычной розничной продаже и предназначенный для общего использования, а не каких-то конкретных моделей компьютеров конкретного производителя), он должен соответствовать требованиям PSDG.

Ознакомиться с результатами тестов конкретных моделей блоков питания можно по нашему каталогу: "Каталог протестированных блоков питания ".

Визуальный осмотр блока питания

Разумеется, первый этап тестирования – визуальный осмотр блока. Помимо эстетического удовольствия (или, наоборот, разочарования), он даёт нам и ряд вполне интересных показателей качества изделия.

Во-первых, разумеется, это качество изготовления корпуса. Толщина металла, жёсткость, особенности сборки (например, корпус может быть выполнен из тонкой стали, но скреплён семью-восемью болтами вместо обычных четырёх), качество окраски блока...

Во-вторых, качество внутреннего монтажа. Все проходящие через нашу лабораторию блоки питания обязательно вскрываются, изучаются внутри и фотографируются. Мы не заостряем внимания на мелких деталях и не перечисляем все найденные в блоке детали вместе с их номиналами – это, конечно, придало бы статьям наукообразности, но на практике в большинстве случаев совершенно бессмысленно. Тем не менее, если блок выполнен по какой-либо в целом относительно нестандартной схеме, мы стараемся в общих чертах описать её, а также объяснить причины, по которым конструкторы блока могли выбрать именно такую схему. И, разумеется, если мы замечаем какие-либо серьёзные огрехи в качестве изготовления – например, неаккуратную пайку – мы обязательно их упоминаем.

В-третьих, паспортные параметры блока. В случае, скажем так, недорогих изделий уже по ним часто можно сделать некоторые выводы о качестве – например, если общая указанная на этикетке мощность блока оказывается явно больше суммы произведений указанных там же токов и напряжений.


Также, разумеется, мы перечисляем имеющиеся на блоке шлейфы и разъёмы и указываем их длину. Последнюю мы записываем в виде суммы, в которой первое число равно расстоянию от блока питания до первого разъёма, второе – расстоянию между первым и вторым разъёмами, и так далее. Для показанного на рисунке выше шлейфа запись будет выглядеть так: "съёмный шлейф с тремя разъёмами питания SATA-винчестеров, длиной 60+15+15 см".

Работа на полной мощности

Самая интуитивно понятная и потому самая популярная среди пользователей характеристика – полная мощность блока питания. На этикетке блока указывается так называемая долговременная мощность, то есть такая, с которой блок может работать неограниченное время. Иногда рядом указывается пиковая мощность – как правило, с ней блок может работать не более минуты. Некоторые не слишком добросовестные производители указывают либо только пиковую мощность, либо же долговременную, но лишь при комнатной температуре – соответственно, при работе внутри реального компьютера, где температура воздуха выше комнатной, допустимая мощность такого блока питания оказывается ниже. Согласно рекомендациям ATX 12V Power Supply Design Guide , основополагающего документа в вопросах работы компьютерных блоков питания, блок должен работать с указанной на нём мощностью нагрузки при температуре воздуха до 50 °C – и некоторые производители упоминают данную температуру в явном виде, чтобы избежать разночтений.

В наших тестах, впрочем, проверка работы блока на полной мощности проходит в смягчённых условиях – при комнатной температуре, около 22...25 °C. С максимальной допустимой нагрузкой блок работает не менее получаса, если за это время с ним не произошло никаких происшествий – проверка считается успешно пройденной.

На данный момент наша установка позволяет полностью нагружать блоки мощностью до 1350 Вт.

Кросс-нагрузочные характеристики

Несмотря на то, что компьютерный блок питания является источником нескольких разных напряжений одновременно, основные из которых +12 В, +5 В, +3,3 В, в большинстве моделей на первые два напряжения стоит общий стабилизатор. В своей работе он ориентируется на среднее арифметическое между двумя контролируемыми напряжениями – такая схема называется "групповая стабилизация".

Как минусы, так и плюсы такой конструкции очевидны: с одной стороны, снижение себестоимости, с другой – зависимость напряжений друг от друга. Скажем, если мы увеличиваем нагрузку на шину +12 В, соответствующее напряжение проседает и стабилизатор блока пытается его "вытянуть" на прежний уровень – но, так как он одновременно стабилизирует и +5 В, повышаются оба напряжения. Стабилизатор считает ситуацию исправленной, когда среднее отклонение обоих напряжений от номинала равно нулю – но в данной ситуации это означает, что напряжение +12 В окажется немного ниже номинала, а +5 В – немного выше; если мы ещё поднимем первое, то сразу же увеличится и второе, если опустим второе – снизится и первое.

Разумеется, разработчики блоков применяют некоторые усилия для сглаживания этой проблемы – оценить же их эффективность проще всего с помощью так называемых графиков кросс-нагрузочных характеристик (сокращённо КНХ).

Пример графика КНХ

По горизонтальной оси графика откладывается нагрузка на шину +12 В тестируемого блока (если у него несколько линий с этим напряжением – суммарная нагрузка на них), а по вертикальной – суммарная нагрузка на шины +5 В и +3,3 В. Соответственно, каждая точка графика соответствует некоторому балансу нагрузки блока между этими шинами. Для большей наглядности мы не просто изображаем на графиках КНХ зону, в которой выходные нагрузки блока не выходят за допустимые пределы, а ещё и обозначаем разными цветами их отклонения от номинала – от зелёного (отклонение менее 1 %) до красного (отклонение от 4 до 5 %). Отклонение свыше 5 % считается недопустимым.

Скажем, на приведённом выше графике мы видим, что напряжение +12 В (он построен именно для него) у тестируемого блока держится неплохо, значительная часть графика залита зелёным цветом – и лишь при сильном дисбалансе нагрузок в сторону шин +5 В и +3,3 В оно уходит в красный цвет.

