Привіт друзі! Вникаючи в технічні характеристики комплектуючих, можна побачити опцію PFC в блоці живлення, що це таке, навіщо треба і як працює, я розповім сьогоднішній публікації. Поїхали.
Згадаймо шкільний курс фізики
Ті, хто добре вивчав фізику в школі, пам'ятають, що потужність може бути активною або реактивною. Активною називається потужність, яка виконує корисну роботу – змушує грітися праску, світитися лампу розжарювання або приводить у дію компоненти ПК.
У реактивних ланцюгах сила струму може відставати від напруги або випереджати його, що визначається параметром cos (косинус Фі). При індуктивному навантаженні струм відстає від напруги (індуктивне навантаження) або випереджає його (ємне навантаження).
Останнє часто зустрічається у складних електричних схемах, де використовуються конденсатори, у тому числі й у комп'ютерних блоках живлення.
Реактивна потужність не виконує жодного корисного навантаження, «блукаючи» електричними ланцюгами і нагріваючи їх. Саме з цієї причини передбачено запас перетину проводів. Чим більше cos φ, тим більше енергії розсіється у схемі у вигляді тепла. 
Реактивна потужність комп'ютерного БП
Оскільки, зазвичай, у комп'ютерних блоках живлення використовуються конденсатори. великої ємності, то й реактивна складова у такій схемі відчутна. На щастя, вона не враховується побутовим лічильником електроенергії, тому переплачувати за електрику користувачеві не доведеться.
Значення cos для таких пристроїв зазвичай досягає 0,7. Це означає, що запас проводки за потужністю має бути не менше 30%. Але оскільки струм протікає через схему блоку живлення короткими імпульсами зі змінною амплітудою, через це скорочується термін служби конденсаторів і діодів.
Якщо останні не мають запасу за силою струму і підібрані "впритул" (як це часто буває в дешевих БП), термін експлуатації такого пристрою скорочується.
Для боротьби з цими реактивними явищами використовується коректор коефіцієнта потужності, тобто PFC.
Що таке тип PFC
Існує два типи пристроїв з Power Factor Correction модулем:
- З пасивним – дросель, включений у схему між конденсаторами та випрямлячем;
- З активним – додаткове імпульсне джерело живлення підвищення напруги.
Дросель є пристроєм з комплексним опором, характер якого симетрично протилежний реактивності конденсаторів. Це певною мірою дозволяє компенсувати негативні фактори, проте cos φ збільшується незначно.
Крім того, частково стабілізується вхідна напруга основного блоку стабілізаторів. 
Active PFC, тобто активна схема (APFC), здатна збільшити цей параметр до 0,95, тобто зробити його близьким до ідеального. Такий БП менш схильний до короткочасних «провалів» струму, дозволяючи працювати на заряді конденсаторів, що є незаперечною перевагою.
При цьому варто враховувати, що такі конструкційні особливості впливають на ціну пристрою.
Сьогодні у продажу можна знайти БП у форм-факторі ATX як з корекцією коефіцієнта потужності, так і без PFC. Чи потрібний PFC чи ні, слід вирішувати виходячи зі специфіки використання комп'ютера. Наприклад, в ігровому комп'ютері його наявність бажана, але зовсім необов'язково.
Хочу акцентувати вашу увагу наступного моменту. Крім того, PFC знижує рівень високочастотних перешкод на вихідних лініях. Такий БП рекомендується використовувати у зв'язці з периферичними пристроями для обробки аналогових відео та аудіо сигналів – наприклад, на студії звукозапису.
Але навіть якщо ви простий любитель, що підключає електрогітару до комп'ютера з встановленим Guitar Rig, рекомендується використовувати БП з коректором коефіцієнта потужності.
Якщо ви шукаєте величезний вибір подібних пристроїв, можете подивитися в цьому інтернет-магазинчикупросто рекомендую. Також раджу почитати і як. Інформацію про сертифікати ви знайдете.
PFC- це Power Factor Correction, що перекладається англ. як "Корекція фактора потужності", зустрічається також назва "Компенсація реактивної потужності".
