Напряжение в блоке питания компьютера: Устройство компьютерных блоков питания и методика их тестирования / Корпуса, БП и охлаждение — Интернет-магазин инструмента. — yato-tools.ru. Электротовары и инструмент.

Содержание

Как проверить блок питания

Сегодня мы с Вами будем говорить о том, как проверить блок питания компьютера? Проверку мы будем проводить с помощью двух разных измерительных приборов: мультиметра (мультитестера) и одной китайской «приспособы» 🙂 Ими мы проведем необходимые измерения и попытаемся выявить неисправность блока питания компьютера. Будем надеяться, что с помощью данных приборов проверка блока питания пройдет не только успешно, но и познавательно!

Начнем, как и положено, с небольшой предыстории. Был в нашем IT отделе случай: рабочая станция пользователя включалась раза с третьего-четвертого. Потом — совсем перестала загружаться. Вообщем — «классика жанра», все вентиляторы крутятся, но после включения — черный экран.

Грешим на неисправность блока питания. Как же нам с Вами проверить блок питания компьютера? Давайте извлечем его из корпуса, автономно запустим и померяем напряжения на его выходе.

Как уже упоминалось, проведем проверку блока питания двумя разными измерительными приборами: одним безымянным китайским устройством и самым обычным мультиметром долларов за 10-15.

Так мы сразу убьем двух зайцев: научимся работать с этими измерителями и сравним их показания между собой.

Предлагаю начать с простого правила: напряжения блока питания надо проверять, предварительно нагрузив чем-то сам БП. Дело в том, что без «нагрузки» мы будем получать неточные (немного завышенные) результаты измерений (а оно нам надо?). Согласно рекомендациям стандарта для блоков питания без подключения к ним нагрузки они вообще не должны запускаться.

Конечно, (в случае проведения замеров мультиметром) можно и не отключать БП от материнской платы компьютера (сохранив, тем самым, для него рабочую нагрузку), но тогда я просто не смогу нормально сфотографировать для Вас сам процесс измерений 🙂

Итак, предлагаю нагрузить наш БП обычным 8-ми сантиметровым внешним вентилятором на 12V (можно — двумя), который мы на время проверки блока питания подключим к «Molex» разъему испытуемого. Вот так:

А вот так выглядит наш китайский тестер (вещь в себе) для проверки БП о котором я говорил раньше:

Как видите, устройство без названия. Надпись «Power Supply Tester» (тестер электропитания) и — все. Но нам название не обязательно, нам надо чтобы он замеры производил адекватно.

Я подписал основные коннекторы, с которых может снимать показания данное устройство, поэтому здесь — все просто. Единственно, перед тем как начинать проверку блока питания компьютера убедитесь в том, что правильно подключили дополнительный 4-х контактный штекер на 12V. Он используется при подключении блока питания к соответствующему разъему возле центрального процессора.

Давайте разберем этот момент подробнее. Вот интересующая нас часть устройства крупным планом:

Внимание ! Видите предупреждающую надпись «Use correct connector»? (используйте подходящий коннектор). При неправильном подключении мы не то что правильно проверить блок питания не сможем, мы сам измеритель угробим ! На что тут нужно обратить внимание? На подсказки: «8P (пин)», «4P (пин)» и «6P (пин)»? К 4-х пиновому разъему подключается 4-х контактный (12-ти вольтовый) штекер питания процессора, к «6P» — шести контактный разъем дополнительного питания (к примеру — видеокарты), к «8P», соответственно, — 8-ми контактный. Только так и никак иначе!

Давайте посмотрим, как проверить блок питания данным устройством в «боевых» условиях? 🙂 Вскрываем системный блок, внимательно подключаем к тестеру нужные нам коннекторы и смотрим на экран с результатами замеров.

На фото выше мы можем видеть на цифровом табло показатели замера. Предлагаю по порядку разобрать их все. Прежде всего, стоит обратить внимание на три зеленых светодиода слева. Они указывают на наличие напряжения по основным линиям: 12, 3,3 и 5V.

По центру на экране отображается числовой результат измерений. Причем отображаются как плюсовые значения, так и значения напряжения со знаком «минус».

Давайте еще раз посмотрим на фото выше и слева направо пройдемся по всем показаниям, тестера при проверке блока питания компьютера.

— 12V (в наличии — 11,7V) — в норме
+ 12V2 (в наличии 12,2V) — ток на отдельном 4-х контактном разъеме возле процессора)
5VSB (5. 1V) — здесь V=Вольт, SB — «standby» (дежурное напряжение — «дежурка»), с номиналом в 5В, которые устанавливаются на заданном уровне не позднее чем через 2 секунды после включения блока в сеть.

PG 300ms — сигнал «Power Good». Измеряется в миллисекундах (ms). О нем поговорим чуть ниже 🙂
5V (есть 5.1V) — линии, которые служат для подачи энергии на жесткие диски, оптические приводы, дисководы и другие устройства.
+ 12V1 (12.2V) — которые подаются на основной (20 или 24-х контактный коннектор) и коннекторы дисковых устройств.
+ 3,3 V (в наличии — 3,5V) — используется для подачи питания на платы расширения (также присутствует на коннекторе SATA).

Это мы произвели проверку блока питания, который был полностью исправен (чтобы набить руку), так сказать 🙂 Теперь вопрос, как проверить блок питания компьютера, который вызывает у нас подозрения? С него эта статья и начиналась, помните? Снимаем БП, «вешаем» к нему нагрузку (вентилятор) и подключаем к нашему тестеру.

Обратите внимание на выделенные области. Мы видим что напряжения БП компьютера по линиям 12V1 и 12V2 составляют 11,3 V (при номинале в 12V).

Хорошо это или плохо? Спросите Вы 🙂 Отвечаю: согласно стандарту, есть четко заданные границы допустимых значений, которые считаются «нормальными». Все что в них не вписывается — иногда тоже замечательно работает, но зачастую — глючит или не включается вообще 🙂

Для наглядности — вот таблица допустимого разброса напряжений:

Первая колонка показывает нам все основные линии, которые есть в БП. Столбец «Допуск» это — максимально допустимое отклонение от нормы (в процентах). Согласно с ним, в поле «мин» указывается минимально допустимое значение по данной линии. Столбец «

ном» приводит номинальный (рекомендуемый показатель, согласно стандарту). И — «макс» — максимально допустимое.

Как видите, (на одной из предыдущих фотографий) наш результат замера по линиям 12V1 и 12V1 равен 11,30V и он не вписывается в стандартный пятипроцентный разброс (от 11,40 до 12,60V). Данная неисправность блока питания, по видимому, и приводит к тому, что компьютер не включается вообще или запускается с третьего раза.

Итак, неисправность, вызывающую подозрения мы обнаружили. Но как произвести дополнительную проверку и убедиться, что проблема именно в заниженном напряжении +12V? С помощью нашего (самого обычного) мультиметра под маркой «XL830L».

Запускать, блок будем так, как описано в одной из предыдущих статей, замыкая два контакта (пина) скрепкой или куском проволоки подходящего диаметра.

Теперь — подсоединяем к БП внешний вентилятор (помним про «нагрузку») и — кабель 220V. Если мы все сделали правильно, то внешний вентилятор и «карлсон» на самом блоке начнут вращаться. Картина, на этом этапе, выглядит следующим образом:

На фото выделены приборы, с помощью которых мы будем проверять блок питания. Работу тестера из поднебесной мы уже рассматривали в начале статьи, теперь произведем те же измерения, но уже с помощью цифрового мультиметра.

Здесь нужно немного отвлечься и рассмотреть поближе сам разъем БП компьютера. Точнее — те напряжения, которые в нем присутствуют. Как мы можем видеть (на одном из предыдущих фото) он состоит из 20-ти (или же — 24-ти четырех) проводов разного цвета.

Эти цвета употреблены не просто так, а обозначают весьма определенные вещи:

Черный цвет это — «земля» (COM, он же — общий провод или — масса)
Желтый цвет + 12V
Красный: + 5V
Оранжевый цвет: +3,3V

Предлагаю проверить и рассмотреть каждый пин отдельно:

Так — гораздо нагляднее, не правда ли? Про цвета Вы помните, да? (черный, желтый, красный и оранжевый). Это — основное, что нам надо запомнить и понять, прежде чем самостоятельно проверять блок питания. Но есть еще несколько пинов, на которые нам надо обратить внимание.

