Принцип работы компьютерного блока питания

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1.

Принцип работы импульсного блока питания

Один из самых важных блоков персонального компьютера — это, конечно, импульсный блок питания. Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции. Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 – 60 герц. Импортные блоки на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).

Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.

Узел управления. Является «мозгом» блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).

Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).

Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель.

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

Как говорится: «No comment «.

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 («230/115»). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110. 127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220. 230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост. При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180. 220 вольт. Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит. При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов «моста» (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще). Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни ! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!

Принцип работы блока питания компьютера

Блок питания компьютера предназначен для снабжения узлов компьютера электрической энергией постоянного тока путем преобразования сетевого напряжения до требуемых значений. Согласно спецификации ATX 2.х, он должен обеспечивать выходные напряжения +/-5, +/-12, + 3.3В, также +5В дежурного режима. Основными силовыми цепями являются напряжения +3,3, +5 и +12В. Причем, чем выше напряжение, тем большая мощность передается по данным цепям. Отрицательные напряжения допускают небольшие токи и в современных компьютерах практически не используются.

Напряжение -5В использовалось только интерфейсом ISA материнских плат. На данный момент интерфейс устарел и не используется, поэтому отпала необходимость в наличии такого напряжения. Напряжение -12В необходимо лишь для полной реализации стандарта последовательного порта RS-232 с использованием микросхем без встроенного инвертора и умножителя напряжения, поэтому также часто отсутствует.

Напряжение +/- 5, +/-12, +3,3В дежурного режима используются материнской платой компьютера. Для жестких дисков, оптических приводов, вентиляторов используется только напряжение + 5В и +12В.

Современные электронные компоненты используют напряжение не выше +5В. Наиболее мощные потребители энергии, видеокарта, центральный процессор, северный мост, подключаются через размещенные на материнской плате или видеокарте вторичные преобразователи с питанием от цепей +5В и +12В.

Напряжение +12В используется для питания мощных компонентов. Разделение питающих напряжений на 12В и 5В в первую очередь целесообразно как для снижения токов по печатным проводникам платы, так и для уменьшения потерь энергии на выходных выпрямительных диодах блока питания.

Напряжение +3,3В в блоке питания формируется из напряжения +5В, поэтому существует ограничение суммарной потребляемой мощности по +/-5В и +3,3В.

Структурная схема импульсного блока питания приведена ниже.

Входные цепи
Входной выпрямительный мост
Преобразователь
Выходные выпрямители
Дроссель выходной групповой стабилизации
Выходные фильтрующие конденсаторы

Входные цепи

Входной фильтр предотвращает распространение импульсных помех в питающую сеть, также уменьшает бросок тока заряда электролитических конденсаторов при включении блока питания в сеть. В хороших моделях имеется пассивный либо активный корректор мощности (PFC), снижающий нагрузку на питающую сеть.

A – входной диодный выпрямитель; B – входные сглаживающие конденсаторы; C – импульсный трансформатор; D – дроссель групповой стабилизации; E – конденсаторы выходного фильтра; F – радиатор высоковольтных транзисторов; G – радиатор низковольтных диодных выпрямителей.

Входной выпрямительный мост

Преобразует переменное напряжение в постоянное пульсирующее. Конденсаторный фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Отдельный маломощный блок питания выдает +5В дежурного режима материнской платы и +12В для питания микросхемы преобразователя самого блока питания. Выполнен в виде обратноходового преобразователя на дискретных элементах или на микросхеме типа TOP Switch.

Преобразователь

Полумостовой преобразователь построен на двух биполярных транзисторах. Схема управления преобразователем и защиты компьютера от превышения/снижения питающих напряжений как правило выполняется на специализированной микросхеме типа TL494, UC3844, KA5800, SG6105 и т.п.

Импульсный высокочастотный трансформатор служит для формирования необходимых номиналов напряжения, а также для гальванической развязки цепей. Пиковые напряжения на выходе высокочастотного трансформатора пропорциональны входному питающему напряжению и значительно превышают требуемых выходные.

Цепи обратной связи поддерживают стабильное напряжение на выходе блока питания.

Формирователь напряжения Power Good (PG) обычно выполняется на отдельном операционном усилителе (ОУ).

