Устройство компьютерных блоков питания, схемы и методики их тестирования

Без надежного блока питания невозможна корректная работа процессора, видеокарты, накопителей и других устройств. Он обеспечивает нужное напряжение, защищает оборудование от перепадов в сети и перегрузок, напрямую влияет на срок службы всей системы.

Линейный и импульсный источники питания

Линейные блоки питания — это более простое, но менее эффективное решение. Сначала трансформатор понижает напряжение, а затем диодный мост выпрямляет ток. Такая схема снижает энергоэффективность: значительная часть энергии расходуется не по назначению.

В импульсном блоке транзисторный ключ, управляемый с помощью широтно-импульсной модуляции, быстро переключается между состояниями «вкл» и «выкл». Это позволяет не только стабилизировать напряжение, но и питать трансформатор переменным током высокой частоты.

Благодаря этому обеспечиваютсяч следующие факторы:

• сам трансформатор может быть значительно меньше и легче, чем в линейных схемах;
• КПД увеличивается — может превышать 90 %, что делает импульсные источники более выгодными, особенно для мощных ПК.

Общая схема блока питания стандарта ATX

Функциональная схема блока питания включает четыре основных узла, каждый из которых последовательно участвует в процессе преобразования энергии:

1. Фильтр электромагнитных помех (ЭМП).
2. Первичная цепь.
3. Основной трансформатор.
4. Вторичная цепь.

Кроме этих основных узлов в ATX-блоках питания предусмотрена дежурная линия +5В, которая остается активной даже при выключенном компьютере и используется для питания логики включения, функций Wake-on-LAN и USB-зарядки в спящем режиме. Вся работа блока управляется контроллером.

Фильтр ЭМП

Фильтр ЭМП предназначен для подавления помех двух типов:

• дифференциальных — токи помех текут в противоположных направлениях по фазному и нулевому проводам;
• дсинфазных — ток течет в одном направлении по обоим проводам.

Для подавления дифференциальных помех используется пленочный конденсатор CX, установленный между фазой и нейтралью, т. е. параллельно питающей линии. В более дорогих БП система дополняется дросселем на каждом проводе, повышающим импеданс на высоких частотах.

Подавление синфазных помех обеспечивают керамические конденсаторы CY, соединяющие фазу и нейтраль с заземляющим проводом, и синфазный дроссель — ферритовый сердечник с двумя одинаковыми обмотками, по которым ток протекает в одном направлении. Такой дроссель эффективно гасит синфазные токи, не влияя при этом на полезный ток.

Входной выпрямитель

В подавляющем большинстве ATX-блоков питания используется диодный мост, чаще всего реализованный в виде интегрированной сборки в общем корпусе. Такой модуль легко монтируется, занимает минимум места и, как правило, обладает лучшими характеристиками по тепловому сопротивлению и рабочему ресурсу по сравнению с мостом, собранным из четырех дискретных диодов. Использование дискретных диодов вместо цельной сборки — признак экономии и характерная черта недорогих блоков питания. Такая конфигурация усложняет охлаждение, повышает вероятность неравномерного распределения тока между элементами, а иногда и снижает общий КПД.

Блок активного PFC

Формально, работа компьютерного блока питания характеризуется тремя видами мощности:

1. Активная мощность — преобразуется в полезную работу (нагрев компонентов, вращение вентиляторов и т. д.). Она указывается в характеристиках устройства и учитывается бытовыми электросчетчиками.
2. Реактивная мощность — создает токи, которые нагружают провода, трансформаторы, ИБП и прочее оборудование..
3. Полная мощность — векторная сумма активной и реактивной мощности, определяет фактическую нагрузку на электросеть и источники питания.

Определяют также коэффициент мощности. Это отношение активной мощности к полной. У идеальной линейной нагрузки PF = 1, в то время как у обычного импульсного БП без коррекции — в районе 0,6-0,7. Это значит, что 30-40 % энергии тратятся впустую с точки зрения эффективности энергосистемы. В домашнем использовании такая ситуация не критична, однако в офисных помещениях, на серверных площадках или при подключении к источникам бесперебойного питания (ИБП) она создает серьезную нагрузку, поскольку ИБП должен обеспечивать полную мощность, а не только активную.