В первую очередь это провода:

Зеленый PS-ON — при замыкании его с «землей» блок питания запускается. На схеме это показано, как «БП Вкл.». Именно эти два контакта мы замыкаем с помощью скрепки. Напряжение на нем должно быть 5V.
Далее — серый и передаваемый по нему сигнал «Power Good» или — «Power OK». Также 5V (смотрите в примечании)
Сразу за ним — фиолетовый с маркировкой 5VSB (5V Standby). Это — пять вольт дежурного напряжения (дежурка). Его вырабатывает встроенный в БП самостоятельный маломощный источник питания, выполненный на одном полевом транзисторе и трансформаторе. Это напряжение служит только для запуска БП. Когда компьютер работает, то наличие или отсутствие напряжения +5 В SB роли не играет. Оно подается в компьютер даже тогда, когда он выключен (кабель на 220V должен быть, естественно, подключен). Это нужно, к примеру, для того, чтобы иметь возможность отправить удаленному компьютеру по сети команду на запуск «Wake On Lan».
Белый (минус пять Вольт) — сейчас практически не используется. Раньше служило для обеспечения током плат расширения, устанавливаемых в ISA слот.
Голубой (минус двенадцать Вольт) — на данный момент потребляют интерфейсы «RS232» (COM порт), «FireWire» и некоторые PCI платы расширения.

Перед тем, как проверять блок питания мультиметром, рассмотрим еще два его разъема: дополнительный 4-х контактный для нужд процессора и «Molex» коннектор, для подключения жестких дисков и оптических приводов.

Здесь мы видим знакомые уже нам цвета (желтый, красный и черный) и соответствующие им значения: + 12 и + 5V.

Для большей наглядности скачайте себе полную расшифровку всех напряжений БП отдельным архивом.

Сейчас давайте с Вами убедимся, что полученные нами теоретические знания вполне подтверждаются на практике. Каким же образом? Предлагаю начать с внимательного изучения заводского «стикера» (наклейки) на одном из реальных блоков питания стандарта ATX.

Обратите внимание на то, что подчеркнуто красным. «DC OUTPUT» (Direct Current Output — выходное значение постоянного тока).

+5V=30A (RED) — плюс пять В, обеспечивает силу тока в 30 Ампер (красный провод) Мы ведь помним из текста выше, что по красному у нас поступает именно +5V?
+12V=10A (YELLOW) — по плюс двенадцать В мы имеем силу тока в десять Ампер (ее провод — желтый)
+3.3V=20A (ORANGE) — линия три и три десятых В может выдержать силу тока в двадцать Ампер (оранжевый)
-5V (WHITE) — минус пять В — по аналогии с описанным выше (белый)
-12V (BLUE) — минус двенадцать В (голубой)
+5Vsb (PURPLE) — плюс пять В дежурное (Standby). О нем мы уже говорили выше (он — фиолетовый).
PG (GRAY) — сигнал Power Good (серый).

На заметку: если, к примеру, дежурное напряжение согласно замерам равно не пяти вольтам, а, скажем, — четырем, то, весьма вероятно, что мы имеем дело с проблемным стабилизатором напряжения (стабилитроном), который следует заменить на аналогичный.

И последняя запись из списка выше говорит нам, что максимальная выходная мощность изделия в ваттах равна 400W, причем только каналы в 3 и 5V суммарно могут обеспечить 195 Ватт.

Примечание: «Power Good» — «питание соответствует норме». Напряжение от 3-х до 6-ти Вольт (номинал — 5V) вырабатывается после необходимых внутренних проверок через 100 — 500 ms (миллисекунд, получается — от 0,1 до 0,5 секунды) после включения. После этого микросхема тактового генератора формирует сигнал начальной установки центрального процессора. Если он отсутствует, то на материнской плате возникает другой сигнал — аппаратного сброса ЦП, не позволяя компьютеру работать при нештатном или нестабильном питании.

Если выходные напряжения не соответствуют номинальным (например, при его снижении в электросети), сигнал «Power Good» пропадает и процессор автоматически перезапускается. При восстановлении всех необходимых значений тока «P.G.» формируется заново и компьютер начинает работать так, как будто его только что включили. Благодаря быстрому отключению сигнала «Power Good» ПК “не замечает” неполадок в системе питания, поскольку останавливает работу раньше, чем могут появиться ошибки и другие проблемы, связанные с его нестабильностью.

В правильно спроектированном блоке выдача команда «Power Good» задерживается до стабилизации питания по всем цепям. В дешевых БП эта задержка недостаточна и процессор начинает работать слишком рано, что, само по себе, может даже привести к искажению содержимого CMOS-памяти.

Вот теперь, вооружившись необходимыми теоретическими знаниями, мы понимаем как правильно проверить блок питания компьютера с помощью мультитестера. Выставляем предел измерений по шкале постоянного тока в 20 Вольт и приступим к проверке блока питания.

Черный «щуп» тестера прикладываем к черному проводу «земля», а красным начинаем «тыкать» во все оставшиеся 🙂

Примечание: не волнуйтесь, даже если Вы что-то не так начнете «щупать», то ничего не сожжете — просто получите не верные результаты измерений.

Итак, что мы видим на экране мультиметра в процессе проверки блока питания?

По линии +12V напряжение в 11,37V. Помните, китайский тестер показал нам 11,3 (в принципе, — похожее значение). Но все равно не дотягивает до минимально допустимого в 11,40V.

Обратите внимание также на две полезные кнопки на тестере: «Hold» — удержание показаний измерений на табло и «Back Light» — подсветка экрана (при работе в плохо освещенных помещениях).

Что мы делаем дальше? Предлагаю также снять замер с «Molex» разъема и с провода в +12V.

Видим — те же (не внушающие доверия) 11,37V.

Теперь (для полноты картины) нам нужно проверить блок питания на предмет соответствия номиналу других значений. Протестируем, к примеру, пять Вольт на том же «Molex-е».

Черный «щуп» к «земле», а красный — к красному пятивольтовому пину. Вот результат на мультиметре:

Как видим — показатели в норме. Аналогично производим замеры всех остальных проводов и сверяем каждый результат с номиналом из полной расшифровки.

Таким образом, проверка блока питания показала, что устройство имеет сильно заниженное (относительно номинала) напряжение +12V. Давайте, для наглядности еще раз промеряем эту же линию (желтый цвет на дополнительном 4-х контактном разъеме) у полностью исправного устройства.

Видим — 11,92V (помним что минимально допустимое значение здесь у нас — 11,40V). Значит в допуск вполне укладываемся.

Но проверить блок питания компьютера это еще — пол дела. Надо его после этого еще и отремонтировать, а этот момент мы разбирали в одной из предыдущих статей, которая называлась проблемы с блоком питания.

Надеюсь, что теперь Вы сами, при необходимости, сможете проверить блок питания компьютера, будете точно знать, какие именно напряжения должны присутствовать на его выводах и действовать, в соответствии с этим.

Как устроен блок питания, который работает в каждом системнике / Хабр

Блок питания извлечён из корпуса. Пучок проводов слева подключается к компьютеру. Большой компонент посередине типа трансформатора — это фильтрующий индуктор. Кликабельно, как и все фотографии в статье

Вы когда-нибудь задумывались, что находится внутри блока питания (БП) вашего компьютера? Задача БП — преобразовать питание из сети (120 или 240 В переменного тока, AC) в стабильное питание постоянного, то есть однонаправленного тока (DC), который нужен вашему компьютеру. БП должен быть компактным и дешёвым, при этом эффективно и безопасно преобразовывать ток. Для этих целей при изготовлении используются различные методы, а сами БП внутри устроены гораздо сложнее, чем вы думаете.

В этой статье мы разберём блок стандарта ATX и объясним, как он работает¹.

Как и в большинстве современных БП, в нашем используется конструкция, известная как «импульсный блок питания» (ИБП). Это сейчас они очень дёшевы, но так было не всегда. В 1950-е годы сложные и дорогие ИБП использовались разве что в ракетах и космических спутниках с критическими требованиями к размеру и весу. Однако к началу 1970-х новые высоковольтные транзисторы и другие технологические усовершенствования значительно удешевили ИБП, так что их стали широко использовать в компьютерах. Сегодня вы можете за несколько долларов купить зарядное устройство для телефона с ИБП внутри.

Наш ИБП формата ATX упакован в металлический корпус размером с кирпич, из которого выходит множество разноцветных кабелей. Внутри корпуса мы видим плотно упакованные компоненты. Инженеры-конструкторы явно были озабочены проблемой компактности устройства. Многие компоненты накрыты радиаторами. Они охлаждают силовые полупроводники. То же самое для всего БП делает встроенный вентилятор. На КДПВ он справа.