Выходные выпрямители

Положительные и отрицательные напряжения 5 и 12 В используют одни и те же выходные обмотки трансформатора с разным направлением включения диодов выпрямителя. Для снижения потерь при большом потребляемом токе в качестве выпрямителей используются диоды Шоттки, обладающие малым прямым падением напряжения.

Дроссель выходной групповой стабилизации

Сглаживает импульсы, накапливает энергию между импульсами с выходных выпрямителей. Вторая его функция – перераспределение энергии между цепями выходных напряжений. Если по какому-либо каналу увеличится потребляемый ток, что снизит напряжение в этой цепи, дроссель групповой стабилизации как трансформатор пропорционально снизит напряжение по другим выходным цепям. Цепь обратной связи обнаружит снижение напряжения на выходе и увеличит общую подачу энергии, что восстановит требуемое значение напряжений.

Выходные фильтрующие конденсаторы

Совместно с дроссельной группой стабилизации интегрируют импульсы, тем самым получая необходимые значения напряжений.

малые габариты и масса;

возможность подключения к сетям с широким диапазоном выбора напряжений и частот.

Принцип работы компьютерного блока питания

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется. Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования.

Основные узлы блока питания

Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное нап ряжение электросети (110/230 вольт).

Высокочастотный преобразователь (Инве ртор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное перемен ное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.

Характеристики блока питания.

Мощность.

Основной характеристикой БП является его мощность. Она должна быть равна суммарной мощности, которую потребляют комплектующие ПК при максимальной вычислительной нагрузке, а при нормальном выборе, т.е при адекватном покупателе, хорошо, если она превышает этот показатель на 100 Вт и более. В противном случае компьютер может выключаться в моменты пиковой нагрузки, перезагружаться или, что гораздо хуже, блок питания сгорит, а если, сгорая, подаст (на материнку, винчестеры, DVD±RW) высокое напряжение, то в «мир иной» он отойдет не один, а обязательно в дружной кампании этих устройств (частая практика).

Одна из таких программ — Power Watts PC , бесплатная, русскоязычная и вполне адекватная Вы можете самостоятельно сделать ориентировочные расчеты мощности, которая необходима для питания Вашего компьютера. Каждый компонент системы потребляет какое-то количество энергии, сложив значения энергопотребления для всех комплектующих внутри корпуса ПК, и добавив 20 % про запас, Вы получите желаемую мощность блока питания. Кроме того, в Интернете можно найти специальные «программы-калькуляторы», для расчетов такого рода. Как уже говорилось и Вы сами поняли, этот калькулятор позволяет рассчитать мощность блока питания для ПК любой конфигурации. Интерфейс программы прост и понятен, поэтому Вы без труда разберетесь в ней и рассчитаете необходимую мощность.

КПД(Коэффициент полезного действия)

Высокая мощность, сама по себе не гарантирует качественной работы. Помимо нее, имеют значение и другие параметры, например – КПД. Этот показатель говорит о том, какая доля потребляемой блоком питания энергии из электрической сети достается комплектующим компьютера. Чем выше КПД, тем меньше греется блок питания (и нет необходимости усиленного охлаждения с помощью шумного вентилятора), т.е. более эффективно преобразует энергию из электрической розетки в заявленные ватты и, конечно, тем меньше расходует энергии впустую, на обогрев.

Power Factor Correction

Значительно поднять КПД («бэпэшника») позволяет модуль PFC , что по-русски означает «коррекция фактора мощности». Модуль PFC — специальный элемент, предназначенный для коррекции коэффициента мощности и направленный на защиту сети. PFC условно делится на активн ый (Active) и пассивный (Passive). Рекомендуем покупать блоки питания с PFC (они позволяют добиться высокого уровня КПД — до 95 %), причем активным (Active), ибо APFC , дополнительно выравнивает входное напряжение, что в свою очередь позволяет стабильно работать всем устройствам, выводящим аналоговый сигнал из компьютера. Заметим, что модели с APFC немного дороже, чем их «пассивные собратья», но разница в эффективности, позже отразится в Ваших счетах за электроэнергию.