Стосовно імпульсних блоків живлення цей термін означає наявність у блоці живлення відповідного набору схемотехнічних елементів, який також називається "PFC". Ці пристрої призначені для зниження реактивної потужності, що споживається блоком живлення. Джерела живлення без PFC створюють потужні імпульсні перешкодиелектромережі для паралельно включених електроприладів.
Для кількісної оцінки внесених спотворень та перешкод існує коефіцієнт потужності (КМ чи Power Factor). Власне чинником (чи коефіцієнтом потужності) називається ставлення активної потужності (потужності, що споживається блоком живлення безповоротно) до повної, тобто. до векторної суми активної та реактивної потужностей. По суті коефіцієнт потужності (не плутати з ККД!) є відношення корисної та отриманої потужностей, і чим він ближчий до одиниці – тим краще.
Різновиди PFC
PFC буває двох різновидів – пасивний та активний.
Найбільш простим і тому найпоширенішим є так званий пасивний PFC. Пасивні PFC роблять на реактивному елементі – дроселі. На жаль, для отримання прийнятної ефективності його розміри виходять порівняні з розмірами трансформаторного варіанта побудови блоку живлення, що економічно не вигідно. Великі геометричні розміри дроселя виходять тому, що він повинен працювати на частоті 50Hz (точніше 100Hz через подвоєння частоти після випрямлення) і він ніяк не може бути меншим за відповідний трансформатор на таку ж потужність. Досить часто в БП під вивіскою "пасивний PFC" ховається дросель дуже малих розмірів. Точніше сказати, там не може бути дроселя достатніх розмірів через дуже обмежене місце в корпусі даного БП. Подібний декоративний PFC може зіпсувати динамічні характеристики БП або спричинити нестійку роботу.
Активний PFCє ще одним імпульсним джерелом живлення, причому підвищує напругу.
Крім того, що активний PFC забезпечує близький до ідеального коефіцієнт потужності, так ще, на відміну від пасивного, він покращує роботу блоку живлення - він додатково стабілізує вхідну напругу основного стабілізатора блоку - блок стає помітно менш чутливим до зниженої напруги мережі, також при використанні активного PFC досить легко розробляються блоки з універсальним живленням 110...230В, що не потребують ручного перемикання напруги мережі.
Також використання активного PFC покращує реакцію блоку живлення під час короткочасних (частки секунди) провалів мережевої напруги - у такі моменти блок працює за рахунок енергії конденсаторів високовольтного випрямляча, ефективність використання яких збільшується більш ніж удвічі. Ще однією перевагою використання активного PFC є більше низький рівеньвисокочастотних перешкод вихідних лініях, тобто. такі БП рекомендуються для використання у ПК з периферією, призначеною для роботи з аналоговим аудіо/відео матеріалом.
Міжнародні організації та PFC
Міжнародна електротехнічна комісія (МЕК) або IEC (International Electrotechnical Commission) та міжнародна організація зі стандартизації або ISO (International Organization for Standardization) встановлюють обмеження на утримання та рівні гармонік у вхідному струмі вторинних джерел живлення. Використання електроприладів, що не задовольняють стандарти цих організацій, заборонено в багатьох країнах, тому розробники серйозної апаратури обов'язково повинні про це пам'ятати.
Ні для кого не секрет, що одним із головних блоків комп'ютера є блок живлення. При покупці ми звертаємо увагу на різні характеристики: на максимальну потужність блоку, характеристики системи охолодження і на рівень шуму. Але не всі запитують що таке PFC?
Отже, давайте розберемося, що дає PFC
Стосовно імпульсних блоків живлення (у системних блоках комп'ютерів нині використовуються БП лише такого типу) цей термін означає наявність у блоці живлення відповідного набору схемотехнічних елементів.
Power Factor Correction- Перекладається як «Корекція фактора потужності», зустрічається також назва «компенсація реактивної потужності».
Власне чинником чи коефіцієнтом потужності називається ставлення активної потужності (потужності, споживаної блоком живлення безповоротно) до повної, тобто. до векторної суми активної та реактивної потужностей. По суті коефіцієнт потужності (не плутати з ККД!) є відношення корисної та отриманої потужностей, і чим він ближчий до одиниці – тим краще.
PFC буває двох різновидів - пасивний та активний.