Кроме того, слева, снизу и справа график ограничен минимальной и максимальной допустимой нагрузкой блока – а вот неровный верхний край обязан своим происхождением вышедшим за 5-процентный предел напряжениям. Согласно стандарту, в этой области нагрузок блок питания использоваться по назначению уже не может.

Область типичных нагрузок на графике КНХ

Конечно, большое значение имеет и то, в какой именно области графика напряжение сильнее отклоняется от номинала. На картинке выше штриховкой закрашена область энергопотребления, типичная для современных компьютеров – все наиболее мощные их компоненты (видеокарты, процессоры...) ныне питаются от шины +12 В, поэтому нагрузка на неё может быть очень большой. А вот на шинах +5 В и +3,3 В, по сути, остались только жёсткие диски да компоненты материнской платы, так что потребление по ним очень редко превышает несколько десятков ватт даже в очень мощных по современным меркам компьютерах.

Если сравнить приведённые выше графики двух блоков, то хорошо видно, что первый из них уходит в красный цвет в области, несущественной для современных компьютеров, а вот второй, увы – наоборот. Поэтому, хотя в целом по всему диапазону нагрузок оба блока показали схожий результат, на практике первый будет предпочтительнее.

Так как мы в ходе теста контролируем все три основные шины блока питания – +12 В, +5 В и +3,3 В – то КНХ в статьях представляются в виде анимированного трёхкадрового изображения, каждый из кадров которого соответствует отклонению напряжения на одной из упомянутых шин.

В последнее время также всё большее распространение получают блоки питания с независимой стабилизацией выходных напряжений, в которых классическая схема дополнена дополнительными стабилизаторами по так называемой схеме с насыщаемым сердечником. Такие блоки демонстрируют существенно меньшую корреляцию между выходными напряжениями – как правило, графики КНХ для них изобилуют зелёным цветом.

Скорость вращения вентилятора и прирост температуры

Эффективность системы охлаждения блока можно рассматривать с двух позиций – с точки зрения шумности и с точки зрения нагрева. Очевидно, что достичь хороших показателей по обоим этим пунктам весьма проблематично: хорошее охлаждение можно получить, установив более мощный вентилятор, но тогда мы проиграем в шумности – и наоборот.

Для оценки эффективности охлаждения блока мы пошагово меняем его нагрузку от 50 Вт до максимально допустимой, на каждом этапе давая блоку 20...30 минут на прогрев – за это время его температура выходит на постоянный уровень. После прогрева с помощью оптического тахометра Velleman DTO2234 измеряется скорость вращения вентилятора блока, а с помощью двухканального цифрового термометра Fluke 54 II – разность температур между входящим в блок холодным воздухом и выходящим из него подогретым.
Разумеется, в идеале оба числа должны быть минимальны. Если велики и температура, и скорость вентилятора, это говорит нам о непродуманной системе охлаждения.

Разумеется, все современные блоки обладают регулировкой скорости вращения вентилятора – однако на практике может сильно варьироваться как начальная скорость (то есть скорость при минимальной нагрузке; она весьма важна, так как определяет шумность блока в моменты, когда компьютер ничем не загружен – и значит, вентиляторы видеокарты и процессора вращаются на минимальных оборотах), так и график зависимости скорости от нагрузки. Скажем, в блоках питания нижней ценовой категории для регулировки скорости вентилятора часто используется один-единственный терморезистор без каких-либо дополнительных схем – при этом обороты могут меняться всего на 10...15 %, что и регулировкой-то назвать даже трудно.

Многие производители блоков питания указывают для них либо шумность в децибелах, либо скорость вентилятора в оборотах в минуту. И то, и другое часто сопровождается хитрой маркетинговой уловкой – измеряются шумность и обороты при температуре 18 °C. Полученная цифра обычно очень красива (например, шумность 16 дБА), но не несёт в себе никакого смысла – в реальном-то компьютере температура воздуха будет на 10...15 °C выше. Ещё одной встречавшейся нам уловкой было указание для блока с двумя разнотипными вентиляторами характеристик только более медленного из них.

Пульсации выходных напряжений

Принцип действия импульсного блока питания – а все компьютерные блоки являются импульсными – основан на работе понижающего силового трансформатора на частоте, существенно большей частоты переменного тока в питающей сети, что позволяет во много раз сократить габариты этого трансформатора.

Переменное напряжение сети (с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от страны) на входе блока выпрямляется и сглаживается, после чего поступает на транзисторный ключ, преобразующий постоянное напряжение обратно в переменное, но уже с частотой на три порядка выше – от 60 до 120 кГц, в зависимости от модели блока питания. Это напряжение и поступает на высокочастотный трансформатор, понижающий его до нужных нам значений (12 В, 5 В...), после чего снова выпрямляется и сглаживается. В идеале выходное напряжение блока должно быть строго постоянным – но в реальности, конечно, полностью сгладить переменный высокочастотный ток невозможно. Стандарт требует, чтобы размах (расстояние от минимума до максимума) остаточных пульсаций выходных напряжений блоков питания при максимальной нагрузке не превышал 50 мВ для шин +5 В и +3,3 В и 120 мВ для шины +12 В.