Максимальная сила тока на отдельных линиях

Общая мощность блока питания 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. Всего (как Вы уже знаете) существуют три линии 12В ; 5В и 3.3В ; чуть подробнее о них. 12-вольт подается, прежде всего, на мощные потребители электроэнергии – видеокарту и центральный процессор. Блок питания должен обеспечивать на этой линии как можно большую мощность. Для питания высокопроизводительных видеокарт используются две 12-вольтовые линии. Линии с напряжением 5В снабжают питанием материнскую плату, жесткие диски и оптические приводы ПК. Линии на 3.3В, идут только на материнскую плату и обеспечивают питанием оперативную память.Также стоит сказать, что нагрузка на линии в современных системах, как правило, неравномерна и здесь стоит учитывать, что «тяжелее» всех приходится 12-вольтовому каналу, особенно в конфигурациях с мощными видеокартами, однако про линии 5В/3.3В также забывать не стоит, их суммарный ток не должен превышать 30% от общего тока блока питания.

Габариты

При указании габаритов БП производители, как правило, ограничиваются обозначением форм-фактора, который должен отвечать стандарту ATX 2.X . Смотрите это на самом блоке питания (стрелка 1 на изображении) или на прилагающейся к нему документации. Также при покупке советуем сравнивать его габариты с размерами «посадочного места» в корпусе вашего ПК. Обратите внимание, если на корпусе стоит надпись « noise killer » (стрелка 2 на изображении), то вентилятор вращается по возможности медленно, что снижает уровень звука. Скорость же вращения регулируется специальным температурным датчиком.

Старый блок питания (стандарт АТ ), который включает и выключает компьютер при помощи обычного сетевого выключателя, далеко не самый лучший вариант. Сейчас его покупку можно оправдать только тем, что у вас дома «древняя» машина, в которую физически нельзя вставить более современный модуль. Лучше выбирать АТХ -устройство, которое работает только после команды материнской платы. Такая технология дает возможность убрать из блока высоковольтный провод и улучшить безопасность. Даже если блок АТХ сгорит, вероятность, что пострадает что-то еще, намного ниже. В свою очередь АТХ стандарт насчитывает несколько разных модификаций. Версия АТХ 2.03 , выпускается для мощных компьютеров с большим потреблением энергии.

Система Cable-managment.

Это название объединяет способ подключения кабелей к блоку питания. Суть технологии в том, что к модулю подключаются только нужные кабели, идущие в комплекте поставки.

Например, блок обладает множеством кабелей, которые позволяют подключить, скажем, от 3 до 5 жестких ди сков, до 2 — 3 видеокарт и т.п. Но ведь обычно в компьютере установлено максимум три винчестера и одна видеокарта. В этом случае получается, что все эти неиспользуемые кабели просто висят в системном блоке и только мешают охлаждению, т.к. затрудняют циркуляцию воздуха. Технология модульного подключения кабелей позволяет, по мере необходимости, подключать только нужные в данный момент кабели, а ненужные оставлять «вне». У таких модулей несъемными являются только основные кабели, например, для питания системной платы, процессора и один кабель для дополнительного питания видеокарты.

БП должен не только обеспечивать необходимую мощность, но и правильно подводить напряжение ко всем компонентам, а для этого нужны соответствующие разъемы. Например, разъемов Molex должно быть хотя бы не меньше шести штук (хотя можно расширять спец.разветвителем, но его надо покупать). В компьютере с двумя жесткими дисками и парой оптических приводов уже задействованы четыре таких разъема, а к Molex могут подключаться и другие устройства – например, корпусные вентиляторы и «древние» видеокарты с интерфейсом AGP. Длина кабелей питания должна быть достаточной для того, чтобы они могли дотянуться до всех необходимых разъемов. Еще одна немаловажная дополнительная опция, наличие котор ой крайне желательно, – оплетка у кабеля.Она, во-первых, существенно упрощает монтаж компьютера и подключение новых устройств, а во-вторых, позволяет избежать зажимов и переломов кабелей вследствие их запутывания .

Охлаждение и шум

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

Некоторые модели позволяют пользователю самому определять скорость вращения вентилятора с помощью регулятора на задней стенке, также есть модели, которые продолжают «прокачивать» воздух спустя некоторое время после выключения компьютера. Благодаря этому, компоненты компьютера быстрее остывают после работы.

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.