Начнём с краткого обзора, как работает ИБП, а затем подробно опишем компоненты. Своеобразный «конвейер» на фотографии организован справа налево. Справа ИБП получает переменный ток. Входной переменный ток преобразуется в высоковольтный постоянный ток с помощью нескольких крупных фильтрующих компонентов. Этот постоянный ток включается и выключается тысячи раз в секунду для генерации импульсов, которые подаются в трансформатор. Тот преобразует высоковольтные импульсы в сильноточные низковольтные. Эти импульсы преобразуются в постоянный ток и фильтруются, чтобы обеспечить хорошее, чистое питание. Оно подаётся на материнскую плату, накопители и дисководы через кабели на фотографии слева.

Хотя процесс может показаться чрезмерно сложным, но большинство бытовой электроники от мобильника до телевизора на самом деле питаются через ИБП. Высокочастотный ток позволяет сделать маленький, лёгкий трансформатор. Кроме того, импульсные БП очень эффективны. Импульсы настраиваются таким образом, чтобы обеспечить только необходимую мощность, а не превращать избыточную мощность в отработанное тепло, как в линейном БП.

Первым делом входной переменный ток проходит через цепь входного фильтра, которая фильтрует электрический шум, то есть беспорядочные изменения электрического тока, ухудшающие качество сигнала.

Фильтр ниже состоит из индукторов (тороидальных катушек) и конденсаторов. Квадратные серые конденсаторы — специальные компоненты класса X для безопасного подключения к линиям переменного тока.

Компоненты входного фильтра

Переменный ток с частотой 60 герц в сети меняет своё направление 60 раз в секунду (AC), но компьютеру нужен постоянный ток в одном направлении (DC). Полномостовой выпрямитель на фотографии ниже преобразует переменный ток в постоянный. Выходы постоянного тока на выпрямителе отмечены знаками ? и +, а переменный ток входит через два центральных контакта, которые постоянно меняют свою полярность. Внутри выпрямителя — четыре диода. Диод позволяет току проходить в одном направлении и блокирует его в другом направлении, поэтому в результате переменный ток преобразуется в постоянный ток, протекающий в нужном направлении.

На мостовом выпрямителе видна маркировка GBU606. Цепь фильтра находится слева от выпрямителя. Большой чёрный конденсатор справа — один из удвоителей напряжения. Маленький жёлтый конденсатор — это специальный керамический Y-конденсатор, который защищает от всплесков напряжения

Ниже — две схемы, как работает мостовой выпрямитель. На первой схеме у верхнего входа переменного тока положительная полярность. Диоды пропускают поток на выход DC. На второй схеме входы переменного тока поменяли полярность, как это происходит постоянно в AC. Однако конфигурация диодов гарантирует, что выходной ток остаётся неизменным (плюс всегда сверху). Конденсаторы сглаживают выход.

На двух схемах показан поток тока при колебаниях входного сигнала AC. Четыре диода заставляют ток течь в направлении по стрелке

Современные БП принимают «универсальное» входное напряжение от 85 до 264 вольт переменного тока, поэтому могут использоваться в разных странах независимо от напряжения в местной сети. Однако схема этого старого БП не могла справиться с таким широким диапазоном. Поэтому предусмотрен переключатель для выбора 115 или 230 В.

Переключатель 115/230 В

Переключатель использует умную схему с удвоителем напряжения. Идея в том, что при закрытом переключателе (на 115 В) вход AC обходит два нижних диода в мостовом выпрямителе, а вместо этого подключается непосредственно к двум конденсаторам. Когда «плюс» на верхнем входе AC, полное напряжение получает верхний конденсатор. А когда «плюс» снизу, то нижний. Поскольку выход DC идёт с обоих конденсаторов, на выходе всегда получается двойное напряжение. Дело в том, что остальная часть БП получает одинаковое напряжение независимо от того, на входе 115 или 230 В, что упрощает его конструкцию. Недостаток удвоителя в том, что пользователь обязан установить переключатель в правильное положение, иначе рискует повредить БП, а для самого БП требуются два больших конденсатора. Поэтому в современных БП удвоитель напряжения вышел из моды.

Схема удвоителя напряжения. Каждый конденсатор получает полный вольтаж, поэтому на выходе DC двойное напряжение. Серые диоды не используются в работе удвоителя

В целях безопасности высоковольтные и низковольтные компоненты разделены механически и электрически, см. фотографию ниже. На основной стороне находятся все цепи, которые подключаются к сети AC. На вторичной стороне — низковольтные цепи. Две стороны разделены «пограничной изоляцией», которая отмечена зелёным пунктиром на фотографии. Через границу не проходит никаких электрических соединений. Трансформаторы пропускают энергию через эту границу через магнитные поля без прямого электрического соединения. Сигналы обратной связи передаются на основную сторону с помощью оптоизоляторов, то есть световыми импульсами. Это разделение является ключевым фактором в безопасной конструкции: прямое электрическое соединение между линией AC и выходом БП создаёт опасность удара электрическим током.

Источник питания с маркировкой основных элементов. Радиаторы, конденсаторы, плата управления и выходные кабели удалены ради лучшего обзора (SB означает источник резервного питания, standby supply)

К этому моменту входной переменный ток преобразован в высоковольтный постоянный ток около 320 В². Постоянный ток нарезается на импульсы переключающим (импульсным) транзистором (switching transistor на схеме выше). Это силовой МОП-транзистор (MOSFET)³. Поскольку во время использования он нагревается, то установлен на большом радиаторе. Импульсы подаются в главный трансформатор, который в некотором смысле является сердцем БП.

Трансформатор состоит из нескольких катушек проволоки, намотанных на намагничиваемый сердечник. Высоковольтные импульсы, поступающие в первичную обмотку трансформатора, создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая в них напряжение. Так ИБП безопасно вырабатывает выходной ток: между двумя сторонами трансформатора нет электрического соединения, только соединение через магнитное поле. Другим важным аспектом является то, что в первичной обмотке много оборотов проволоки вокруг сердечника, а на вторичных контурах гораздо меньше. В результате получается понижающий трансформатор: выходное напряжение намного меньше входного, но при гораздо большем вольтаже.

Переключающий транзистор³ управляется интегральной схемой под названием «ШИМ-контроллер режима тока UC3842B». Этот чип можно считать мозгом БП. Он генерирует импульсы на высокой частоте 250 килогерц. Ширина каждого импульса регулируется для обеспечения необходимого выходного напряжения: если напряжение начинает падать, чип производит более широкие импульсы, чтобы пропускать больше энергии через трансформатор⁴.

Теперь можно посмотреть на вторую, низковольтную часть БП. Вторичная схема производит четыре выходных напряжения: 5, 12, ?12 и 3,3 вольта. Для каждого выходного напряжения отдельная обмотка трансформатора и отдельная схема для получения этого тока. Силовые диоды (ниже) преобразуют выходы трансформатора в постоянный ток. Затем индукторы и конденсаторы фильтруют выход от всплесков напряжения. БП должен регулировать выходное напряжение, чтобы поддерживать его на должном уровне даже при увеличении или уменьшении нагрузки. Интересно, что в БП используется несколько различных методов регулирования.

Крупным планом показаны выходные диоды. Слева вертикально установлены цилиндрические диоды. В центре — пары прямоугольных силовых диодов Шоттки, в каждом корпусе по два диода. Эти диоды прикреплены к радиатору для охлаждения. Справа обратите внимание на два медных провода в форме скоб. Они используются в качестве резисторов для измерения тока

Основными являются выходы 5 и 12 В. Они регулируются одной микросхемой контроллера на основной стороне. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов, пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной стороне БП. А если напряжение слишком высокое, чип уменьшает ширину импульса. Примечание: одна и та же схема обратной связи управляет выходами на 5 и 12 В, поэтому нагрузка на одном выходе может изменять напряжение на другом. В более качественных БП два выхода регулируются по отдельности⁵.

Нижняя сторона печатной платы. Обратите внимание на большое расстояние между цепями основной и вторичной сторон БП. Также обратите внимание, какие широкие металлические дорожки на основной стороне БП для тока высокого напряжения и какие тонкие дорожки для схем управления

Вы можете задать вопрос, как микросхема контроллера на основной стороне получает обратную связь об уровнях напряжения на вторичной стороне, поскольку между ними нет электрического соединения (на фотографии виден широкий зазор). Трюк в использовании хитроумной микросхемы под названием оптоизолятор. Внутри чипа на одной стороне чипа инфракрасный светодиод, на другой светочувствительный фототранзистор. Сигнал обратной связи подаётся на LED и детектируется фототранзистором на другой стороне. Таким образом оптоизолятор обеспечивает мост между вторичной и первичной сторонами, передавая информацию светом, а не электричеством⁶.