При роботі імпульсний блок живлення без будь-яких додаткових PFC споживає потужність від мережі живлення короткими імпульсами, що приблизно збігаються з піками синусоїди напруги.
Найбільш простим і тому найпоширенішим є так званий пасивний PFC, Який являє собою звичайний дросель порівняно великий індуктивності, включений в мережу послідовно з блоком живлення.
Пасивний PFCдещо згладжує імпульси струму, розтягуючи їх у часі – проте для серйозного впливу на коефіцієнт потужності потрібен дросель великої індуктивності, габарити якого не дозволяють встановити його всередині. комп'ютерного блокуживлення. Типовий коефіцієнт потужності БП з пасивним PFC становить лише близько 0,75.
Активний PFCє ще одним імпульсним джерелом живлення, причому підвищує напругу.
Як видно, форма струму, що споживається блоком живлення з активним PFC, дуже мало відрізняється від споживання звичайного резистивного навантаження - результуючий коефіцієнт потужності такого блоку може досягати 0,95 ... 0,98 під час роботи з повним навантаженням.
Щоправда, у міру зниження навантаження коефіцієнт потужності зменшується, мінімум опускаючись приблизно до 0,7...0,75 – тобто до рівня блоків з пасивним PFC. Втім, слід зазначити, що пікові значення струму споживання у блоків з активним PFCвсе одно навіть на малій потужності виявляються помітно меншеніж у всіх інших блоків.
Крім того що активний PFC забезпечує близький до ідеального коефіцієнт потужності, так ще, на відміну від пасивного, він покращує роботу блоку живлення - він додатково стабілізує вхідну напругу основного стабілізатора блоку - блок стає помітно менш чутливим до зниженої напруги, також при використанні активного PFC досить легко розробляються блоки з універсальним живленням 110... 230В, що не потребують ручного перемикання напруги мережі.
Такі БП мають специфічну особливість - їх експлуатація спільно з дешевими ДБЖ, що видають ступінчастий сигнал під час роботи від батарей може призвести до збоїв у роботі комп'ютератому виробники рекомендують використовувати в таких випадках ДБЖ класу Smart, що завжди подають на вихід синусоїдальний сигнал.
Також використання активного PFCпокращує реакцію блоку живлення під час короткочасних (частки секунди) провалів мережевої напруги – у такі моменти блок працює за рахунок енергії конденсаторів високовольтного випрямляча, ефективність використання яких збільшується більш ніж удвічі. Ще однією перевагою використання активного PFC є нижчий рівень високочастотних перешкоду вихідних лініях, тобто. такі БП рекомендуються для використання у ПК з периферією, призначеною для роботи з аналоговим аудіо/відео матеріалом.
А тепер трохи теорії
Звичайна, класична, схема випрямлення змінної напругимережі 220V складається з діодного моста і конденсатора, що згладжує. Проблема в тому, що струм заряду конденсатора має імпульсний характер (тривалість порядку 3mS) і, як наслідок цього, дуже великим струмом.
Наприклад, для БП з навантаженням у 200W середній струм із мережі 220V буде 1A, а імпульсний – у 4 рази більше. Якщо таких БП багато та (або) вони потужніші? ... тоді струми будуть просто божевільними - не витримає проводка, розетки, та й платити доведеться більше за електрику, адже якість струму споживання дуже враховується.
Наприклад, великих заводах є спеціальні конденсаторні установки для компенсації "косинусу". У сучасній комп'ютерної технікизіткнулися з тими ж проблемами, але ставити багатоповерхові конструкції ніхто не буде, і пішли іншим шляхом – у блоках живлення ставлять спеціальний елемент зі зменшення "імпульсності" споживаного струму – PFC.
Різні типи розділені кольорами:
- червоний - звичайний БП без PFC,
- жовтий - на жаль, "звичайний БП з пасивним PFC",
- зелений - БП із пасивним PFC достатньої індуктивності.
На моделі показані процеси при включенні БП та короткочасному провалі через 250mS. Великий викид напруги за наявності пасивного PFC виходить тому, що в дроселі накопичується занадто велика енергія при заряді конденсатора, що згладжує. Для боротьби з цим ефектом здійснюють поступове включення БП - спочатку послідовно з дроселем підключається резистор для обмеження стартового струму, потім він коротшає.