В ходе тестирования блока мы снимаем осциллограммы его основных выходных напряжений при максимальной нагрузке с помощью двухканального осциллографа Velleman PCSU1000 и представляем их в виде общего графика:

Верхняя линия на нём соответствует шине +5 В, средняя – +12 В, нижняя – +3,3 В. На картинке выше для удобства справа наглядно проставлены предельно допустимые значения пульсаций: как вы видите, в данном блоке питания шина +12 В укладывается в них легко, шина +5 В – с трудом, а шина +3,3 В – не укладывается вообще. Высокие узкие пики на осциллограмме последнего напряжения говорят нам о том, что блок не справляется с фильтрацией наиболее высокочастотных помех – как правило, это является следствием использования недостаточно хороших электролитических конденсаторов, эффективность работы которых сильно падает с ростом частоты.

На практике выход размаха пульсаций блока питания за допустимые пределы может негативно влиять на стабильность работы компьютера, а также давать наводки на звуковые карты и подобное оборудование.

Коэффициент полезного действия

Если выше мы рассматривали только выходные параметры блока питания, то при измерении КПД уже учитываются его входные параметры – какой процент мощности, получаемой из питающей сети, блок преобразует в мощность, отдаваемую им в нагрузку. Разница, разумеется, идёт на бесполезный нагрев самого блока.

Текущая версия стандарта ATX12V 2.2 накладывает ограничение на КПД блока снизу: минимум 72 % при номинальной нагрузке, 70 % при максимальной и 65 % при лёгкой нагрузке. Помимо этого, есть рекомендуемые стандартом цифры (КПД 80 % при номинальной нагрузке), а также добровольная программа сертификации "80+Plus", согласно которой блок питания должен иметь КПД не ниже 80 % при любой нагрузке от 20 % до максимально допустимой. Такие же требования, как и в "80+Plus", содержатся в новой программе сертификации Energy Star версии 4.0.

На практике КПД блока питания зависит от напряжения сети: чем оно выше, тем лучше КПД; разница в КПД между сетями 110 В и 220 В составляет около 2 %. Кроме того, разница в КПД между разными экземплярами блоков одной модели из-за разброса параметров компонентов также может составлять 1...2 %.

В ходе наших тестов мы небольшими шагами изменяем нагрузку на блок от 50 Вт до максимально возможной и на каждом шаге после небольшого прогрева измеряем мощность, потребляемую блоком от сети – отношение мощности нагрузки к мощности, потребляемой от сети, и даёт нам КПД. В результате получается график зависимости КПД от нагрузки на блок.

Как правило, у импульсных блоков питания КПД быстро растёт по мере увеличения нагрузки, достигает максимума и затем медленно снижается. Такая нелинейность даёт интересное следствие: с точки зрения КПД, как правило, немного выгоднее покупать блок, паспортная мощность которого адекватна мощности нагрузки. Если же взять блок с большим запасом мощности, то маленькая нагрузка попадёт на нём в область графика, где КПД ещё не максимален (например, 200-ваттная нагрузка на показанном выше графике 730-ваттного блока).

Коэффициент мощности

Как известно, в сети переменного тока можно рассматривать два вида мощности: активную и реактивную. Реактивная мощность возникает в двух случаях – либо если ток нагрузки по фазе не совпадает с напряжением сети (то есть нагрузка имеет индуктивный или ёмкостный характер), либо если нагрузка является нелинейной. Компьютерный блок питания представляет собой ярко выраженный второй случай – если не принимать какие-либо дополнительные меры, он потребляет ток от сети короткими высокими импульсами, совпадающими с максимумами сетевого напряжения.

Собственно же проблема заключается в том, что, если активная мощность целиком преобразуется в блоке в работу (под которой мы в данном случае понимаем как отдаваемую блоком в нагрузку энергию, так и его собственный нагрев), то реактивная им на самом деле не потребляется вообще – она полностью возвращается обратно в сеть. Так сказать, просто гуляет туда-сюда между электростанцией и блоком. А вот соединяющие их провода она при этом нагревает ничуть не хуже, чем мощность активная... Поэтому от реактивной мощности стараются по мере возможности избавиться.

Схема, известная под названием "активный PFC", является наиболее эффективным средством подавления реактивной мощности. По своей сути, это импульсный преобразователь, который сконструирован так, что мгновенный потребляемый ток у него прямо пропорционален мгновенному напряжению в сети – иначе говоря, он специально сделан линейным, а потому потребляет только активную мощность. С выхода A-PFC напряжение подаётся уже собственно на импульсный преобразователь блока питания, тот самый, который раньше создавал реактивную нагрузку своей нелинейностью – но, так как теперь это уже постоянное напряжение, то линейность второго преобразователя роли больше не играет; он надёжно отделён от питающей сети и повлиять на неё больше не может.

Для оценки относительной величины реактивной мощности применяют такое понятие, как коэффициент мощности – это отношение активной мощности к сумме активной и реактивной мощностей (эту сумму также часто называют полной мощностью). В обычном блоке питания он составляет около 0,65, а в блоке питания с A-PFC – около 0,97...0,99, то есть использование A-PFC сводит реактивную мощность почти к нулю.

Пользователи и даже авторы обзоров часто путают коэффициент мощности с коэффициентом полезного действия – несмотря на то, что оба описывают эффективность блока питания, это очень грубая ошибка. Разница в том, что коэффициент мощности описывает эффективность использования блоком питания сети переменного тока – какой процент проходящей через неё мощности блок использует для своей работы, а КПД – уже эффективность преобразования потреблённой от сети мощности в отдаваемую в нагрузку мощность. Друг с другом они не связаны вообще никак, потому что, как было написано выше, реактивная мощность, определяющая величину коэффициента мощности, в блоке попросту ни во что не преобразуется, с ней нельзя связать понятие "эффективность преобразования", следовательно, она никак не влияет на КПД.