Источник питания также обеспечивает отрицательное выходное напряжение (?12 В). Это напряжение в основном устарело, но использовалось для питания последовательных портов и слотов PCI. Регулирование питания ?12 В кардинально отличается от регулирования +5 и +12 В. Выход ?12 В управляется стабилитроном (диодом Зенера) — это специальный тип диода, который блокирует обратный ток до определённого уровня напряжения, а затем начинает проводить его. Избыточное напряжение рассеивается в виде тепла через силовой резистор (розовый) под управлением транзистора и стабилитрона (поскольку этот подход расходует энергию впустую, современные высокоэффективные БП не используют такой метод регулирования).

Питание ?12 В регулируется крошечным стабилитроном ZD6 длиной около 3,6 мм на нижней стороне печатной платы. Соответствующий силовой резистор и транзистор A1015 находятся на верхней стороне платы

Пожалуй, наиболее интересной схемой регулирования является выход 3,3 В, который регулируется магнитным усилителем. Магнитный усилитель — это индуктор с особыми магнитными свойствами, которые заставляют его работать как ключ (переключатель). Когда ток подаётся в индуктор магнитного усилителя, то сначала он почти полностью блокирует ток, поскольку индуктор намагничивается и магнитное поле увеличивается. Когда индуктор достигает полной намагниченности (то есть насыщается), его поведение внезапно меняется — и индуктор позволяет частицам течь беспрепятственно. Магнитный усилитель в БП получает импульсы от трансформатора. Индуктор блокирует переменную часть импульса. Выход 3,3 В регулируется изменением ширины импульса⁷.

Магнитный усилитель представляет собой кольцо из ферритового материала с особыми магнитными свойствами. Вокруг кольца намотано несколько витков проволоки

В блоке питания есть небольшая плата, на которой размещена схема управления. Эта плата сравнивает напряжение с эталонным, чтобы генерировать сигналы обратной связи. Она отслеживает вольтаж также для того, чтобы генерировать сигнал «питание в норме» (power good). Схема установлена на отдельной перпендикулярной плате, поэтому не занимает много места в БП.

Основные компоненты установлены на верхней стороне платы со сквозными отверстиями, а нижняя сторона покрыта крошечными SMD-компонентами, которые нанесены путём поверхностного монтажа. Обратите внимание на резисторы с нулевым сопротивлением в качестве перемычек

В БП есть ещё вторая цепь — для резервного питания⁹. Даже когда компьютер формально «выключен», пятивольтовый источник резервного питания обеспечивает ему мощность 10 Вт для функций, которые продолжают работать: часы реального времени, функция пробуждения по локальной сети и др. Цепь резервного питания является почти независимым БП: она использует отдельную управляющую микросхему, отдельный трансформатор и отдельные компоненты на вторичной стороне DC, но те же самые компоненты на основной стороне AC. Эта система гораздо меньшей мощности, поэтому в цепи трансформатор меньшего размера.

Чёрно-жёлтые трансформаторы: трансформатор для резервного питания находится слева, а основной трансформатор — справа. Перед ним установлена микросхема для управления резервным питанием. Большой цилиндрический конденсатор справа — компонент удвоителя напряжения. Белые капли — это силикон, который изолирует компоненты и удерживает их на месте

Блок питания ATX сложно устроен внутри, с множеством компонентов, от массивных индукторов и конденсаторов до крошечных компонентов поверхностного монтажа¹⁰. Однако эта сложность позволяет выпускать эффективные, маленькие и безопасные БП. Для сравнения, я когда-то писал о блоке питания 1940-х годов, который выдавал всего 85 ватт мощности, но был размером с чемодан, весил 50 кг и стоил сумасшедшие деньги. В наше время с продвинутыми полупроводниками делают гораздо более мощные БП дешевле 50 долларов, и такое устройство поместится у вас в руке.

Блок питания REC-30 для телетайпа Model 19 (ВМФ США) 1940-х годов

Я уже писал о БП, включая историю блоков питания в IEEE Spectrum. Вам также могут понравиться детальные разборы зарядного устройства Macbook и зарядного устройства iPhone.

¹ Intel представила стандарт ATX для персональных компьютеров в 1995 году. Стандарт ATX (с некоторыми обновлениями) по-прежнему определяет конфигурацию материнской платы, корпуса и блока питания большинства настольных компьютеров. Здесь мы изучаем блок питания 2005 года, а современные БП более продвинутые и эффективные. Основные принципы те же, но есть некоторые изменения. Например, вместо магнитных усилителей почти везде используют преобразователи DC/DC.

Этикетка на блоке питания

На этикетке БП указано, что он изготовлен компанией Bestec для настольного компьютера Hewlett-Packard Dx5150. Этот БП слегка не соответствует формату ATX, он более вытянут в длину. [вернуться]

² Вы можете задать вопрос, почему AC напряжением 230 В преобразуется в постоянный ток 320 В. Причина в том, что напряжение переменного тока обычно измеряется как среднеквадратичное, которое в каком-то смысле усредняет изменяющуюся форму волны. По факту в 230-вольтовом сигнале AC есть пики до 320 вольт. Конденсаторы БП заряжаются через диоды до пикового напряжения, поэтому постоянный ток составляет примерно 320 вольт (хотя немного провисает в течение цикла). [вернуться]

³ Силовой транзистор представляет собой силовой МОП-транзистор FQA9N90C. Он выдерживает 9 ампер и 900 вольт. [вернуться]

⁴ Интегральная схема питается от отдельной обмотки на трансформаторе, которая выдаёт 34 вольта для её работы. Налицо проблема курицы и яйца: управляющая микросхема создаёт импульсы для трансформатора, но трансформатор питает управляющую микросхему. Решение — специальная цепь запуска с резистором 100 kΩ между микросхемой и высоковольтным током. Она обеспечивает небольшой ток для запуска микросхемы. Как только чип начинает отправлять импульсы на трансформатор, то питается уже от него. [вернуться]

⁵ Метод использования одного контура регулирования для двух выходов называется перекрёстным регулированием. Если нагрузка на одном выходе намного выше другого, напряжения могут отклоняться от своих значений. Поэтому во многих БП есть минимальные требования к нагрузке на каждом выходе. Более продвинутые БП используют DC/DC преобразователи для всех выходов, чтобы контролировать точность напряжения. Дополнительные сведения о перекрёстном регулировании см. в этих двух презентациях. Один из обсуждаемых методов — многоуровневая укладка выходных обмоток, как в нашем БП. В частности, 12-вольтовый выход реализован в виде 7-вольтового выхода поверх 5-вольтового выхода, что даёт 12 вольт. При такой конфигурации ошибка 10% (например) в 12-вольтовой цепи будет составлять всего 0,7 В, а не 1,2 В. [вернуться]

⁶ Оптоизоляторы представляют собой компоненты PC817, которые обеспечивают 5000 вольт изоляции между сторонами БП (то есть между высокой и низкой сторонами). Обратите внимание на прорезь в печатной плате под оптоизоляторами. Это дополнительная мера безопасности: она гарантирует, что ток высокого напряжения не пройдёт между двумя сторонами оптоизолятора вдоль поверхности печатной платы, например, при наличии загрязнения или конденсата (в частности, прорезь увеличивает расстояние утечки). [вернуться]

⁷ Ширина импульса через магнитный усилитель устанавливается простой схемой управления. В обратной части каждого импульса индуктор частично размагничивается. Схема управления регулирует напряжение размагничивания. Более высокий вольтаж усиливает размагничивание. Тогда индуктору требуется больше времени для повторного намагничивания, и, таким образом, он дольше блокирует входной импульс. При более коротком импульсе в цепи выходное напряжение уменьшается. И наоборот, более низкое напряжение размагничивания приводит к меньшему размагничиванию, поэтому входной импульс блокируется не так долго. В итоге выходное напряжение регулируется изменением напряжения размагничивания. Обратите внимание, что ширина импульса в магнитном усилителе регулируется управляющей микросхемой. Магнитный усилитель сокращает эти импульсы по мере необходимости при регулировании выходного напряжения 3,3 В. [вернуться]

⁸ Плата управления содержит несколько микросхем, включая операционный усилитель LM358NA, чип супервизора/сброса TPS3510P, четырёхканальный дифференциальный компаратор LM339N и прецизионный эталон AZ431. Чип супервизора интересный — он специально разработан для БП и контролирует выходное напряжение, чтобы оно было не слишком высоким и не слишком низким. Прецизионный эталон AZ431 — это вариант эталонного чипа TL431, который часто используется в БП для обеспечения опорного (контрольного) напряжения. Я уже писал о TL431. [вернуться]

⁹ Источник резервного питания использует другую конфигурацию — обратноходовой трансформатор. Здесь установлена управляющая микросхема A6151 с переключающим транзистором, что упрощает конструкцию.