Для БП без PFC або декоративним пасивним PFC цю роль виконує спеціальний терморезистор з позитивним опором, тобто. його опір сильно зростає під час нагрівання. При великому струмі такий елемент дуже швидко нагрівається і величина струму зменшується, надалі він охолоджується через зменшення струму і впливу на схему не надає. Т.ч., терморезистор виконує свої обмежувальні функції лише за дуже великих, стартових струмах.
Для пасивних PFC імпульс струму при включенні не такий великий і терморезистор часто не виконує свою функцію, що обмежує. У нормальних, великих пасивних PFC крім терморезистора ставиться ще спеціальна схема, а в "традиційних" декоративних цього немає.
І за самими графіками. Декоративний пасивний PFC дає сплеск напруги, що може призвести до пробою. силової схемиБП, усереднена напруга дещо менше випадку без_PFC і при короткочасному зникненні живлення напруга падає на більшу величину, ніж без_PFC. В наявності явне погіршення динамічних властивостей. Нормальний пасивний PFC також має особливості. Якщо не враховувати початковий сплеск, який в обов'язковому порядку повинен бути компенсований послідовністю включення, то можна сказати наступне:
Вихідна напруга поменшала. Це правильно, адже воно не піковому вхідному, як для перших двох типів БП, а "чинному". Відмінність пікового від діючого дорівнює кореню з двох.
Пульсації вихідної напруги значно менші, адже частина функцій, що згладжують, переходить на дросель.
- Провал напруги при короткочасному пропаданні напруги також менший з тієї ж причини.
- Після провалу слідує сплеск. Це дуже суттєвий недолік, і це основна причина, чому пасивні PFC не поширені. Цей сплеск відбувається тому ж, чому він відбувається при включенні, але для випадку початкового включенняспеціальна схема може щось відкоригувати, то в роботі це зробити набагато складніше.
- При короткочасному зникненні вхідної напруги вихідне змінюється негаразд різко, як у інших випадках БП. Це цінно, т.к. повільна зміна напруги схема управління БП відпрацьовує дуже успішно і жодних перешкод на виході БП не буде.
Для інших варіантів БП при подібних провалах на виходах БП обов'язково піде на заваді, що може позначитися на надійності функціонування. Як часті короткочасні зникнення напруги? За статистикою, 90% усіх нестандартних ситуацій із мережею 220V припадає саме на такий випадок. Основне джерело виникнення, це перемикання в енергосистемі та підключення потужних споживачів.
На малюнку показано ефективність PFC щодо зменшення імпульсів струму:
Для БП без PFC сила струму досягає 7.5A, пасивний PFC зменшує її в 1.5 рази, а нормальний PFC зменшує струм значно більше.
Вибрати блок живлення для комп'ютера не так просто, як здається. Від вибору блоку живлення залежатиме стабільність та термін служби компонентів комп'ютера, тому варто підійти до цього питання серйозніше. У цій статті я спробую перерахувати основні моменти, які допоможуть визначитися у виборі надійного блоку живлення.
Потужність.
На виході блок живлення дає наступні напруги +3.3 v, +5 v, +12 v і деякі допоміжні -12 v +5 VSB. Основне навантаження лягає на лінію +12V.
Потужність (W - Ватт) розраховується за формулою P = U x I, де U - це напруга (V - Вольт), а I - сила струму (A - Ампер). Звідси висновок, що більше сила струму з кожної лінії, то більше вписувалося потужність. Але не все так просто, припустимо при великому навантаженніпо комбінованій лінії +3.3 v і +5 v може зменшитися потужність на лінії +12 v. Розглянемо приклад на основі маркування блока живлення Cooler Master RS-500-PSAP-J3 – це перше фото, яке я знайшов в інтернеті.