Вообще говоря, A-PFC выгоден не пользователю, а энергетическим компаниям, так как он снижает нагрузку на энергосистему, создаваемую блоком питания компьютера, более чем на треть – а когда компьютер стоит на каждом рабочем столе, это выливается в весьма заметные цифры. В то же время для обычного домашнего пользователя нет практически никакой разницы, есть в составе его блока питания A-PFC или же нет, даже с точки зрения оплаты электроэнергии – по крайней мере пока бытовые электросчётчики учитывают только активную мощность. Все же заявления производителей о том, как A-PFC помогает вашему компьютеру – не более чем обычный маркетинговый шум.

Одним из побочных плюсов A-PFC является то, что его можно легко спроектировать для работы в полном диапазоне напряжений от 90 до 260 В, сделав таким образом универсальный блок питания, работающий в любой сети без ручного переключения напряжения. Более того, если блоки с переключателями напряжения сети могут работать в двух диапазонах – 90...130 В и 180...260 В, но при этом их нельзя запустить в диапазоне от 130 до 180 В, то блок с A-PFC покрывает все эти напряжения целиком. В результате, если вы по каким-либо причинам вынуждены работать в условиях нестабильного электропитания, часто проседающего ниже 180 В, то блок с A-PFC позволит либо вообще обойтись без ИБП, либо изрядно увеличить срок службы его аккумулятора.

Впрочем, сам по себе A-PFC ещё не гарантирует работу в полном диапазоне напряжений – он может быть рассчитан только на диапазон 180...260 В. Это иногда встречается в блоках, предназначенных для Европы, так как отказ от полнодиапазонного A-PFC позволяет немного уменьшить его себестоимость.

Помимо активных PFC, в блоках также встречаются и пассивные. Они представляют собой наиболее простой способ коррекции коэффициента мощности – это всего лишь большой дроссель, включённый последовательно с блоком питания. За счёт своей индуктивности он немного сглаживает импульсы тока, потребляемые блоком, тем самым снижая степень нелинейности. Эффект от P-PFC весьма невелик – коэффициент мощности увеличивается с 0,65 до 0,7...0,75, зато, если установка A-PFC требует серьёзной переделки высоковольтных цепей блока, то P-PFC может быть без малейшего труда добавлен в любой существующий блок питания.

В наших тестах мы определяем коэффициент мощности блока по той же схеме, что и КПД – постепенно увеличивая мощность нагрузки от 50 Вт до максимально допустимой. Полученные данные представляются на том же графике, что и КПД.

Работа в паре с ИБП

К сожалению, описанные выше A-PFC имеет не только достоинства, но и один недостаток – некоторые его реализации не могут нормально работать с блоками бесперебойного питания. В момент перехода ИБП на батареи такие A-PFC скачком увеличивают своё потребление, в результате чего в ИБП срабатывает защита от перегрузки и он просто отключается.

Для оценки адекватности реализации A-PFC в каждом конкретном блоке мы подключаем его к ИБП APC SmartUPS SC 620VA и проверяем их работу в двух режимах – сначала при питании от сети, а потом при переходе на батареи. В обоих случаях мощность нагрузки на блок постепенно увеличивается до того момента, пока на ИБП не включится индикатор перегрузки.

Если данный блок питания совместим с ИБП, то допустимая мощность нагрузки на блок при питании от сети обычно составляет 340...380 Вт, а при переходе на батареи – чуть меньше, около 320...340 Вт. При этом, если в момент перехода на батареи мощность была выше, то ИБП включает индикатор перегрузки, но не отключается.

Если же у блока есть указанная выше проблема, то максимальная мощность, при которой ИБП соглашается с ним работать на батареях, падает заметно ниже 300 Вт, а при её превышении ИБП полностью выключается либо прямо в момент перехода на батареи, либо спустя пять-десять секунд. Если вы планируете обзаводиться ИБП, такой блок лучше не покупать.

К счастью, в последнее время блоков, несовместимых с ИБП, остаётся всё меньше. Скажем, если такие проблемы были у блоков серий PLN/PFN компании FSP Group, то уже в следующих сериях GLN/HLN они были полностью исправлены.

Если же вы уже являетесь обладателем блока, неспособного нормально работать с ИБП, то выходов два (помимо доработки самого блока, для чего требуется хорошее знание электроники) – менять либо блок, либо ИБП. Первое, как правило, дешевле, так как ИБП потребуется приобретать как минимум с очень большим запасом по мощности, а то и вовсе – online-типа, что, мягко говоря, недёшево и в домашних условиях ничем не оправдано.

Маркетинговый шум

Помимо технических характеристик, которые можно и нужно проверять в ходе тестов, производители часто любят снабжать блоки питания массой красивых надписей, повествующих об использованных в них технологиях. При этом их смысл иногда искажён, иногда тривиален, иногда эти технологии вообще относятся лишь к особенностям внутренней схемотехники блока и не влияют на его "внешние" параметры, а используются по соображениям технологичности или себестоимости. Иначе говоря, зачастую красивые ярлыки представляют собой обычный маркетинговый шум, причём – белый, не содержащий в себе никакой ценной информации. Большинство из таких заявлений не имеет большого смысла проверять экспериментально, однако ниже мы постараемся перечислить основные и наиболее часто встречающиеся, чтобы наши читатели могли более ясно представлять, с чем имеют дело. Если вы считаете, что мы упустили какой-либо из характерных пунктов – не стесняйтесь сказать нам об этом, мы обязательно дополним статью.

Dual +12V output circuits

В старые-старые времена блоки питания имели по одной шине на каждое из выходных напряжений – +5 В, +12 В, +3,3 В и пару отрицательных напряжений, а максимальная мощность каждой из шин не превышала 150...200 Вт, и лишь в некоторых особо мощных серверных блоках нагрузка на пятивольтовую шину могла достигать 50 А, то есть 250 Вт. Однако со временем ситуация менялась – общая потребляемая компьютерами мощность всё росла, а её распределение между шинами сдвигалось в сторону +12 В.