Для устранения этого недостатка в ATX-блоках питания применяется активная коррекция коэффициента мощности. По сути, это отдельный импульсный преобразователь, размещенный между выходом входного выпрямителя и входом основного преобразователя БП.

Основной преобразователь

В импульсных блоках питания ПК основной преобразователь представляет собой высокочастотную схему, в которой постоянное напряжение с выхода PFC-блока преобразуется в переменный ток, подаваемый на первичную обмотку трансформатора. Эта часть схемы отвечает за гальваническую развязку с сетью и адаптацию напряжения под нужды техники.

Основной элемент этой цепи — силовые транзисторы, которые работают в режиме ключевого (on/off) переключения и создают прерывистый ток, модулируемый по ширине импульса. Управление этими транзисторами осуществляется через ШИМ-контроллер, формирующий сигнал определенной скважности. От скважности напрямую зависит количество энергии, передаваемой трансформатором на вторичную цепь.

Вторичная цепь

Вторичная цепь компьютерного блока питания начинается с выходов вторичных обмоток трансформатора и включает выпрямление, фильтрацию, стабилизацию и распределение выходных напряжений.

В современных БП трансформатор чаще всего имеет отдельные обмотки под 12 В и 5 В. Выпрямление тока осуществляется сборками из диодов Шоттки или, в более продвинутых блоках, синхронными выпрямителями — транзисторами MOSFET, управляемыми для минимизации потерь на проводимость.

Дежурное питание +5VSB

Эта линия остается активной даже при выключенном ПК, если блок подключен к электросети. Она обеспечивает питание узлов, которые должны функционировать постоянно или пробуждаться по внешним сигналам, включая схему запуска ПК, контроллеры USB с функцией зарядки и поддержку режима сна (S3/S4).

Источник +5VSB реализуется как отдельный маломощный импульсный преобразователь. Он имеет собственный ШИМ-контроллер и отдельный трансформатор, гальванически изолированный от основной силовой части блока.

Методика тестирования блоков питания

Цветовая градация точек на диаграмме:

1. Кросс-нагрузочная характеристика используется для оценки стабильности выходных напряжений при различной нагрузке. По одной оси графика откладывается ток или мощность по линии +12 В (самая нагруженная шина). По другой — суммарный ток или мощность по линиям +5 В и +3,3 В. В точках пересечения определяется отклонение выходного напряжения от номинала (в процентах).зеленый — отклонение ≤ 1 % (отлично);салатовый — ≤ 2 %;желтый — ≤ 3%;оранжевый — ≤ 4 %;красный — ≤ 5 % (максимально допустимо по ATX);белый — > 5 % (выход за рамки стандарта, недопустимо).
2. зеленый — отклонение ≤ 1 % (отлично);
3. салатовый — ≤ 2 %;
4. желтый — ≤ 3%;
5. оранжевый — ≤ 4 %;
6. красный — ≤ 5 % (максимально допустимо по ATX);
7. белый — > 5 % (выход за рамки стандарта, недопустимо).
8. Измерение пульсаций на выходе. По стандарту ATX допустимы следующие значения:+12 В — ≤ 120 мВ (пиковое значение);+5 В / +3,3 В — ≤ 50 мВ. Используется USB-осциллограф. Измерения проводятся при максимальной допустимой нагрузке на каждую из шин. Выходное напряжение наблюдается на экране осциллографа — оценивается амплитуда и форма сигнала.
9. +12 В — ≤ 120 мВ (пиковое значение);
10. +5 В / +3,3 В — ≤ 50 мВ.
11. Измерение КПД. Коэффициент полезного действия показывает, какая часть входной электрической мощности преобразуется в полезную нагрузку, а какая рассеивается в виде тепла. Измеряется при различных уровнях нагрузки, строится график зависимости КПД от нагрузки.

Блок питания является критически важным компонентом настольного компьютера. Выбирая его, важно учитывать не только конструктивное качество, эффективность и соответствие современным стандартам.