Вказано, що максимальна сумарна потужність ліній +3.3V і +5V = 130W, також зазначено, що максимальна потужність лінії +12V = дорівнює 360W. Зверніть увагу, що вказані дві віртуальні лінії +12V1 і +12V2 по 20 Ампер кожна - це зовсім не означає, що загальний струм 40А, так як при струмі в 40А і напрузі 12V, потужність була 480W (12x40=480). Насправді вказано максимально можливий струм кожної лінії. Реальний максимальний струм легко розрахувати за формулою I = P / U, I = 360 / 12 = 30 Ампер.
Також зверніть увагу на рядок нижче:
The +3.3V&+5V & +12Vtotaloutputshallnotexceed 427.9W- Виходить що сумарна потужність по всіх лініях не повинна перевищувати 427.9W. У результаті ми отримуємо не 490W (130 + 360), а лише 427.9. Знову ж таки важливо розуміти, що якщо навантаження на лінії +3.3V і 5V буде, скажімо 100W, то відібравши від максимальної потужності 100W, тобто. 427.9 - 100 = 327.9. У результаті ми отримаємо 327.9W у залишку на лінії +12V. Звичайно, в сучасних комп'ютерах навантаження на лінії +3.3V і +5V навряд чи буде більше 50-60W, тому можна вважати, що потужність на лінії +12V буде 360W, а струм 30A.
Розрахунок потужності блоку живлення.
Для розрахунку потужності блоку живлення можете скористатися цим калькулятором http://www.extreme.outervision.com/psucalculatorlite.jsp, сервіс англійською мовою, але думаю розібратися можна.
За своїм досвідом можу сказати, що для будь-кого офісного комп'ютерацілком достатньо блоку живлення на 300W. Для ігрового вистачить БП на 400 - 500W, для найпотужніших ігрових з дуже потужною відеокартою або двома в режимі SLIабо Crossfire- Необхідний блок на 600 - 700W.
Процесор зазвичай споживає від 35 до 135W, відеокарта від 30 до 340W, материнська плата 30-40W, 1 планка пам'яті 3-5W, жорсткий диск 10-20W. Зважайте також на те, що основне навантаження лягає на лінію 12V. Так, і не забудьте додати запас 20-30% із розрахунком на майбутнє.
ККД.
Не маловажним буде ККД блоку живлення. ККД (коефіцієнт корисної дії) - це відношення вихідної потужності до споживаної. Якби блок живлення міг перетворити електричну енергію без втрат, його ККД був 100%, але це неможливо.
Наведу приклад, щоб блоку живлення з ККД 80% забезпечити на виході потужність 400W, він повинен споживати від мережі не більше 500W. Той самий блок живлення, але з ККД 70%, споживатиме близько 571W. Знову ж таки, якщо блок живлення не сильно навантажений, наприклад на 200W, то і споживати від мережі він буде теж менше, 250W при ККД 80% і приблизно 286 при ККД 70%.
Існує організація, яка тестує блоки живлення на відповідність до певного рівня сертифікації. Сертифікація 80
Plusпроводилася тільки для електромережі 115В поширеною, наприклад, у США. Починаючи з рівня 80 Plus Bronze, блоки живлення тестуються для використання в електромережі 230В. Наприклад, для проходження сертифікації рівня 80
PlusBronzeККД блоку живлення має бути 81% при навантаженні 20%, 85% при навантаженні 50% та 81% при навантаженні 100%.
Наявність одного з логотипів на блоці живлення свідчить, що блок живлення відповідає певному рівню сертифікації.
Плюси блоку живлення з високим ККД:
По-перше, менше енергії виділяється у вигляді тепла, відповідно до системи охолодження блоку живлення потрібно відводити менше тепла, отже, і шуму від роботи вентилятора менше. По-друге, невелика економія на електриці. По-третє, якість даних БП висока.
Активний чи пасивний PFC?
PFC (Power Factor Correction) - Корекція фактора (коефіцієнта) потужності. Фактором потужності називається відношення активної потужності до повної (активної + реактивної).
Так як реальне навантаження зазвичай має ще індуктивну та ємнісну складові, то до активної потужності додається реактивна. Навантаженням реактивна потужність не споживається - отримана протягом одного напівперіоду мережевої напруги, вона повністю віддається назад в мережу протягом наступного напівперіоду, марно навантажуючи проводи живлення. Виходить, що від реактивної потужності користується нуль, і з нею по можливості борються, за допомогою різних пристроїв, що коректують.