Время наработки на отказ

Как правило, гарантия в N-ое количество часов работы – один из признаков качественного изделия. Да, такие модели стоят несколько дороже, но зато производитель определяет гарантированное время работы устройства. Оптимальным вариантом здесь является срок 3—5 лет. Информация об этом содержится в руководстве по эксплуатации, а так же продублирована на упаковке.

Как работает блок питания компьютера

Содержание

Большинство рассказов про блоки питания начинается с подчеркивания их важнейшей и чуть ли не главенствующей роли в составе компьютера. Это не так. БП — просто один из компонентов системы, без которого она не будет работать. Он обеспечивает преобразование переменного напряжения из сети в необходимые для работы ПК стабилизированные напряжения. Все блоки можно разделить на импульсные и линейные. Современные компьютерные блоки выполнены по импульсной схеме.

Линейные блоки питания

Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора, а со вторичной мы снимаем уже пониженное до нужных пределов переменное напряжение. Далее оно выпрямляется, следом стоит фильтр (в данном случае нарисован обычный электролитический конденсатор) и схема стабилизации. Схема стабилизации необходима, так как напряжение на вторичной обмотке напрямую зависит от входного напряжения, а оно только по ГОСТу может меняться в пределах ±10 %, а в реальности — и больше.

Основные достоинства линейных блоков питания — простая конструкция и низкий уровень помех (поэтому аудиофилы часто используют их в усилителях). Недостаток таких БП — габариты и невысокий КПД. Собрать БП мощностью 400 и более Вт по такой схеме возможно, но он будет иметь устрашающие размеры, вес и стоимость (медь нынче дорогая).

Импульсные блоки питания

Далее в тексте сократим название «импульсный источник питания» до ИИП. Такие блоки питания более сложны, но гораздо более компактны. Для примера на фото ниже показана пара трансформаторов.

Слева — отечественный сетевой с номинальной мощностью 17 Вт, справа — выпаянный из компьютерного БП мощностью 450 Вт. Кстати, отечественный еще и весит раз в 5 больше.

В ИИП сетевое напряжение сначала выпрямляется и сглаживается фильтром, а потом опять преобразуется в переменное, но уже гораздо более высокой частоты (несколько десятков килогерц). А затем оно понижается трансформатором.

Так выглядит плата вживую:

Фильтр

Фильтр в блоке питания двунаправленный: он поглощает разного рода помехи: как созданные самим БП, так и приходящие из сети. В самых бюджетных БП предприимчивые китайцы вместо дросселей распаивали перемычки (или, как их называют ремонтники, «пофигисторы»), а конденсаторы не ставили вообще. Чем это плохо: помехи будут влиять на другую аппаратуру, подключенную к данной сети, а напряжение на выходе получится с «мусором». Сейчас таких блоков уже немного. Встречается также экономия на размерах: фильтр как бы есть, но работать он будет кое-как.

Фильтр работает эффективнее, когда он находится как можно ближе к источнику помех. Поэтому часть фильтра зачастую располагают прямо на сетевой розетке.

На картинке изображен фильтр в минимальной комплектации. F1 — предохранитель, VDR1 — варистор, N1 — термистор, Х2 — Х-конденсатор, Y1 — Y-конденсаторы, L1 — синфазный дроссель. Резистор R1 служит для разряда конденсатора Х2.

Еще одна опасная для жизни пользователей экономия — когда вместо специальных Х- и Y-конденсаторов ставят обычные. Впрочем, встречается она редко. Автор видел такое всего один раз и очень давно. Экономия очень незначительна, а риск для пользователей очень велик, так как, например, Y-конденсаторы подключаются одной «ногой» на фазу, а другой — на корпус. В случае пробоя конденсатора можно получить опасное для жизни напряжение на корпусе.

Корректор коэффициента мощности

Не будем вдаваться в подробности, поскольку статьи на эту тему уже были: раз и два. Скажем только, что корректор коэффициента мощности должен быть во всех компьютерных БП, желательно активного типа (A-PFC).

Плюсы корректора:
1) Снижается нагрузка на сеть.
2) Повышенный диапазон входного напряжения (чаще всего, но не всегда).
3) Улучшение работы инвертора.

Минусы:
1) Увеличивается сложность конструкции, соответственно, снижается надежность.
2) Возможны проблемы при работе с UPS.