Схема БП с использованием A6151. Она взята из справочника, поэтому не идентична схеме нашего БП, хотя близка к ней
[вернуться]

¹⁰ Если хотите изучить подробные схемы различных БП формата ATX, рекомендую сайт Дэна Мельника. Удивительно, сколько существует реализаций БП: различные топологии (полумостовые или прямые), наличие или отсутствие преобразования коэффициента мощности (PFC), разнообразные системы управления, регулирования и мониторинга. Наш БП довольно похож на БП с прямой топологией без PFC, внизу той странички на сайте Дэна. [вернуться]

Блок питания

Блок питания компьютера (PSU) преобразует бытовое напряжение сети переменного тока (ac) (220-240 вольт в Европе) в различные регулируемые низковольтные постоянного тока (dc) выходы, требуемые компонентами, которые составляют компьютерную систему.

Блок питания обычно представляет собой металлический ящик шириной 150 мм, высотой 86 мм и глубиной (обычно) 140 мм. Он крепится внутри корпуса системы с помощью четырех винтов в стандартном месте таким образом, чтобы выключатель питания и гнездо шнура питания, расположенные на задней панели блока питания, были доступны через отверстие в задней части корпуса. Это же отверстие позволяет воздуху поступать в охлаждающий вентилятор блока питания.

В некоторых случаях может быть переключатель напряжения, позволяющий пользователю выбирать напряжение в соответствии с его географическим положением (например, в Соединенных Штатах внутренний источник питания работает с номинальным напряжением 120 вольт). Внутри корпуса из передней части блока питания выходит пучок кабелей. Кабели часто группируются и имеют цветовую маркировку в зависимости от типа устройства, к которому они будут подключены.

Хотя в прошлом для блока питания использовалось несколько форм-факторов, некоторые из которых были довольно тяжелыми и громоздкими, в настоящее время в большинстве настольных персональных компьютеров используются блоки питания, соответствующие стандарту 9.0003 формата ATX , самая последняя версия которого — 2.3.1, выпущенная в 2008 году. На приведенной ниже иллюстрации показан типичный блок питания ATX.

Типичный блок питания ATX

Блоки питания ATX разработаны специально для работы с материнскими платами семейства ATX и помещаются в системный корпус ATX, и их можно включать и выключать (или переводить в режим ожидания) с помощью сигналов, генерируемых материнской платой. Максимальная номинальная выходная мощность блока питания может варьироваться от 250 Вт до 2 кВт, в зависимости от типа системы, для которой он предназначен.

Компьютерные системы малого форм-фактора, как правило, имеют низкие требования к источнику питания порядка 300 Вт или меньше. Системы, используемые для игр, имеют гораздо более высокие требования к мощности (обычно от 450 до 800 Вт), главным образом потому, что в них используются высокопроизводительные графические адаптеры, которые потребляют большое количество энергии. Наибольшее энергопотребление наблюдается у коммерческих сетевых серверов или высокопроизводительных персональных компьютеров с несколькими процессорами, несколькими дисками и несколькими видеокартами.

Количество энергии, необходимой для конкретной компьютерной системы, будет зависеть от требований к мощности материнской платы, процессора и оперативной памяти, а также от количества дополнительных карт и периферийных устройств, потребляющих энергию от блока питания. В действительности лишь немногим персональным компьютерам в настоящее время требуется мощность более 350 Вт.

Тем не менее, при выборе блока питания следует соблюдать осторожность, поскольку номинальная максимальная выходная мощность, заявленная некоторыми производителями, не всегда отражает реальную выходную мощность, которая может быть достигнута при различных условиях нагрузки. В результате, производители и поставщики систем ПК и системных компонентов (особенно графических карт высокого класса) склонны завышать минимальные требования к мощности, когда речь идет о рекомендациях по мощности блока питания для использования с их продуктами.

Хотя верно то, что неподходящий источник питания может выйти из строя в случае перегрузки, не рекомендуется использовать источник питания с высокой выходной мощностью независимо от фактических требований к мощности. Наоборот, вам следует выбрать блок питания с выходной мощностью, отражающей требования системы к питанию. Энергоэффективность максимальна, когда нагрузка на блок питания составляет от 50% до 75% от максимальной выходной мощности. Это означает, что блок питания рассеивает меньше энергии в виде тепла.

Если скорость вращения вентилятора блока питания регулируется материнской платой, как это часто бывает, система будет работать тише, поскольку для охлаждения блока питания требуется меньший поток воздуха. При низких нагрузках (менее 20 % мощности) энергоэффективность значительно падает, и в виде тепла будет рассеиваться больше энергии, чем в случае блока питания с более подходящим номиналом. Хуже того, если нагрузка упадет ниже 15% мощности, блок питания может работать неправильно, и есть большая вероятность, что он вообще отключится.

Информация, указанная на этикетке или табличке, прикрепленной к блоку питания, содержит техническую информацию об блоке питания, которая будет включать в себя напряжения сети переменного тока, токи и частоты, с которыми может использоваться устройство, максимальную общую выходную мощность в ваттах и Доступны различные выходы постоянного напряжения и тока. На нем также будут отображаться предупреждения об опасности и необходимая информация о сертификации безопасности (в Европе это знак CE). Типичная этикетка блока питания показана ниже.

Пример информации, представленной на блоке питания

Предоставляемые разъемы могут варьироваться от одной модели к другой, но обычно они включены в таблицу ниже.

Общие разъемы блока питания
Тип	Описание	Иллюстрация
P1	20-контактный или 24-контактный разъем, обеспечивающий питание материнской платы. В некоторых блоках питания P1 разделен на один 20-контактный разъем и один 4-контактный разъем , которые можно комбинировать, если требуется (см. рисунок), чтобы сформировать 24-контактный разъем .
ATX12V (или P4)	4-контактный разъем питания, который подключается к материнской плате в дополнение к 20-контактному разъему P1- для питания процессора.
Molex	4-контактный разъем питания подает питание на дисководы IDE и дисководы CD- ROM/DVD.
Berg (или Mini- Molex)	4-контактный разъем питания, который подает питание на дисковод гибких дисков (он также может использоваться в качестве вспомогательного разъема для видеокарт AGP).
Serial ATA	Это 15-контактный разъем питания, используемый в основном для жестких дисков SATA.
PCI Express	6-контактный или (в последнее время) 8-контактный разъем питания , используемый для видеокарт PCI Express. Некоторые 8-контактные разъемы позволяют подключить 6-контактную плату или 8-контактную плату с помощью двух отдельных разъемов на одном кабеле (один с 6 контактами, а другой с 2 контактами).

Стандартные выходные напряжения

Положительные выходные напряжения, создаваемые блоком питания, составляют +3,3 В, +5 В и +12 В. Также предусмотрены отрицательные напряжения -5В и -12В вместе с +5В дежурное напряжение . Различные напряжения (иногда называемые шинами ) используются для питания различных компонентов, и краткое описание того, какие напряжения и (и токи) используются для каких целей, приведено ниже.

Для тех, кто не знаком с понятием отрицательного напряжения в цепях постоянного тока, это просто означает, что разность потенциалов измеряется от земли до сигнала, а не наоборот (земля обычно используется в качестве точки отсчета для измерения напряжения). Требования к току различных компонентов системы значительны, поскольку мощность является произведением напряжения и тока. Таким образом, общая потребляемая мощность системы зависит от требований к напряжению и току ее отдельных компонентов.

Сводка напряжений блока питания
Напряжение	Назначение
-12 В	Используется в некоторых старых типах схем усилителей последовательного порта. Обычно не используется в новых системах. Ток обычно ограничен 1А.
-5V	Используется на некоторых ранних персональных компьютерах для контроллеров гибких дисков и некоторых дополнительных карт ISA. Обычно не используется в новых системах. Ток обычно ограничен 1А.
0 В	Заземление при нулевом напряжении (также называемое общим или заземлением ) и контрольная точка для других системных напряжений.
+3,3 В	Используется для питания процессора, некоторых типов памяти , некоторых видеокарт AGP и других цифровых схем (для большинства этих компонентов требовалось питание +5 В в старых системах ).
+5 В	По-прежнему используется для питания материнской платы и некоторых компонентов на материнской плате. Обратите внимание, что также имеется резервное напряжение 5 В, когда система отключена от питания, которое может быть заземлено (например, пользователем нажатием выключателя питания на передней панели корпуса), чтобы восстановить питание системы.
+12 В	В основном используется для таких устройств, как дисковые накопители и охлаждающие вентиляторы с двигателями того или иного типа. Эти устройства имеют собственные разъемы питания, которые идут непосредственно от блока питания.

