1. ⇡ # Лінійний і імпульсний джерела живлення Почнемо з основ. Блок живлення в комп'ютері виконує...
2. ⇡ # Фільтр ЕМП
3. ⇡ # вхідний випрямляч
4. ⇡ # Блок активного PFC
5. ⇡ # основний перетворювач
6. ⇡ # вторинна ланцюг
7. ⇡ # Чергова харчування + 5VSB
8. ⇡ # Методика тестування блоків живлення

⇡ # Лінійний і імпульсний джерела живлення

Почнемо з основ. Блок живлення в комп'ютері виконує три функції. По-перше, змінний струм з побутової мережі електроживлення потрібно перетворити в постійний. Другим завданням БП є зниження напруги 110-230 В, надлишкового для комп'ютерної електроніки, до стандартних значень, необхідних конвертерами харчування окремих компонентів ПК, - 12 В, 5 В і 3,3 В (а також негативні напруги, про які розповімо трохи пізніше) . Нарешті, БП грає роль стабілізатора напруг.

Є два основних типи джерел живлення, які виконують перелічені функції, - лінійний і імпульсний. В основі найпростішого лінійного БП лежить трансформатор, на якому напруга змінного струму знижується до необхідного значення, і потім струм випрямляється доданими мостом.

Однак від БП потрібно ще і стабілізація вихідної напруги, що обумовлено як нестабільністю напруги в побутовій мережі, так і падінням напруги у відповідь на збільшення струму в навантаженні.

Щоб компенсувати падіння напруги, в лінійному БП параметри трансформатора розраховуються так, щоб забезпечити надлишкову потужність. Тоді при високому струмі в навантаженні буде спостерігатися необхідний вольтаж. Однак і підвищена напруга, яке виникне без будь-яких засобів компенсації при низькому струмі в корисне навантаження, теж неприйнятно. Надмірне напруження усувається за рахунок включення в ланцюг некорисної навантаження. У найпростішому випадку такою є резистор або транзистор, підключений через стабілітрон (Zener diode). У більш просунутому - транзистор управляється мікросхемою з компаратором. Як би там не було, надлишкова потужність просто розсіюється у вигляді тепла, що негативно позначається на ККД пристрою.

Приклад лінійного джерела живлення зі стабілізатором. Надлишкова потужність розсіюється на транзисторі Q1

У схемі імпульсного БП виникає ще одна змінна, від якої залежить напруга на виході, на додаток до двох вже наявних: напрузі на вході і опору навантаження. Послідовно з навантаженням варто ключ (яким в який нас випадку є транзистор), керований мікроконтролером в режимі широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Чим вище тривалість відкритих станів транзистора по відношенню до їх періоду (цей параметр називається duty cycle, в російськомовній термінології використовується зворотна величина - шпаруватість), тим вище напруга на виході. Через наявність ключа імпульсний БП також називається Switched-Mode Power Supply (SMPS).

Через закритий транзистор струм не йде, а опір відкритого транзистора в ідеалі дуже малий. Насправді відкритий транзистор має опір і розсіює якусь частину потужності у вигляді тепла. Крім того, перехід між станами транзистора не ідеально дискретний. І все ж ККД імпульсного джерела струму може перевищувати 90%, в той час як ККД лінійного БП зі стабілізатором в кращому випадку досягає 50%.

Найпростіша схема імпульсного перетворювача AC / DC з трансформатором

Інша перевага імпульсних джерел живлення складається в радикальному зменшенні габаритів і маси трансформатора в порівнянні з лінійними БП такої ж потужності. Відомо, що чим вище частота змінного струму в первинній обмотці трансформатора, тим менше необхідний розмір сердечника і число витків обмотки. Тому ключовий транзистор в ланцюзі розміщують не після, а до трансформатора і, крім стабілізації напруги використовують для отримання змінного струму високої частоти (для комп'ютерних БП це від 30 до 100 кГц і вище, а як правило - близько 60 кГц). Трансформатор, що працює на частоті електромережі 50-60 Гц, для потужності, необхідної стандартним комп'ютером, був би в десятки разів масивніше.