Преобразователь

Обычно используется мостовая или полумостовая схема. Чаще всего встречается полумост. На картинке ниже он изображен в упрощенном виде.

Как видно по схеме, транзисторы открываются поочередно с небольшой задержкой, чтобы не случилось ситуации, когда оба окажутся открыты. В таком случае получаем на первичной обмотке переменный ток высокой частоты, а на вторичной — уже пониженный до нужной величины.

В топовых блоках применяются резонансные преобразователи (LLC), которые имеют более высокий КПД, но они технически сложнее.

Выпрямление и стабилизация выходных напряжений

На выходе БП имеется четыре напряжения:
1) 12 В — отвечает за питание процессора, видеокарты, HDD, вентиляторов.
2) 5 В — питание логики материнской платы, накопителей, USB.
3) 3,3 В — питание оперативной памяти.
4) -12 В — считается атавизмом и не используется в современных компьютерах.

По способу выпрямления и стабилизации блоки можно поделить на четыре группы:

1) Выпрямление с помощью диодов Шоттки (полупроводниковый прибор, у которого при прямом включении падение напряжения будет в три-четыре раза меньше, чем у обычных кремниевых), групповая стабилизация.

Внешне их можно определить по двум крупным дросселям. На одном — три обмотки (12 В, 5 В и тонкий провод -12 В).

Второй имеет меньший размер. Это отдельная стабилизация канала 3,3 В. Сейчас такие БП часто встречаются в основном в бюджетном сегменте. Например:

Вот, например, фото такого блока. Очень бюджетно:

2) Выпрямление с помощью диодов Шоттки, раздельная стабилизация на магнитных усилителях. Внешне их можно отличить по наличию в выходных цепях трех крупных дросселей. Данная схема в современных БП не используется: ее вытеснили более производительные решения. Пик такой схемотехники — начало 2000-х годов.

3) Выпрямление канала 12 В с помощью диодов Шоттки. Напряжения 5 В и 3,3 В получают из 12 В с помощью преобразователей DC-DC. Развитие электроники позволило производить недорогие и эффективные преобразователи такого рода. БП будет ненамного эффективнее обычных с групповой стабилизацией (так как нагрузка на низковольтные каналы небольшая), но стабильность напряжений выше.

4) Канал 12 В — синхронный выпрямитель на MOSFET (полевой транзистор с изолированным затвором), остальные напряжения получают при помощи преобразователей DC-DC.

Это наиболее эффективная и точная, но и более сложная схемотехника. В соответствии с ней делают все топовые блоки питания. Отклонения выходных напряжений у таких блоков укладываются в один-два процента при допустимых 5 %.

Дежурный источник питания

Представляет из себя маломощный ИИП с напряжением на выходе 5 В. Он работает все время, пока БП подключен к сети. Обеспечивает питание микросхем внутри блока и питание логики на материнской плате, а также подает питание на порты USB при выключенном компьютере.

Супервизор

Микросхема обеспечивает функционирование основных защит в блоке (превышения выходных напряжений, превышение выходного тока и прочее), управляет включением и выключением блока по сигналам с материнской платы.

Теперь вы представляете, как обстоит дело со схемотехникой в наши дни. А что нас ждет в будущем? В мае 2020 года компания Интел выпустила новый ATX12VO (12 V Only) Desktop Power Supply Disign Guide в котором описывает совершенно новые БП: у блока осталось только одно напряжение — 12 В. Нужные напряжения будет преобразовывать материнская плата. Дежурный источник питания с напряжения 5 В перейдет на 12 В. При этом размеры блоков АТХ остаются такими же. Это сделано для того, чтобы сохранить совместимость со старыми корпусами. Правда, пока производители не торопятся переходить на этот формфактор.

Принцип работы компьютерного блока питания

Почти всё о блоках питания

Итак, после многочисленных вопросов и непоняток, я решил как-то попытаться объяснить как можно подробнее принцип работы, конструкцию и требования к работе блоков питания (БП). Разумеется, часть статьи будет не понятна многим из-за использования терминов касающихся электроники, но всё же это не тупик, вы можете задать вопросы на нашем форуме, на которые мы вам постараемся как можно более доходчиво ответить.