Как работает блок питания

Тип блока питания, используемый в современном ПК, называется импульсным блоком питания (SMPSU). По сути, это означает, что переменное сетевое напряжение, поступающее в блок питания, выпрямляется для получения постоянного напряжения без использования сетевого трансформатора (обычно они довольно тяжелые из-за необходимости в катушке с ферритовым сердечником). Полученное таким образом напряжение затем включается и выключается на очень высоких скоростях с использованием электронной схемы переключения, эффективно создавая высокочастотное прямоугольное напряжение (фактически, серию импульсов постоянного тока). Затем можно использовать легкий и относительно недорогой высокочастотный трансформатор для получения требуемого выходного постоянного тока.

Выходное напряжение и ток постоянного тока регулируются (поддерживаются постоянными) с использованием контроллера обратной связи, который увеличивает или уменьшает выходную мощность в соответствии с изменениями тока нагрузки. Он делает это, увеличивая или уменьшая рабочий цикл (по сути, это означает увеличение или уменьшение количества импульсов напряжения, создаваемых коммутационной схемой в заданный период времени).

Обратите внимание, что большинство блоков питания могут отключаться, если ток нагрузки превышает определенный порог, что снижает вероятность повреждения компьютерной системы (или ее пользователя) в случае электрической неисправности, такой как короткое замыкание. Тот же принцип применим к отсутствию тока нагрузки (или очень низкому току нагрузки), поскольку блок питания не может правильно работать ниже определенного уровня выходной мощности и отключится при обнаружении недостаточного тока нагрузки.

При первом включении может потребоваться полсекунды или около того, чтобы источник питания стабилизировался и начал генерировать правильное постоянное напряжение, требуемое компьютером. Таким образом, блок питания отправляет на материнскую плату сигнал, называемый сигналом Power Good , после того, как он выполнил свои внутренние тесты и убедился, что выходная мощность соответствует норме. Материнская плата должна дождаться этого сигнала перед включением системы.

Скачок напряжения или кратковременный сбой питания иногда вызывают кратковременное прерывание сигнала Power Good, что приводит к перезагрузке системы при возобновлении работы. Также обратите внимание, что из практических соображений различные напряжения, создаваемые блоком питания, на самом деле вырабатываются несколькими различными импульсными источниками, которые связаны вместе в блоке питания, каждый из которых изменяет свою выходную мощность в соответствии с требованиями к мощности компонента.

Одной из последних тенденций в разработке блоков питания стала концепция модульного блока питания , в котором кабели могут подключаться к блоку питания через разъемы на конце блока питания , что позволяет пользователю устанавливать только те кабели, которые ему действительно нужны. Идея состоит в том, что отсутствие ненужных кабелей уменьшит беспорядок внутри корпуса и улучшит вентиляцию. Он также предоставляет больше возможностей для выбора типа кабеля питания, который может установить пользователь (например, Serial ATA или Molex для жестких дисков).

Критики этой разработки указывали, что электрическое сопротивление будет увеличено из-за большего количества электрических соединений. Сторонники указывают, что увеличение сопротивления очень мало. Однако с практической точки зрения проблемы могут возникнуть только в том случае, если разъемы старые и изношенные (в этом случае соединение может быть ослаблено) или соединение было выполнено неправильно во время установки. Очевидный ответ — заменить старые кабели и проверить все соединения перед первым использованием. Основные разъемы блока питания и их выводы показаны на схеме ниже.

Общие разъемы блока питания и их выводы

Выход из строя блока питания неизменно потребует замены БП, так как без него компьютер работать явно не будет. Такие поломки часто возникают в результате перегрева из-за поломки вентилятора охлаждения. Впоследствии система отключается и не может быть перезагружена или, как это иногда случается, постоянно перезагружается через явно случайные промежутки времени.

В критических компьютерных системах, таких как сетевые серверы, нередко можно найти резервные источники питания, действующие в качестве резервных для основного источника питания. Резервный блок берет на себя работу в случае отказа основного источника питания, который затем можно заменить во время запланированного периода обслуживания.

С другой стороны, портативные компьютеры, такие как ноутбуки и нетбуки, требуют гораздо меньше энергии (200 Вт или меньше), что позволяет им питаться от съемной перезаряжаемой батареи, которую при необходимости можно легко заменить. Внешний источник питания используется для зарядки аккумулятора и может подавать питание на систему, пока она подключена. Этот внешний блок питания обычно обеспечивает 19.5В постоянного тока.

Возможность включения или выключения питания компьютера путем заземления резервного напряжения +5 В означает, что система может включаться или выключаться по сигналу, генерируемому материнской платой в ответ на программное прерывание (или системный вызов — сигнал, генерируемый операционной системой) или аппаратное прерывание (сигнал, генерируемый аппаратным компонентом системы).

Возможность управления питанием с помощью системного вызова означает, что пользователь может выключить систему, щелкнув значок или пункт меню, вместо того, чтобы физически выключать систему с помощью выключателя питания. Это также означает, что программное обеспечение для управления питанием можно настроить на отключение компьютера при отсутствии действий пользователя в течение заданного периода времени. Систему можно настроить на повторное включение в случае некоторого заранее определенного события, такого как нажатие пользователем клавиши на клавиатуре или активация сетевого соединения.

Разборка блока питания ПК

Задумывались ли вы, что находится внутри блока питания вашего компьютера? Задача блока питания ПК состоит в том, чтобы преобразовывать электроэнергию от стены (120 или 240 вольт переменного тока) в стабильную мощность постоянного напряжения, которое требуется компьютеру. Блок питания должен быть компактным и недорогим, а также эффективно и безопасно преобразовывать энергию. Для достижения этих целей в источниках питания используются различные технологии, и они более сложны внутри, чем можно было бы ожидать. В этой записи блога я разбираю блок питания для ПК и объясняю, как он работает. 1

Источник питания, который я исследовал, как и большинство современных источников питания, использует конструкцию, известную как «импульсный источник питания». Импульсные блоки питания сейчас очень дешевы, но так было не всегда. В 1950-х импульсные источники питания были сложными и дорогими, они использовались в аэрокосмической и спутниковой технике, где требовались небольшие и легкие источники питания. Однако к началу 1970-х годов новые высоковольтные транзисторы и другие технологические усовершенствования сделали импульсные источники питания намного дешевле, и они стали широко использоваться в компьютерах. Теперь вы можете купить зарядное устройство для телефона за несколько долларов, которое содержит импульсный блок питания.

Блок питания ATX, который я исследовал, был упакован в металлическую коробку размером с кирпич, из которой выходило значительное количество разноцветных кабелей. Сняв корпус, вы обнаружите расположенные ниже компоненты, плотно упакованные для компактности блока питания. Многие компоненты скрыты радиаторами, которые охлаждают силовые полупроводники вместе с вентилятором справа.

Блок питания, вынутый из корпуса. Большой пучок проводов слева подключен к компьютеру. Большой компонент в середине, который выглядит как трансформатор, представляет собой дроссель фильтра. Нажмите на эту фотографию (или любую другую) для увеличения.

Я начну с краткого обзора того, как работает импульсный источник питания, а затем подробно опишу компоненты. Начиная справа, блок питания получает питание переменного тока. Входной переменный ток преобразуется в постоянный ток высокого напряжения с помощью некоторых крупных фильтрующих компонентов. Этот постоянный ток включается и выключается тысячи раз в секунду для создания импульсов, которые подаются на трансформатор, который преобразует высоковольтные импульсы. в низковольтные, сильноточные импульсы. Эти импульсы преобразуются в постоянный ток и фильтруются, чтобы обеспечить хороший, чистая мощность, которая подается на материнскую плату компьютера и дисководы по жгуту проводов слева.

Хотя этот процесс может показаться чрезмерно сложным, большая часть бытовой электроники, от мобильного телефона до телевизора, использует импульсный источник питания. Высокие частоты позволяют использовать небольшой легкий трансформатор. Кроме того, импульсные источники питания очень эффективны; импульсы регулируются таким образом, чтобы обеспечивать только необходимую мощность, а не отключать избыточную мощность в отходящее тепло, как в «линейном» источнике питания.

Входная фильтрация

Первый шаг — входной переменный ток проходит через схему входного фильтра. который блокирует выход электрических помех из источника питания. Нижеприведенный фильтр состоит из катушек индуктивности (тороидальных катушек) и конденсаторов. Эти квадратные серые конденсаторы представляют собой специальные конденсаторы класса X, предназначенные для безопасного подключения к линиям переменного тока.