В стандарте ATX12V 1.3 рекомендуемый ток шины +12 В достиг 18 А... и вот тут и начались проблемы. Нет, не с повышением тока, с этим никаких особенных проблем не было, а с безопасностью. Дело в том, что, согласно стандарту EN-60950, максимальная мощность на свободно доступных пользователю разъёмах не должна превышать 240 ВА – считается, что большие мощности в случае замыканий или отказа оборудования уже с большой вероятностью могут приводить к разным неприятным последствиям, например, к возгоранию. На 12-вольтовой шине такая мощность достигается при токе 20 А, при этом выходные разъёмы блока питания, очевидно, считаются свободно доступными пользователю.

В результате, когда потребовалось ещё больше увеличить допустимый ток нагрузки на +12 В, разработчиками стандарта ATX12V (то есть компанией Intel) было решено разделить эту шину на несколько, с током по 18 А каждая (разница в 2 А закладывалась как небольшой запас). Исключительно из требований безопасности, абсолютно никаких других причин у этого решения нет. Немедленным следствием из этого является то, что блоку питания на самом деле совсем не требуется иметь более одной шины +12 В – ему лишь требуется, чтобы при попытке нагрузить любой его 12-вольтовый разъём током более 18 А срабатывала защита. И всё. Самый простой способ реализации этого заключается в установке внутри блока питания нескольких шунтов, к каждому из которых подключена своя группа разъёмов. Если ток через один из шунтов превышает 18 А – срабатывает защита. В результате, с одной стороны, ни на одном из разъёмов по отдельности мощность не может превысить 18 А * 12 В = 216 ВА, с другой же стороны, суммарная мощность, снимаемая с разных разъёмов, может быть и больше этой цифры. И волки сыты, и овцы целы.

Поэтому – на самом деле – блоков питания с двумя, тремя или четырьмя шинами +12 В в природе практически не встречается. Просто потому, что это не надо – зачем городить внутри блока, где и так весьма тесно, кучу дополнительных деталей, когда можно обойтись парой-тройкой шунтов да простенькой микросхемой, которая будет контролировать напряжение на них (а так как сопротивление шунтов нам известно, то из напряжения немедленно и однозначно следует величина протекающего через шунт тока)?

Однако маркетинговые отделы производителей блоков питания не могли пройти мимо такого подарка – и вот уже на коробках блоков питания красуются изречения о том, как две линии +12 В помогают увеличить мощность и стабильность. А уж если линий три...

Но ладно, если бы этим дело ограничилось. Последнее веяние моды – это блоки питания, в которых разделение линий как бы есть, а как бы и нет. Как это? Очень просто: как только ток на одной из линий достигает заветных 18 А, защита от перегрузки... отключается. В результате, с одной стороны, и сакральная надпись "Triple 12V Rails for unprecedented power and stability" с коробки никуда не исчезает, а с другой, можно ещё рядом таким же шрифтом добавить какую-нибудь чушь о том, что при необходимости все три линии в одну объединяются. Чушь – потому что, как сказано выше, они никогда и не разъединялись. Постичь же всю глубину "новой технологии" с технической точки зрения вообще решительно невозможно: по сути, отсутствие одной технологии нам пытаются преподнести как наличие другой.

Из известных нам случаев пока что на ниве продвижения в массы "самоотключающейся защиты" отметились компании Topower и Seasonic, а также, соответственно, брэнды, продающие их блоки под своей маркой.

Short circuit protection (SCP)

Защита от короткого замыкания выхода блока. Является обязательной согласно документу ATX12V Power Supply Design Guide – а значит, присутствует во всех блоках, претендующих на соответствие стандарту. Даже в тех, где на коробке нет надписи "SCP".

Overpower (overload) protection (OPP)

Защита от перегрузки блока по суммарной мощности по всем выходам. Является обязательной.

Overcurrent protection (OCP)

Защита от перегрузки (но ещё не короткого замыкания) любого из выходов блока по отдельности. Присутствует на многих, но не на всех блоках – и не для всех выходов. Обязательной не является.

Overtemperature protection (OTP)

Защита от перегрева блока. Встречается не столь часто и обязательной не является.

Overvoltage protection (OVP)

Защита от превышения выходных напряжений. Является обязательной, но, по сути, рассчитана на случай серьёзной неисправности блока – защита срабатывает лишь при 20...25 % превышении любого из выходных напряжений над номиналом. Иначе говоря, если Ваш блок выдаёт 13 В вместо 12 В – его желательно как можно быстрее заменить, но вот его защита при этом срабатывать не обязана, потому как рассчитана на более критические ситуации, грозящие немедленным выходом подключённого к блоку оборудования из строя.

Undervoltage protection (UVP)

Защита от занижения выходных напряжений. Разумеется, слишком низкое напряжение, в отличие от слишком высокого, к фатальным последствиям для компьютера не приводит, но может вызвать сбои, скажем, в работе жёсткого диска. Опять же, защита срабатывает при проседании напряжений на 20...25 %.

Nylon sleeve

Мягкие плетёные нейлоновые трубочки, в которые убраны выходные провода блока питания – они немного облегчают укладку проводов внутри системного блока, не давая им перепутываться.

К сожалению, многие производители от безусловно хорошей идеи использования нейлоновых трубочек перешли к толстым пластиковым трубкам, зачастую дополненным экранированием и светящимся в ультрафиолете слоем краски. Светящаяся краска – это, конечно, дело вкуса, а вот экранирование проводам блока питания нужно не более, чем рыбе зонтик. Зато толстые трубки делают шлейфы упругими и негнущимися, что не только мешает их укладывать в корпусе, но попросту представляет опасность для разъёмов питания, на которые приходится немалая сила сопротивляющихся сгибанию шлейфов.