Начнём с очень простого объяснения.

Принципы работы и назначение блоков питания

Блок питания это преобразователь электрической энергии поступающей из сети переменного тока в энергию, которая предназначена для питания всей аппаратной части персонального компьютера (ПК). Стандартное входное питание (сеть) это 220В 50Гц (или, как, например, в Японии 120В 60Гц). Выходы постоянного тока в +5В, +12В и +3,3В +3,3В и +5В используются для питания всех микросхем и электроники, +12В используются для питания электродвигателей, как моторы в CD/DVD приводах или жёстких дисках, также от +12В питаются вентиляторы. Разумеется все электродвигатели или любой электронный компонент нуждается в стабильном питании, также имеются оптимальные значения напряжений, это +/- 0.5В отклонения от нормальных. Повышая (к примеру) 3.3В на 3.8В компонент, питающийся из данного источника понесёт огромную перегрузку, а также может прийти в негодность.

Итак, разберём каждый канал питания по отдельности.

Питание +12В в основном (как сказано выше) предназначено для питания электродвигателей, данный источник должен обеспечивать большой выходной ток, особенно в компьютерах с большим количеством приводов и жестких дисков. Также вентиляторы потребляют энергию с данного источника. Потребление вентилятора составляет от 100 до 250мА (миллиампер). На данный момент это значение ниже, от 50 до 100мА. БП работает в прерывистом режиме, т.е. если напряжение выходит за штатные пределы, он «притормаживает» до нормализации. В большинстве блоков питания, перед получением разрешения на запуск системы проходит внутренняя проверка и тестирование выходного напряжения. После завершения самотестирования, на материнскую плату посылается сигнал «Power_Good» (в переводе «Питание в Норме»). Если сигнал не поступает, материнская плата откажет в запуске. Также существует проблема нестабильности внешней сети (линия 220В или 120В), она может оказаться ниже или выше, что приводит к перегреву БП. Если напряжения выходят из нормы, сигнал Power_Good пропадает, и это приводит к принудительному выключению системы. Бывают случаи, когда при запуске ПК вентиляторы реагируют, а сам ПК не подаёт признаков жизни. Это происходит, когда сигнал Power_Good не поступает, но блок питания за неправильно выполненной защитной схемой начинает подачу энергии. Правильно выполненная схема уже на материнской плате должна отказаться от старта системы, т.к. жёсткие диски и другие приводы не имеют данной схемы и могут очень быстро сгореть.

Данный метод защиты был разработан компанией IBM. Они предусмотрели факт того, что далеко не все имеют UPS и стабилизаторы, а сеть «в розетках» безжалостно скачет если ваш сосед решил включить сварочный аппарат чтобы сварить решетку на балконе :-). Температура очень сильно влияет на стабильность работы. Зная что выходные диоды это полупроводники (полупроводник, как и любой другой материал, меняет своё сопротивление току при изменении температуры) помимо того, что они становятся резисторами, они ещё и перестают успевать «закрываться», что приводит к моментальному сгоранию БП и бывают случаи когда и ПК тоже, но об этом мы поговорим подробнее позже.

Вернёмся к сигналу Power_Good: данный сигнал используется для ручного сброса. Он подаётся на микросхему тактового генератора, эта микросхема управляет формированием тактовых импульсов и вырабатывает сигнал начальной перегрузки. Если сигнальную цепь Power_Good заземлить, то генерация тактовых сигналов прекратится и процессор остановится, после размыкания вырабатывается кратковременный сигнал начальной установки процессора и разрешается прохождения сигнала Power_Good для выполнения АППАРАТНОЙ ПЕРЕЗАГРУЗКИ ПК.

Системы блоков питания АТХ имеют свойство выключения программными средствами, например современные системы Windows или Linux обладают поддержкой управления питанием (APM — advanced power managment). При выборе команды «выключить» или «halt» или других, данная функция автоматически отключает источник питания. Старые системы АТ не имели данной функции и выводилось сообщение о том, что можно выключить компьютер.