Лінійні БП сьогодні застосовуються головним чином в разі малопотужних пристроїв, коли щодо складна електроніка, необхідна для імпульсного джерела живлення, становить більш чутливу статтю витрат в порівнянні з трансформатором. Це, наприклад, блоки живлення на 9 В, які використовуються для гітарних педалей ефектів, а колись - для ігрових приставок та ін. А ось зарядникі для смартфонів вже суцільно імпульсні - тут витрати виправдані. Завдяки істотно меншою амплітудою пульсацій напруги на виході лінійні БП також застосовуються в тих областях, де це якість затребуваною.

⇡ # Загальна схема блоку живлення стандарту ATX

БП настільного комп'ютера являє собою імпульсний джерело живлення, на вхід якого подається напруга побутової електромережі з параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на виході є ряд ліній постійного струму, основні з яких мають номінал 12, 5 і 3,3 В . Крім цього, БП забезпечує напругу -12 В, а колись ще й напруга -5 В, необхідне для шини ISA. Але останнім в якийсь момент було виключено зі стандарту ATX в зв'язку з припиненням підтримки самої ISA.

Блок-схема імпульсного БП

На спрощеній схемі стандартного імпульсного БП, представленої вище, можна виділити чотири основні етапи. У такому ж порядку ми розглядаємо компоненти блоків живлення в оглядах, а саме:

1. фільтр ЕМП - електромагнітних завад (RFI filter);
2. первинний ланцюг - вхідний випрямляч (rectifier), ключові транзистори (switcher), що створюють змінний струм високої частоти на первинній обмотці трансформатора;
3. основний трансформатор;
4. вторинна ланцюг - випрямлячі струму з вторинної обмотки трансформатора (rectifiers), згладжують фільтри на виході (filtering).

Повна схема простого блоку живлення стандарту ATX

⇡ # Фільтр ЕМП

Фільтр на вході БП служить для придушення двох типів електромагнітних завад: диференціальних (differential-mode) - коли струм перешкоди тече в різні боки в лініях живлення, і синфазних (common-mode) - коли струм тече в одному напрямку.

Диференціальні перешкоди придушуються конденсатором CX (великий жовтий плівковий конденсатор на фото вище), включеним паралельно навантаженні. Іноді на кожен провід додатково вішають дросель, що виконує ту ж функцію (немає на схемі).

Фільтр синфазних перешкод утворений конденсаторами CY (сині каплевидні керамічні конденсатори на фото), в загальній точці з'єднують лінії живлення із землею, і т.зв. синфазним дроселем (common-mode choke, LF1 на схемі), струм в двох обмотках якого тече в одному напрямку, що створює опір для синфазних перешкод.

Схема фільтра електромагнітних завад

У дешевих моделях встановлюють мінімальний набір деталей фільтра, в більш дорогих описані схеми утворюють повторювані (повністю або частково) ланки. У минулому нерідко зустрічалися БП взагалі без фільтра ЕМП. Зараз це швидше курйозне виняток, хоча, купуючи зовсім дешевий БП, можна, все-таки нарватися на такий сюрприз. В результаті буде страждати не тільки і не стільки сам комп'ютер, скільки інша техніка, включена в побутову мережу, - імпульсні БЖ є потужним джерелом перешкод.

В районі фільтра хорошого БП можна виявити кілька деталей, що захищають від пошкодження сам пристрій або його власника. Майже завжди є найпростіший запобіжник для захисту від короткого замикання (F1 на схемі). Відзначимо, що при спрацьовуванні запобіжника, що захищається, є вже не блок живлення. Якщо відбулося КЗ, то, значить, вже пробило ключові транзистори, і важливо хоча б запобігти загорянню електропроводки. Якщо в БП раптом згорів запобіжник, то міняти його на новий, швидше за все, вже немає сенсу.

Окремо виконується захист від короткочасних коливань напруги за допомогою варистора (MOV - Metal Oxide Varistor). А ось ніяких засобів захисту від тривалого підвищення напруги в комп'ютерних БП немає. Цю функцію виконують зовнішні стабілізатори зі своїм трансформатором всередині.

Фільтр електромагнітних завад ( Antec VP700P )

Конденсатор в ланцюзі PFC після випрямляча може зберігати значний заряд після відключення від харчування. Щоб безтурботного людини, сунувшего палець в роз'єм живлення, що не вдарило струмом, між проводами встановлюють розряджає резистор великого номіналу (bleeder resistor). У більш витонченому варіанті - разом з керуючою схемою, яка не дає заряду витікати при роботі пристрою.