Зачастую подаётся это якобы ради улучшения охлаждения системного блока – но, уверяю вас, упаковка проводов блока питания в трубки на потоки воздуха внутри корпуса влияет крайне слабо.

Dual core CPU support

По сути, не более чем красивая этикетка. Двуядерные процессоры не требуют от блока питания никакой специальной поддержки.

SLI and CrossFire support

Ещё одна красивая этикетка, означающая наличие достаточного количества разъёмов питания видеокарт и способности выдавать мощность, считающуюся достаточной для питания SLI-системы. Ничего более.

Иногда производитель блока получает от производителя видеокарт какой-нибудь соответствующий сертификат, но и он не означает ничего, кроме вышеупомянутого наличия разъёмов и большой мощности – при этом зачастую последняя значительно превышает потребности типичной SLI- или CrossFire-системы. Ведь надо же производителю как-то обосновать перед покупателями необходимость приобретения блока безумно большой мощности, так почему бы и не сделать этого, наклеив этикетку "SLI Certified" только на него?..

Industrial class components

И снова красивая этикетка! Как правило, под компонентами промышленного класса подразумеваются детали, работающие в широком диапазоне температур – но, право слово, зачем в блок питания ставить микросхему, способную работать при температуре от -45 °C, если побывать на морозе этому блоку всё равно не доведётся?..

Иногда под промышленными компонентами понимаются конденсаторы, рассчитанные на работу при температуре до 105 °C, но тут, в общем, тоже всё банально: конденсаторы в выходных цепях блока питания, греющиеся сами по себе, да ещё и расположенные рядом с горячими дросселями, всегда рассчитаны на 105 °C максимальной температуры. В противном случае срок их работы оказывается слишком маленьким (конечно, температура в блоке питания много ниже 105 °C, однако проблема заключается в том, что любое повышение температуры снижает срок службы конденсаторов – но чем выше максимально допустимая рабочая температура конденсатора, тем меньше будет влияние нагрева на его срок службы).

Входные же высоковольтные конденсаторы работают практически при температуре окружающего воздуха, поэтому использование немного более дешёвых 85-градусных конденсаторов никак на срок жизни блока питания не влияет.

Advanced double forward switching design

Заманивать покупателя красивыми, но совершенно непонятными ему словами – любимое занятие маркетинговых отделов.

В данном случае речь идёт о топологии блока питания, то есть общему принципу построения его схемы. Существует достаточно большое количество различных топологий – так, помимо собственно двухтранзисторного однотактного прямоходового преобразователя (double forward converter), в компьютерных блоках можно также встретить однотранзисторные однотактные прямоходовые преобразователи (forward converter), а также полумостовые двухтактные прямоходовые преобразователи (half-bridge converter). Все эти термины интересны лишь специалистам-электронщикам, для обычного же пользователя они по сути ничего не означают.

Выбор конкретной топологии блока питания определяется многими причинами – ассортиментом и ценой транзисторов с необходимыми характеристиками (а они серьёзно отличаются в зависимости от топологии), трансформаторов, управляющих микросхем... Скажем, однотранзисторный прямоходовый вариант прост и дёшев, но требует использования высоковольтного транзистора и высоковольтных диодов на выходе блока, поэтому используется он только в недорогих маломощных блоках (стоимость высоковольтных диодов и транзисторов большой мощности слишком велика). Полумостовый двухтактный вариант немного сложнее, зато и напряжение на транзисторах в нём вдвое меньше... В общем, в основном это вопрос наличия и стоимости необходимых компонентов. Например, можно с уверенностью прогнозировать, что рано или поздно во вторичных цепях компьютерных блоков питания начнут использоваться синхронные выпрямители – ничего особенно нового в этой технологии нет, известна она давно, просто пока что слишком дорога и обеспечиваемые ею преимущества не покрывают затраты.

Double transformer design

Использование двух силовых трансформаторов, которое встречается в блоках питания большой мощности (как правило, от киловатта) – как и в предыдущем пункте, чисто инженерное решение, которое само по себе в общем-то не влияет на характеристики блока сколь-нибудь заметным образом – просто в некоторых случаях удобнее распределить немалую мощность современных блоков по двум трансформаторам. Например, если один трансформатор полной мощности не удаётся втиснуть в габариты блока по высоте. Тем не менее, некоторые производители подают двухтрансформаторную топологию как позволяющую добиться большей стабильности, надёжности и так далее, что не совсем верно.

RoHS (Reduction of Hazardous Substances)

Новая директива Евросоюза, ограничивающая использование ряда вредных веществ в электронном оборудовании начиная с 1 июля 2006 года. Под запрет попали свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный хром и два бромидных соединения – для блоков питания это означает, в первую очередь, переход на бессвинцовые припои. С одной стороны, конечно, мы все за экологию и против тяжёлых металлов – но, с другой стороны, резкий переход на использование новых материалов может иметь в будущем весьма неприятные последствия. Так, многие хорошо знают историю с жёсткими дисками Fujitsu MPG, в которых массовый выход из строя контроллеров Cirrus Logic был вызван упаковкой их в корпуса из нового "экологичного" компаунда компании Sumitomo Bakelite: входящие в него компоненты способствовали миграции меди и серебра и образованию перемычек между дорожками внутри корпуса микросхемы, что приводило к практически гарантированному отказу чипа через год-два эксплуатации. Компаунд сняли с производства, участники истории обменялись пачкой судебных исков, ну а владельцам данных, погибших вместе с винчестерами, оставалось лишь наблюдать за происходящим.