Подробнее о сигнале Power_Good

Сигнал имеет напряжение +5В (может гулять от 4 до 6). Вырабатывается, как уже сказано выше, после самопроверки. Разрыв между ОК всей системы и подачи сигнала где-то 0.1-0.5 секунд. Поступающий сигнал идёт напрямую к тактовому генератору, который формирует сигнал для начальной установки процессора. Если сигнал Power_Good отсутствует, тактовый генератор постоянно будет подавать сигнал сброса на процессор, чтобы он не смог начать работать на зашкаленных уровнях питания. Как только поступает сигнал, функция сброса отключается и выполняется инициализация программы записанной в BIOS (rom) по адресу ffff:0000

В хороших, правильных БП сигнал Power_Good поступает только после того, как питание во всех каналах нормализуется, обычные, дешевые, могут начать подачу сигнала, даже если тест ещё не пройден. Тут стОит вспомнить материнскую плату Soyo Ultra Dragon Platinum КТ333 которая инициализировалась с задержкой 3-4 секунды, это что ни на есть, идеально выполненная система защиты. Материнская плата имеет чип на входе питания, который не позволит начать работать компонентам до тех пор, пока показатели напряжения не нормализуются. Зачастую на блоках питания данной самопроверки вообще нет, просто ставят один выход +5В на провод, где должен идти Power_Good сигнал. Бывает что после замены материнской платы, компьютер начинает безжалостно «глючить», это объясняется тем, что некоторые мат платы более чувствительны к подаче питания.

Вопрос о питании (мощности) и их параметрах

На самом деле, мощность блока питания в 300 Вт, предостаточно для десктоп компьютера, но есть один небольшой нюанс: качество блоков питания приводит к слишком большим скачкам напряжения, при использовании блока питания хотя бы более чем на 50%! A теперь я углублюсь в дебри, а точнее в элементарные понятия электроники и объясню «как и почему».

Блоки питания для компьютера имеют одну платку, а не огромный трансформатор, который порой приходилось катать на тележке :-). Как это смогли сделать? Решение этому было гениальное: изобретение «импульсного блока питания».

Теперь, я объясню принцип работы трансформатора с тележкой и импульсного. Трансформатор работает по принципу индукции, т.е. имеется 2 обмотки: одна входная (допустим 220В 50Гц) и вторая на выходное напряжение. Чтобы между обмотками всё же сработал «физический закон индукции», обмотки должны иметь общий стержень, а точнее сердечник, который является сбором множества стальных пластинок формой «Е» и «I», это и есть проводник между обмотками. Мощный трансформатор (с выходом допустим на 12В и 300Вт (300/12=25А)) может перевалить за 10-15 Кг, плюс к этому, понадобится трансформатор на 5 и 3.3 вольт, что будет ещё где-то 5кг.

Всё это было, и старые компьютеры «ВЦ» работали на трансформаторах занимающих огромное пространство. Но компании должны были придумать нечто новое, чтобы пользователи могли носить свой ПК на руках, а не на телеге. Тут и пришло время затронуть импульсные блоки питания, которые раньше просто-напросто не могли быть реализованы за нехваткой технологии.

Чего нам надо от блоков питания?

Да собственно не так уж и много.

1. Давать стабильное напряжение на выходах (в случае компьютера 12, 5 и 3.3 вольт).

2. Иметь хорушую систему деления линии 220В и вашего ПК (именно плохие системы приводят к копоти на платах — естественно уже годных только для подвешивания на стену на память).

Немного на первый взгляд? Всё просто, пока не копаешь глубже. Давайте рассмотрим базовую схему работы БП (а точнее, все этапы которые проходит ток для его преобразования).

На выходе не абсолютно постоянное напряжение, а постоянное/прерывистое (т.е. уходит из заданного напряжения в определённом ранге. К примеру, 12В может гулять на 0.5В максимум — идеальный вариант, но, естественно, по ряду причин, которые объясню далее, гуляет напряжение сильнее).

Опять хочется напомнить, что многие блоки питания «вываливают» за штатные значения на 2 Вольта и это при нагрузке всего на 60% номинала! Это может приводить к непонятным перегрузкам «ни с того, ни с сего» или зависаниям посреди ответственной работы. Что могут сказать люди при этом? «ВиндоZе маст дай» или «Билл Гейтс Ка3ел», хотя ни одно, ни другое этому не причина. Хочется дать небольшой совет по поведению: прежде чем судить что-то или просто сказать «атцтой», проверьте, вы действительно правы? Может это проблема hardware? Как говорят «7 раз отмерь, потом отрежь» так же и тут: «семь раз проверь, потом суди» (извините за отклонение от темы :))

Некоторые признаки, по которым можно узнать, настоящий это китаец с завода «Thermaltake» или это фабрика «Нид фо Чайниз андерграунд 2»

Один из самых важных моментов стабилизации в блоке питания — это трансформатор/дроссель который должен быть «в компании» конденсаторов-фильтров.