До речі, наявність фільтра в блоці живлення ПК (а в БП монітора і практично будь-якої комп'ютерної техніки він теж є) означає, що купувати окремий «мережевий фільтр» замість звичайного подовжувача, в общем-то, без толку. У нього всередині все те ж саме. Єдина умова в будь-якому випадку - нормальна трьохконтактного проводка з заземленням. В іншому випадку конденсатори CY, з'єднані з землею, просто не зможуть виконувати свою функцію.

⇡ # вхідний випрямляч

Після фільтра змінний струм перетвориться в постійний за допомогою діодного моста - як правило, у вигляді збірки в загальному корпусі. Окремий радіатор для охолодження моста всіляко вітається. Міст, зібраний з чотирьох дискретних діодів, - атрибут дешевих блоків живлення. Можна також поцікавитися, на який струм розрахований міст, щоб визначити, чи відповідає він потужності самого БП. Хоча за цим параметром, як правило, є хороший запас.

⇡ # Блок активного PFC

У колі змінного струму з лінійною навантаженням (як, наприклад, лампа розжарювання або електроплитка) протікає струм випливає такий же синусоїді, як і напруга. Але це не так у випадку з пристроями, що мають вхідний випрямляч, - такими як імпульсні БЖ. Блок живлення пропускає струм короткими імпульсами, приблизно збігаються за часом з піками синусоїди напруги (тобто максимальним миттєвим напругою), коли заряджається згладжує конденсатор випрямляча.

Споживання струму імпульсним БП

Сигнал струму спотвореної форми розкладається на кілька гармонійних коливань в сумі з синусоїдою даної амплітуди (ідеальним сигналом, який мав би місце при лінійному навантаженні).

Потужність, яка використовується для здійснення корисної роботи (якої, власне, є нагрів компонентів ПК), вказана в характеристиках БП і називається активною. Інша потужність, породжувана гармонійними коливаннями струму, називається реактивної. Вона не виробляє корисної роботи, але нагріває дроти і створює навантаження на трансформатори та інше силове обладнання.

Векторна сума реактивної і активної потужності називається повною потужністю (apparent power). А ставлення активної потужності до повної називається коефіцієнтом потужності (power factor) - не плутати з ККД!

У імпульсного БП коефіцієнт потужності спочатку досить низький - близько 0,7. Для приватного споживача реактивна потужність не становить проблеми (благо вона не враховується електролічильниками), якщо тільки він не користується ДБЖ. На бесперебойник якраз таки лягає повна потужність навантаження. У масштабі офісу або міської мережі надлишкова реактивна потужність, створювана імпульсними БЖ вже значно знижує якість електропостачання та викликає витрати, тому з нею активно борються.

Електрична схема і споживання струму блоком Active PFC

Зокрема, переважна більшість комп'ютерних БП оснащуються схемами активної корекції фактора потужності (Active PFC). Блок з активним PFC легко впізнати по єдиному крупному конденсатору і дроселя, встановленим після випрямляча. По суті, Active PFC є ще одним імпульсним перетворювачем, який підтримує на конденсаторі постійний заряд напругою близько 400 В. При цьому струм з мережі живлення споживається короткими імпульсами, ширина яких підібрана таким чином, щоб сигнал апроксимувати синусоїдою - що і потрібно для імітації лінійної навантаження . Для синхронізації сигналу споживання струму з синусоїдою напруги в контролері PFC є спеціальна логіка.

Схема активного PFC містить один або два ключових транзистора і потужний діод, які розміщуються на одному радіаторі з ключовими транзисторами основного перетворювача БП. Як правило, ШІМ-контролер ключа основного перетворювача і ключа Active PFC є однією мікросхемою (PWM / PFC Combo).

Блок Active PFC і вхідний випрямляч ( Antec VP700P )

Коефіцієнт потужності у імпульсних блоків живлення з активним PFC досягає 0,95 і вище. Крім того, у них є одна додаткова перевага - не потрібно перемикач мережі 110/230 В і відповідний подвоювач напруги всередині БП. Більшість схем PFC перетравлюють напруги від 85 до 265 В. Крім того, знижується чутливість БП до короткочасних провалів напруги.

До речі, крім активної корекції PFC, існує і пасивна, яка має на увазі установку дроселя великий індуктивності послідовно з навантаженням. Ефективність її невелика, і в сучасному БП ви таке навряд чи знайдете.