Компоненты входного фильтра

Выпрямление: преобразование переменного тока в постоянный

Переменный ток 60 Гц (переменный ток) от стены колеблется 60 раз в секунду, но источнику питания требуется постоянный постоянный ток, который течет в Одно направление. Представленный ниже мостовой выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. Нижеприведенный выпрямитель помечен «-» и «+» для выходов постоянного тока, а два центральных контакта — для входа переменного тока. Внутри выпрямитель содержит четыре диода. Диод пропускает ток в одном направлении и блокирует его в другом направлении, так что в результате переменный ток преобразуется в постоянный ток, текущий в нужном направлении.

Мостовой выпрямитель имеет маркировку «GBU606». Схема фильтра находится слева от него. Справа большой черный цилиндр — один из конденсаторов удвоителя напряжения. Небольшой желтый конденсатор представляет собой специальный Y-конденсатор, предназначенный для обеспечения безопасности.

На приведенной ниже схеме показано, как работает мостовой выпрямитель. На первой схеме вход переменного тока имеет верхнюю положительную сторону. Диоды передают напряжение на выход постоянного тока. На второй схеме вход переменного тока имеет обратное направление. Однако конфигурация диодов гарантирует, что выходное напряжение постоянного тока останется неизменным (положительное сверху). Конденсаторы сглаживают выходной сигнал.

На двух схемах показано протекание тока при колебаниях входного переменного тока. Диоды заставляют ток течь в направлении, указанном их стрелкой.

Современные блоки питания допускают «универсальное» входное напряжение от 85 до 264 вольт переменного тока, поэтому их можно использовать в разных странах независимо от напряжения в стране. Однако схема этого старого блока питания не могла работать с таким широким входным диапазоном. Вместо этого вам нужно было щелкнуть переключателем (ниже), чтобы выбрать между 115 В и 230 В.

Переключатель 115/230 В.

В переключателе выбора напряжения использовалась умная схема, удвоитель напряжения. Идея в том, что при замкнутом выключателе (для 115 вольт), вход переменного тока обходит два нижних диода мостового выпрямителя и вместо этого подключается напрямую к двум конденсаторам. Когда вход переменного тока положителен сверху, верхний конденсатор заряжается полным напряжением. И когда вход переменного тока положительный внизу, нижний конденсатор заряжается полным напряжением. Поскольку выход постоянного тока проходит через оба конденсатора, выход постоянного тока имеет удвоенное напряжение. Дело в том, что остальная часть блока питания получает одинаковое напряжение, независимо от того, на входе 115 вольт или 230 вольт, что упрощает его конструкцию. Недостатки удвоителя напряжения заключаются в том, что пользователь должен установить переключатель в правильное положение (или рискует разрушить блок питания), а блок питания требует два больших конденсатора. По этим причинам удвоитель напряжения вышел из моды в более поздних источниках питания.

Схема удвоителя напряжения. Каждый конденсатор заряжается полным напряжением, поэтому выход постоянного тока имеет удвоенное напряжение. Серые диоды не используются, когда удвоитель активен.

Первичный и вторичный

В целях безопасности высоковольтные и низковольтные компоненты разделены как механически, так и электрически. Первичная сторона ниже содержит все схемы, которые подключены к линии переменного тока. Вторичная сторона содержит низковольтную схему. Первичная и вторичная части разделены «изоляционной границей» (показана зеленым цветом) без каких-либо электрических соединений через границу. Трансформаторы пропускают энергию через эту границу через магнитные поля без прямого электрического соединения. Сигналы обратной связи передаются от вторичного к первичному с помощью оптоизоляторов, которые передают сигналы оптическим путем. Это разделение является ключевым фактором безопасной конструкции источника питания: прямое электрическое соединение между линией переменного тока и выходом может создать серьезную опасность. поражения электрическим током.

Блок питания с маркировкой основных характеристик. Радиаторы, конденсаторы, плата управления и выходные провода были удалены, чтобы обеспечить лучший обзор. (SB указывает на резервный источник питания.)

Импульсы на трансформатор

В этот момент входной переменный ток был преобразован в высоковольтный постоянный ток, около 320 вольт. 2 Постоянный ток разделяется на импульсы с помощью переключающего транзистора выше, мощного полевого МОП-транзистора.3 Поскольку этот транзистор нагревается во время работы, он был установлен на большом радиаторе. Эти импульсы подаются на расположенный выше основной трансформатор, который в некотором смысле является сердцем источника питания.

Трансформатор состоит из нескольких витков проволоки, намотанной на намагничиваемый сердечник. Импульсы высокого напряжения в первичной обмотке трансформатора создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая напряжения в этих обмотках. Вот как блок питания безопасно выдает свои выходные напряжения: между двумя сторонами трансформатора нет электрической связи, только связь через магнитное поле. Другим важным аспектом трансформатора является то, что первичная обмотка имеет провод, намотанный вокруг сердечника большое количество раз. при этом вторичные обмотки наматываются гораздо меньшее количество раз. В результате получается понижающий трансформатор: выходное напряжение намного меньше входного, но при гораздо большем токе.

Переключающий транзистор3 управляется интегральной схемой, «ШИМ-контроллер токового режима UC3842B». Эту микросхему можно считать мозгами блока питания. Генерирует импульсы на высокой частоте 250 кГц. Ширина каждого импульса регулируется для обеспечения необходимого выходного напряжения: если напряжение начинает падать, микросхема формирует более широкие импульсы для передавать больше энергии через трансформатор.4

Вторичная сторона

Теперь мы можем посмотреть на вторичную сторону источника питания, которая получает низковольтные выходы от трансформатора. Вторичная схема обеспечивает четыре выходных напряжения: 5 вольт, 12 вольт, -12 вольт и 3,3 вольта. Каждое выходное напряжение имеет отдельную обмотку трансформатора и отдельную цепь для создания этого напряжения. Силовые диоды (ниже) преобразуют выходные сигналы трансформатора в постоянный ток, а затем катушки индуктивности и конденсаторы фильтруют выходной сигнал, чтобы он оставался гладким. Источник питания должен регулировать выходные напряжения, чтобы поддерживать их на должном уровне даже при увеличении или уменьшении нагрузки. Интересно, что в блоке питания используется несколько различных методов регулирования.

Выходные диоды крупным планом. Слева цилиндрические диоды, установленные вертикально. Посередине пары прямоугольных силовых диодов Шоттки; каждая упаковка содержит два диода. Эти диоды были прикреплены к радиатору для охлаждения. Справа обратите внимание на два медных провода в форме скоб, используемых в качестве токоизмерительных резисторов.

Основными выходами являются 5-вольтовые и 12-вольтовые выходы. Они вместе регулируются микросхемой контроллера на первичной стороне. Если напряжение слишком низкое, микросхема контроллера увеличивает ширину импульсов, пропуская больше мощности через трансформатор и вызывая увеличение напряжения на вторичной стороне. А если напряжение слишком высокое, микросхема уменьшает ширину импульса. (Одна и та же цепь обратной связи управляет как 5-вольтовым, так и 12-вольтовым выходом, поэтому нагрузка на один выход может повлиять на напряжение на другом. Улучшенные источники питания регулируют два выхода отдельно.5)

Нижняя сторона блока питания со следами на печатной плате. Обратите внимание, что большое расстояние между дорожками вторичной стороны слева и следы первичной стороны справа. Также обратите внимание на широкие металлические дорожки, используемые для сильноточного источника питания, и тонкие дорожки для цепей управления.

Вы можете задаться вопросом, как микросхема контроллера на первичной стороне получает обратную связь об уровнях напряжения на вторичной стороне, поскольку нет электрическое соединение между двумя сторонами. (На фотографии выше вы можете видеть широкий зазор, разделяющий две стороны.) Хитрость заключается в умной микросхеме, называемой оптоизолятором. Внутри одна сторона чипа содержит инфракрасный светодиод. На другой стороне чипа находится светочувствительный фототранзистор. Сигнал обратной связи на вторичной стороне посылается в светодиод, и сигнал обнаруживается фототранзистором на первичной стороне. Таким образом, оптоизолятор обеспечивает мост между вторичной и первичной сторонами, сообщающийся светом, а не электричеством.6

Блок питания также обеспечивает выход отрицательного напряжения (-12 В). Это напряжение в основном устарело, но использовалось для питания последовательных портов и слотов PCI. Регулировка питания -12 В полностью отличается от регулировки 5-вольтовой и 12-вольтовой. Выход -12 В контролируется стабилитроном, диодом особого типа, который блокирует обратное напряжение до тех пор, пока не будет достигнуто определенное напряжение, а затем начинает дирижировать. Избыточное напряжение рассеивается в виде тепла через силовой резистор (розовый), управляемый транзистором и стабилитроном. (Поскольку при таком подходе расходуется энергия, в современных высокоэффективных источниках питания этот метод регулирования не используется.)