всё ок, никаких претензий

нет фильтров

«Фулл Чайниз андерграунд» — нет ни фильтров, ни дросселя (вот это хуже Фредди Крюгера, т.к. может убить не только ночью во сне, а когда угодно). Как видно, всё зашунтированно

Вот интересный пример, когда, опять же, не виноват Билл Гейтс: старые холодильники делались с моторами-монстрами, которые спустя много-много лет работы стали создавать помехи, а ко всему прочему, стартовый конденсатор уже почти негоден. При включении «этого существа» в сети происходит перестройка, а блок питания без фильтров и дросселя просто даст «выброс» на выходе, и конечно же люди не станут сваливать вину на холодильних «Сибирь», который по словам бабушки работает лучше всяких там «Whirpool» и «Daewoo». Как всегда крайним будет Билл Гейтс.

Силовой трансформатор. Чем он больше — тем лучше (больше запас по токам насыщения).

Нормальный трансформатор должен быть около 4-5 см высотой, а «чайниз андерграунд» бывают и по 2 см.

Как и в ранее объясненном случае (отсутствие дросселя) бывают и более серьёзные ситуации: дроссели выходных фильтров и варисторов на их выходах.

Входные высоковольтные накопительные конденсаторы

По формуле, напряжение на конденсаторах за пол периода входной частоты падает на величину, которая определяется ёмкостью конденсатора и мощностью нагрузки. Падение на конденсаторах 470 микрофарад на блоке питания в 200ватт (реальных) составит около 30В, а на «чайниз андерграунд» с 330 микрофарад падение может составлять порядка 60-70В. Объяснять думаю не надо, понятно какая разница между ними (огромная — одним словом).

О диодах «клапанах»: например, диоды которые стоят на выпрямителях тока мощные, но они медленные (у диодов и транзисторов есть скорость открытия и закрытия при определённом проходящем токе, т.е. диоды работающие на более чем 20А и при этом должны открыватся и закрыватся с большой частотой, очень сложные и дорогие. В первую очередь они стойкие на температуру. ). Часто дешeвые блоки питания имеют два диода «жестко спаянных» друг с другом и подвешенных на аллюминевый радиатор. Что это значит? Что тепло они могут отдавать только по лапкам, толщиной в 2мм. Эти бедолаги зашкаливают за максимальную температуру и начинают «пахнуть» и часто не просто сгорают, а ещё и «уносят с собой в могилу абсолютно всё», т.к. могут остаться открытыми и наполнить конденсатор внештатными напряжениями, которое кушает наш компьютер и верно умирает. Это всё печально, но это одна из многих причин «горения БП». В дорогих БП, эти диоды залиты в силиконовый корпус, который сам теплопроводный, а диоды (полупроводниковое соединение) монтированы на металлическую пластину, которая опирается на теплопроводную резинку и всё это прикрепленно к радиатору. Такие блоки практически никогда не горят от перегрева диодов, т.к. помимо этого, эти диоды ИДЕНТИЧНЫ по всем характеристикам, а «спаянные» могут и отличаться, создавая таким образом дополнительную нагрузку на самих себя и на их транзисторы контроллеры.

Теперь, имея схему того «как работает эта зверушка» можно понять, почему я говорил про сбои напряжения на выходе. Измерив осциллографом выходной ток, можно увидеть что он почти ровный без нагрузки, а подключив один жесткий диск в 1Гб уже получим скачки в 300мв, подключив пару 20Гб дисков, можно увидеть и +/- 1В, а если ещё и всю сеть компьютера питающуюся с 12В, можно увидеть более чем 2В скачки. При таких режимах работы, компьютер будет глючить, виснуть и приходить в негодность в очень короткие сроки. Мощные блоки питания ( читать еще по теме