Используемое оборудование

Разумеется, первоочередной задачей при тестировании блока питания является проверка его работы на различных мощностях нагрузки, вплоть до максимальной. Долгое время в различных обзорах авторы использовали для этой цели обычные компьютеры, в которые устанавливался проверяемый блок. Такая схема имела два основных недостатка: во-первых, нет возможности сколь-нибудь гибко контролировать потребляемую от блока мощность, во-вторых, трудно адекватно нагрузить блоки, имеющие большой запас мощности. Вторая проблема особенно ярко стала проявляться в последние годы, когда производители блоков питания устроили настоящую гонку за максимальной мощностью, в результате чего возможности их изделий намного превзошли потребности типичного компьютера. Конечно, можно говорить о том, раз для компьютера не требуется мощность более 500 Вт, то и нет большого смысла тестировать блоки на большей нагрузки – с другой стороны, раз уж мы вообще взялись испытывать изделия с большей паспортной мощностью, то было бы странно хотя бы формально не проверить их работоспособность во всём допустимом диапазоне нагрузок.

Для тестирования блоков питания в нашей лаборатории используется регулируемая нагрузка с программным управлением. Работа системы построена на одном хорошо известном свойстве полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET): они ограничивают протекающий через цепь сток-исток ток в зависимости от напряжения на затворе.

Выше показана простейшая схема стабилизатора тока на полевом транзисторе: подключив схему к блоку питания с выходным напряжением +V и вращая ручку переменного резистора R1, мы меняем напряжение на затворе транзистора VT1, тем самым меняя и текущий через него ток I – от нуля до максимального (определяемого характеристиками транзистора и/или тестируемого блока питания).

Впрочем, такая схема не слишком совершенна: при нагреве транзистора его характеристики "поплывут", а значит, будет меняться и ток I, хотя управляющее напряжение на затворе останется постоянным. Для борьбы с этой проблемой необходимо добавить в схему второй резистор R2 и операционный усилитель DA1:

Когда транзистор открыт, ток I протекает через его цепь сток-исток и резистор R2. Напряжение на последнем равно, согласно закону Ома, U=R2*I. С резистора это напряжение поступает на инвертирующий вход операционного усилителя DA1; на неинвертирующий вход этого же ОУ поступает управляющее напряжение U1 с переменного резистора R1. Свойства любого операционного усилителя таковы, что при таком включении он старается поддерживать напряжение на своих входах одинаковым; делает он это посредством изменения своего выходного напряжения, которое в нашей схеме поступает на затвор полевого транзистора и, соответственно, регулирует протекающий через него ток.

Допустим, сопротивление R2 = 1 Ом, а на резисторе R1 мы установили напряжение 1 В: тогда ОУ так изменит своё выходное напряжение, чтобы на резисторе R2 также падал 1 вольт – соответственно, ток I установится равным 1 В / 1 Ом = 1 А. Если мы установим R1 на напряжение 2 В – ОУ отреагирует установкой тока I = 2 А, и так далее. Если ток I и, соответственно, напряжение на резисторе R2 изменятся из-за разогрева транзистора, ОУ тут же скорректирует своё выходное напряжение так, чтобы вернуть их обратно.

Как видите, мы получили отличную управляемую нагрузку, которая позволяет плавно, поворотом одной ручки, менять ток в диапазоне от нуля до максимума, а единожды установленное его значение автоматически поддерживает сколь угодно долго, да при этом ещё и весьма компактна. Такая схема, разумеется, на порядок удобнее громоздкого набора низкоомных резисторов, группами подключаемых к тестируемому блоку питания.

Максимальная мощность, рассеиваемая на транзисторе, определяется его тепловым сопротивлением, предельно допустимой температурой кристалла и температурой радиатора, на котором он установлен. В нашей установке используются транзисторы International Rectifier IRFP264N (PDF , 168 кбайт) с допустимой температурой кристалла 175 °C и тепловым сопротивлением кристалл-радиатор 0,63 °C/Вт, а система охлаждения установки позволяет удерживать температуру радиатора под транзистором в пределах 80 °C (да, требующиеся для этого вентиляторы – весьма шумны...). Таким образом, максимальная рассеиваемая на одном транзисторе мощность равна (175-80)/0,63 = 150 Вт. Для достижения нужной мощности используется параллельное включение нескольких описанных выше нагрузок, управляющий сигнал на которые подаётся с одного и того же ЦАПа; можно также использовать параллельное включение двух транзисторов при одном ОУ, в таком случае предельная рассеиваемая мощность увеличивается в полтора раза по сравнению с одним транзистором.

До полностью автоматизированного тестового стенда остаётся один шаг: заменить переменный резистор на ЦАП, управляемый компьютером – и мы сможем регулировать нагрузку программно. Подключив же несколько таких нагрузок к многоканальному ЦАП и установив тут же многоканальный АЦП, измеряющий выходные напряжения тестируемого блока в реальном времени, мы получим полноценную тестовую систему для проверки компьютерных блоков питания во всём диапазоне допустимых нагрузок при любых их комбинациях:

Выше на фотографии представлена наша тестовая система в её текущем виде. На верхних двух блоках радиаторов, охлаждаемых мощными вентиляторами типоразмера 120x120x38 мм, расположены транзисторы нагрузки 12-вольтовых каналов; более скромный радиатор охлаждает транзисторы нагрузки каналов +5 В и +3,3 В, а в сером блоке, подключаемом шлейфом к LPT-порту управляющего компьютера, расположены вышеупомянутые ЦАП, АЦП и сопутствующая электроника. При габаритах 290х270х200 мм она поволяет испытывать блоки питания мощностью до 1350 Вт (до 1100 Вт по шине +12 В и до 250 Вт по шинам +5 В и +3,3 В).