Напряжение питания -12 В регулируется крошечным стабилитроном «ZD6» длиной около 3,6 мм, расположенным на нижней стороне печатной платы. Соответствующий силовой резистор и транзистор «A1015» находятся на верхней стороне платы.

Пожалуй, самая интересная схема регулирования для выхода 3,3 В, которое регулируется магнитным усилителем. Магнитный усилитель — это индуктор с особыми магнитными свойствами, благодаря которым он ведет себя как переключатель. При подаче тока в индуктор магнитного усилителя сначала индуктор почти полностью блокирует ток, т.к. индуктор намагничивается, и магнитное поле увеличивается. Когда индуктор достигает полной намагниченности (т. е. насыщается), поведение внезапно меняется, и индуктор позволяет току течь беспрепятственно. В блоке питания магнитный усилитель получает импульсы от трансформатора. Индуктор блокирует переменную часть импульса; изменением ширины импульса регулируется выходное напряжение 3,3 В.7

Магнитный усилитель представляет собой кольцо, изготовленное из ферритового материала с особыми магнитными свойствами. На кольцо намотано несколько витков проволоки.

Плата управления

Блок питания имеет небольшую плату, на которой размещена схема управления. Эта плата сравнивает напряжения с эталоном для генерации сигналов обратной связи. Это также отслеживает напряжения для генерации сигнала «энергия в норме».8 Эта схема смонтирована на отдельной перпендикулярной плате, поэтому она не занимает много места в блоке питания.

Плата управления имеет сквозные компоненты в верхней части, а нижняя сторона покрыта крошечными компонентами для поверхностного монтажа. Обратите внимание на резисторы с нулевым сопротивлением, отмеченные цифрой 0, которые используются в качестве перемычек.

Резервный источник питания

Источник питания содержит вторую цепь для резервного питания.9 Даже когда компьютер предположительно выключен, резервный источник питания 5 В обеспечивает 10 Вт. Это питание используется для функций, которые должны получать питание, когда компьютер «выключен», таких как часы реального времени, кнопка питания и включение питания. по сети («Пробуждение по локальной сети»). Цепь резервного питания представляет собой почти второй независимый источник питания: в ней используется отдельная ИС управления, отдельный трансформатор и компоненты на вторичной стороне, хотя на первичной стороне используется та же схема преобразования переменного тока в постоянный. Цепь резервного питания обеспечивает гораздо меньшую мощность, чем основная цепь, поэтому в ней можно использовать трансформатор меньшего размера.

Черный и желтый трансформаторы: трансформатор для резервного питания находится слева, а главный трансформатор — справа. ИС управления резервным питанием находится перед трансформатором. Большой цилиндрический конденсатор справа является частью удвоителя напряжения. Белые шарики сделаны из силикона, чтобы изолировать компоненты и удерживать их на месте.

Заключение

Блок питания ATX имеет сложную внутреннюю структуру и содержит множество компонентов, начиная от массивных катушек индуктивности и конденсаторов и заканчивая миниатюрными устройствами для поверхностного монтажа. 10 Эта сложность, однако, приводит к тому, что источники питания являются эффективными, легкими и безопасными. Для сравнения я писал про блок питания от 1940-е годы который производил всего 85 Вт постоянного тока, но был размером с чемодан и весил более 100 фунтов. Теперь, с передовыми полупроводниками, вы можете держать гораздо более мощный блок питания менее чем за 50 долларов, который вы можете держать в руке.

Я уже писал об источниках питания, включая историю источников питания в IEEE Spectrum. Вам также может понравиться мой разбор зарядного устройства для Macbook и Разборка зарядного устройства для iPhone. Я анонсирую свои последние сообщения в блоге в Твиттере, так что следите за мной на kenshirriff. У меня также есть RSS-канал.

Примечания и ссылки

Intel представила стандарт ATX для персональных компьютеров в 1995 году. Стандарт ATX (с некоторыми обновлениями) по-прежнему определяет материнскую плату, корпус, и конфигурация блока питания для большинства ПК. Блок питания, который я исследовал, был выпущен в 2005 году, поэтому более новые блоки питания более совершенны и эффективны. Основные принципы те же, но есть некоторые изменения. Например, регулирование с использованием преобразователей постоянного тока в постоянное в основном заменил магнитный усилитель.
Этикетка на блоке питания.
Наклейка содержит информацию о блоке питания, который я исследовал. Он был создан компанией Bestec для настольного ПК Hewlett-Packard Dx5150. Этот блок питания не соответствует размерам ATX; он длиннее и более прямоугольный. ↩
Вы можете удивиться, почему входное напряжение переменного тока 230 вольт дает 320 вольт постоянного тока. Причина в том, что переменное напряжение обычно измеряется как среднеквадратичное, которое (своего рода) усредняет переменная форма волны. В результате 230-вольтовый сигнал переменного тока имеет пики 320 вольт. Конденсаторы блока питания заряжаются через диоды до пикового напряжения, поэтому постоянное напряжение будет примерно 320 вольт (хотя и несколько просядет через цикл). ↩
Силовой транзистор представляет собой мощный МОП-транзистор FQA9N90C. Он может выдерживать 9 ампер и 900 вольт. ↩↩
Интегральная схема питается от отдельной обмотки трансформатора, который обеспечивает 34 вольта для работы микросхемы. Вы можете заметить проблему курицы и яйца: управляющая ИС подает импульсы на трансформатор, но трансформатор питает управляющую ИС. Решением является схема запуска, состоящая из 100 кОм; резистор между ИС и высоковольтным постоянным током. Это обеспечивает небольшой ток, достаточный для начала работы ИС. Как только ИС начинает посылать импульсы на трансформатор, она получает питание от трансформатора. ↩
Метод использования одного контура регулирования для двух выходов называется перекрестным регулированием. Если нагрузка на один выход намного выше нагрузки на другой, напряжения могут отклоняться от своих значений. По этой причине многие блоки питания имеют минимальную нагрузку на каждом выходе. В более продвинутых источниках питания используются преобразователи постоянного тока для всех выходов, чтобы обеспечить их точность. Подробнее о перекрестном регулировании см. в этой презентации и эта презентация. Одним из обсуждаемых методов является объединение выходных обмоток по постоянному току, метод, используемый в этом источнике питания. В частности, 12-вольтовый выход реализован как 7-вольтовый выход, «наложенный» поверх 5-вольтового выхода, что дает 12 вольт. При такой конфигурации ошибка 10 % (например) в 12-вольтовой цепи составит всего 0,7 В, а не 1,2 В. ↩
Оптоизоляторы представляют собой компоненты PC817, которые обеспечивают 5000 вольт изоляция между двумя сторонами. Обратите внимание на прорезь в печатной плате под оптоизоляторами. Это обеспечивает дополнительную безопасность, гарантируя, что опасные напряжения не могут пройти между двумя сторонами оптоизолятора вдоль поверхности печатной платы, например, если на плате были загрязнения или конденсат. (В частности, слот увеличивает расстояние утечки.) ↩
Ширина импульса через магнитный усилитель задается простой схемой управления. В течение обратной части каждого импульса индуктор частично размагничивается. Цепь управления регулирует напряжение размагничивания. Более высокое напряжение размагничивания вызывает большее размагничивание. Это приводит к тому, что катушке индуктивности требуется больше времени для повторного намагничивания, и, таким образом, она блокирует входной импульс. в течение более длительного времени. При прохождении через цепь более короткого импульса выходное напряжение уменьшается. И наоборот, более низкое напряжение размагничивания приводит к меньшему размагничиванию, поэтому входной импульс блокируется на более короткое время. Таким образом, выходное напряжение регулируется изменением напряжения размагничивания. Обратите внимание, что ширина импульса в магнитном усилителе контролируется управляющей ИС; магнитный усилитель укорачивает эти импульсы по мере необходимости. регулировать выходное напряжение 3,3 В. ↩
Плата управления содержит несколько микросхем, включая операционный усилитель LM358NA, чип супервизора/сброса TPS3510P, счетверенный дифференциальный компаратор LM339N, и прецизионный эталон AZ431. Чип супервизора интересен; он специально разработан для источников питания и контролирует выходы, чтобы убедиться, что они не слишком высокие или слишком низкие. AZ431 — это вариант эталонного чипа TL431 с запрещенной зоной, который очень часто используется в источниках питания для обеспечения эталонного напряжения. Я писал о TL431 здесь. ↩
В резервном блоке питания используется другая конфигурация трансформатора, называемая обратноходовым трансформатором. ИС управления представляет собой A6151, который включает в себя переключающий транзистор в ИС, что упрощает конструкцию.
Цепь питания с использованием A6151. Эта схема взята из таблицы данных, поэтому она близка к схеме в блоке питания, который я исследовал, но не идентична.