⇡ # основний перетворювач

Загальний принцип роботи для всіх імпульсних БП ізольованою топології (з трансформатором) один: ключовий транзистор (або транзистори) створює змінний струм на первинній обмотці трансформатора, а ШІМ-контролер управляє шпаруватістю їх перемикання. Конкретні схеми, однак, різняться як за кількістю ключових транзисторів і інших елементів, так і за якісними характеристиками: ККД, форма сигналу, перешкоди тощо. Але тут дуже багато залежить від конкретної реалізації, щоб на цьому варто було загострювати увагу. Для зацікавлених наводимо набір схем і таблицю, яка дозволить за складом деталей впізнавати їх в конкретних пристроях.

ТранзисториДіодиКонденсаториНіжки первинної обмотки трансформатораSingle-Transistor Forward

1 1 1 4 Two-Transistor Forward 2 2 0 2 Half Bridge 2 0 2 2 Full Bridge 4 0 0 2 Push-Pull 2 0 0 3

Крім перерахованих топологій, в дорогих БП зустрічаються резонансні (resonant) варіанти Half Bridge, які легко впізнати по додатковому великому дроселя (або двом) і конденсатору, що створює коливальний контур.

Single-Transistor Forward

⇡ # вторинна ланцюг

Вторинна ланцюг - це все, що знаходиться після вторинної обмотки трансформатора. У більшості сучасних блоків живлення трансформатор має дві обмотки: з одного з них знімається напруга 12 В, з іншого - 5 В. Струм спочатку випрямляється за допомогою збірки з двох діодів Шотткі - однієї або декількох на шину (на самій високонавантаженої шині - 12 В - в потужних БП буває чотири збірки). Більш ефективними з точки зору ККД є синхронні випрямлячі, в яких замість діодів використовуються польові транзистори. Але це прерогатива по-справжньому просунутих і дорогих БП, що претендують на сертифікат 80 PLUS Platinum.

Шина 3,3 В, як правило, виводиться від тієї ж обмотки, що і шина 5 В, тільки напруга знижується за допомогою насичується дроселя (Mag Amp). Спеціальна обмотка на трансформаторі під напругу 3,3 В - екзотичний варіант. З негативних напруг в поточному стандарті ATX залишилося тільки -12 В, яке знімається з вторинної обмотки під шину 12 В через окремі слабкострумові діоди.

ШІМ-управління ключем перетворювача змінює напругу на первинній обмотці трансформатора, а отже - на всіх вторинних обмотках відразу. При цьому споживання струму комп'ютером зовсім не рівномірно розподілено між шинами БП. У сучасному залозі найбільш навантаженою шиною є 12-В.

Для роздільної стабілізації напруг на різних шинах потрібні додаткові заходи. Класичний спосіб має на увазі використання дроселя групової стабілізації. Три основні шини пропущені через його обмотки, і в результаті якщо на одній шині збільшується струм, то на інших - падає напруга. Припустимо, на шині 12 В зріс струм, і, щоб запобігти падінню напруги, ШІМ-контролер зменшив шпаруватість імпульсів ключових транзисторів. В результаті на шині 5 В напругу могло б вийти за допустимі рамки, але було придушене дроселем групової стабілізації.

Напруга на шині 3,3 У додатково регулюється ще одним насичує дроселем.

Стабілізуючі дроселі і вихідний фільтр ( Antec VP700P )

У більш досконалому варіанті забезпечується роздільна стабілізація шин 5 і 12 В за рахунок насичуємо дроселів, але зараз ця конструкція в дорогих якісних БП поступилася місцем перетворювачів DC-DC. В останньому випадку трансформатор має єдину вторинну обмотку з напругою 12 В, а напруги 5 В і 3,3 В виходять завдяки перетворювачів постійного струму. Такий спосіб найбільш сприятливий для стабільності напруг.

вихідний фільтр

Фінальною стадією на кожній шині є фільтр, який згладжує пульсації напруги, що викликаються ключовими транзисторами. Крім того, у вторинну ланцюг БП в тій чи іншій мірі пробиваються пульсації вхідного випрямляча, чия частота дорівнює подвоєною частотою електромережі.

До складу фільтру пульсацій входить дросель і конденсатори великої ємності. Для якісних блоків живлення характерна ємність не менше 2 000 мкФ, але у виробників дешевих моделей є резерв для економії, коли встановлюють конденсатори, наприклад, удвічі меншого номіналу, що неминуче відбивається на амплітуді пульсацій.