Для управления стендом и автоматизации некоторых тестов была написана специальная программа, снимок экрана которой представлен выше. Она позволяет:

вручную устанавливать нагрузку на каждый из четырёх имеющихся каналов:

первый канал +12 В, от 0 до 44 А;
второй канал +12 В, от 0 до 48 А;
канал +5 В, от 0 до 35 А;
канал +3,3 В, от 0 до 25 А;

в реальном времени контролировать напряжения тестируемого блока питания на указанных шинах;
автоматически измерять и строить графики кросс-нагрузочных характеристик (КНХ) для указанного блока питания;
автоматически измерять и строить графики зависимости КПД и коэффициента мощности блока в зависимости от нагрузки;
в полуавтоматическом режиме строить графики зависимости скоростей вентиляторов блока от нагрузки;
в полуавтоматическом режиме калибровать установку с целью получения максимально точных результатов.

Особенную ценность, конечно, представляет собой автоматическое построение графиков КНХ: для них требуется провести измерения выходных напряжений блока при всех допустимых для него комбинациях нагрузок, что означает очень большое количество измерений – для проведения такого теста вручную потребовалась бы изрядная усидчивость и избыток свободного времени. Программа же на основе введённых в неё паспортных характеристик блока строит карту допустимых для него нагрузок и далее проходит по ней с заданным интервалом, на каждом шаге измеряя выдаваемые блоком напряжения и нанося их на график; весь процесс занимает от 15 до 30 минут, в зависимости от мощности блока и шага измерений – и, главное, не требует вмешательства человека.

Измерение КПД и коэффициента мощности

Для измерения КПД блока и его коэффициента мощности используется дополнительное оборудование: тестируемый блок включается в сеть 220 В через шунт, к шунту же подключается осциллограф Velleman PCSU1000. Соответственно, на его экране мы видим осциллограмму потребляемого блоком тока, а значит, можем рассчитать потребляемую им от сети мощность, а зная установленную нами же мощность нагрузки на блок – и его КПД. Измерения проводятся в полностью автоматическом режиме: описанная выше программа PSUCheck умеет получать все нужные данные напрямую из ПО осциллографа, подключаемого к компьютеру по USB-интерфейсу.

Для обеспечения максимальной точности результата выходная мощность блока измеряется с учётом колебаний его напряжений: скажем, если при нагрузке 10 А выходное напряжение шины +12 В просело до 11,7 В, то соответствующее слагаемое при расчёте КПД будет равно 10 А * 11,7 В = 117 Вт.

Осциллограф Velleman PCSU1000

Этот же осциллограф используется и для измерения размаха пульсаций выходных напряжений блока питания. Измерения производятся на шинах +5 В, +12 В и +3,3 В при максимально допустимой нагрузке на блок, осциллограф подключается по дифференциальной схеме с двумя шунтирующими конденсаторами (именно такое подключение рекомендуется в ATX Power Supply Design Guide ):

Измерение размаха пульсаций

Используемый осциллограф – двухканальный, соответственно, за один раз можно измерить размах пульсаций только на одной шине. Для получения полной картины мы повторяем измерения трижды, а три полученных осциллограммы – по одной для каждой из контролируемых трёх шин – сводим в одну картинку:

Настройки осциллографа указаны в левом нижнем углу картинки: в данном случае вертикальный масштаб равен 50 мВ/дел., а горизонтальный – 10 мкс/дел. Как правило, вертикальный масштаб во всех наших измерениях неизменен, а вот горизонтальный может меняться – некоторые блоки имеют на выходе низкочастотные пульсации, для них мы приводим ещё одну осциллограмму, с горизонтальным масштабом 2 мс/дел.

Скорость вентиляторов блока – в зависимости от нагрузки на него – измеряется в полуавтоматическом режиме: используемый нами оптический тахометр Velleman DTO2234 интерфейса с компьютером не имеет, поэтому его показания приходится заносить вручную. В ходе этого процесса мощность нагрузки на блок шагами меняется от 50 Вт до максимально допустимой, на каждом шаге блок выдерживается не менее 20 минут, после чего измеряется скорость вращения его вентилятора.

Одновременно мы измеряем прирост температуры воздуха, проходящего через блок. Измерения проводятся с помощью двухканального термопарного термометра Fluke 54 II, один из датчиков которого определяет температуру воздуха в комнате, а другой – температуру воздуха на выходе из блока питания. Для большей повторяемости результатов второй датчик мы закрепляем на специальной подставке с фиксированной высотой и расстоянием до блока – таким образом, во всех тестах датчик находится в одной и той же позиции относительно блока питания, что обеспечивает равные условия для всех участников тестирования.

На итоговом графике одновременно откладываются скорости вентиляторов и разница температур воздуха – это позволяет в некоторых случаях лучше оценить нюансы работы системы охлаждения блока.

При необходимости для контроля точности измерений и калибровки установки используется цифровой мультиметр Uni-Trend UT70D. Установка калибруется по произвольному количеству точек измерений, расположенных в произвольных участках доступного диапазона – иначе говоря, для калибровки по напряжению к ней подключается регулируемый блок питания, выходное напряжение которого небольшими шагами меняется от 1...2 В до максимально измеряемого установкой на данном канале. На каждом шаге в программу управления установкой вводится точное значение напряжения, показываемое мультиметром, по итогам чего программа рассчитывает корректировочную таблицу. Такой способ калибровки позволяет обеспечить хорошую точность измерений во всём доступном диапазоне значений.

Перечень изменений в методике тестирования

30.10.2007 – первая версия статьи