⇡ # Чергова харчування + 5VSB

Опис компонентів блоку живлення було б неповним без згадки про джерело чергової напруги 5 В, який робить можливим сплячий режим ПК і забезпечує роботу всіх пристроїв, які повинні бути включені постійно. «Вартівня» харчується від окремого імпульсного перетворювача з малопотужним трансформатором. У деяких БП зустрічається і третій трансформатор, який використовується в колі зворотного зв'язку для ізоляції ШІМ-контролера від первинної ланцюга основного перетворювача. В інших випадках цю функцію виконують оптопари (світлодіод і фототранзистор в одному корпусі).

Трансформатори (Corsair HX750i)

⇡ # Методика тестування блоків живлення

Одним з основних параметрів БП є стабільність напруг, яка знаходить відображення в т.зв. крос-навантажувальної характеристиці. КНХ є діаграму, в якій на одній осі відкладений ток або потужність на шині 12 В, а на іншій - сукупний ток або потужність на шинах 3,3 і 5 В. У точках перетину при різних значеннях обох змінних визначається відхилення напруги від номіналу на тій чи іншій шині. Відповідно, ми публікуємо дві різні КНХ - для шини 12 В і для шини 5 / 3,3 В.

Колір точки означає відсоток відхилення:

• зелений: ≤ 1%;
• салатовий: ≤ 2%;
• жовтий: ≤ 3%;
• помаранчевий: ≤ 4%;
• червоний: ≤ 5%.
• білий:> 5% (не допускається стандартом ATX).

Для отримання КНХ використовується зроблений на замовлення стенд для тестування блоків живлення, який створює навантаження за рахунок розсіювання тепла на потужних польових транзисторах.

Стенд для тестування БП

Інший не менш важливий тест - визначення розмаху пульсацій на виході БП. Стандарт ATX допускає пульсації в межах 120 мВ для шини 12 В і 50 мВ - для шини 5 В. Розрізняють високочастотні пульсації (на подвоєною частоті ключа основного перетворювача) і низькочастотні (на подвоєною частоті живильної мережі).

Цей параметр ми вимірюємо за допомогою USB-осцилографа Hantek DSO-6022BE при максимальному навантаженні на БП, заданої специфікаціями. На осциллограмме нижче зелений графік відповідає шині 12 В, жовтий - 5 В. Видно, що пульсації знаходяться в межах норми, і навіть з запасом.

Високочастотні пульсації: хороший результат ( AeroCool KCAS-650M )

Низькочастотні пульсації: хороший результат ( AeroCool KCAS-650M )

Для порівняння наводимо картину пульсацій на виході БП старого комп'ютера. Цей блок спочатку не був видатним, але явно не став краще від часу. Судячи з розмаху низькочастотних пульсацій (зверніть увагу, що поділ розгортки напруги збільшено до 50 мВ, щоб коливання помістилися на екран), що згладжує конденсатор на вході вже прийшов в непридатність. Високочастотні пульсації на шині 5 В знаходяться на межі допустимих 50 мВ.

Високочастотні пульсації: на межі допустимого (старий БП)

Низькочастотні пульсації: жахливо (старий БП)

У наступному тесті визначається ККД блоку при навантаженні від 10 до 100% від номінальної потужності (шляхом порівняння потужності на виході з потужністю на вході, виміряної за допомогою побутового ваттметра). Для порівняння на графіку наводяться критерії різних категорій 80 PLUS. Втім, великого інтересу в наші дні це не викликає. На графіку наведено результати топового БП Corsair в порівнянні з вельми дешевим Antec, а різниця не те щоб дуже велика.

Більш насущний для користувача питання - шум від вбудованого вентилятора. Безпосередньо виміряти його поблизу від ревучого стенду для тестування БП неможливо, тому ми вимірюємо швидкість обертання крильчатки лазерним тахометром - також при потужності від 10 до 100%. На наведеному нижче графіку видно, що при низькому навантаженні на цей БП 135-міліметровий вентилятор зберігає низькі обороти і навряд чи чути взагалі. При максимальному навантаженні шум вже можна розрізнити, але рівень все ще цілком прийнятний.

Графік швидкості обертання вентилятора ( AeroCool KCAS-650M )

Если Ви помітілі помилки - віділіть необхідній текст и натісніть CTRL + ENTER.