PFC - буває пасивним та активним.
Переваги активного PFC:
Активний PFC забезпечує близький до ідеального коефіцієнт потужності (у активного 0.95-0.98 проти 0.75 пасивного).
Активний PFC стабілізує вхідну напругу основного стабілізатора, блок живлення стає менш чутливим до зниженої напруги.
Активний PFC покращує реакцію блока живлення під час короткочасних провалів напруги.
Недоліки активного PFC:
Знижує надійність блоку живлення, так як ускладнюється пристрій блоку живлення. Потрібно додаткове охолодження. Загалом переваги активного PFC переважують його недоліки.
У принципі, можна не звертати уваги на тип PFC. У будь-якому випадку, при покупці блоку живлення меншої потужності, в ньому, швидше за все, буде пасивний PFC, при покупці потужнішого блоку від 500 W - ви, швидше за все, отримаєте блок з активним PFC.
Система охолодження блоків живлення.
Наявність у блоці живлення вентилятора вважається нормою, його діаметр найчастіше 120, 135 або 140 мм.
Кабелі та роз'єми.
Зверніть увагу на кількість роз'ємів і довжину кабелів, що йдуть від блока живлення, в залежності від висоти корпусу потрібно вибрати БП з кабелями, що відповідають по довжині. Для невеликого корпусу достатньо довжини 40-45 см.
Сучасний блок живлення має такі роз'єми:
 |
24-х контактний роз'єм для живлення материнської плати. Зазвичай роздільний 20 і 4 контакти, буває цілісний. |
|
Роз'єм процесора. Зазвичай 4-х контактний, для більш потужних процесоріввикористовується 8-й контактний. |
|
|
Роз'єм для додаткового живлення відеокарти. 6-й та 8-й контактний. 8-й контактний іноді збірний 6+2 контакти. |
|
|
Роз'єм SATA для підключення жорстких дисків та оптичних приводів. |
|
 |
4-х контактний роз'єм (Molex) для підключення старих IDE жорстких дисків та оптичних приводів, також застосовують для підключення вентиляторів. |
|
4-х контактний роз'єм для підключення дисководів FDD. |
Модульні кабелі та роз'єми.
Багато більше потужні блокиживлення зараз використовують модульне підключення кабелів із роз'ємами. Це зручно, тим, що немає потреби, тримати кабелі, що не використовуються, всередині корпусу, до того ж менше плутанини з проводами, просто додаємо при необхідності. Відсутність зайвих кабелів також покращує циркуляцію повітря в корпусі. Зазвичай у цих блоках живлення незнімні лише роз'єми для живлення материнської плати та процесора.
Виробники.
Виробники блоків живлення поділяються на три групи:
- Виробляють свою продукцію – це такі бренди як FSP, Enermax, HEC, Seasonic, Delta, Hipro.
- Виробляють свою продукцію, частково перекладаючи виробництво на інші компанії, як Corsair, Antec, Silverstone, PC Power & Cooling, Zalman.
- Перепродують під власною маркою (деякі впливають на якість та вибір компонентів, деякі ні), наприклад Chiftec, Cooler Master, Gigabyte, OCZ, Thermaltake.
Можна сміливо купувати продукцію цих брендів. В інтернеті можна знайти огляди та тести багатьох блоків живлення та орієнтуватися за ними.
Сподіваюся, дана стаття допоможе вам дати відповідь на запитання. як вибрати блок живлення для комп'ютера?».
На жаль, один із основних тестів нашої методики – вимір стабільності напруг – ніяк не міг похвалитися наочністю, бо в ньому практично для кожного блоку використовувалися власні патерни навантажень, що унеможливлювало обговорення та порівняння результатів різних блоків живлення без постійних посилань на особливості застосованих до них патернів. Інакше кажучи, результати кожного з блоків тягли за собою купу умовностей і застережень - зрозуміло, порівняння в результаті було можливо, інакше взагалі не було б сенсу проводити тестування, проте прямепорівняння цифр чи графіків, на жаль, цими застереженнями дуже важко.
Цією статтею я представляю Вам нову методику тестування блоків живлення, що прийшла на зміну старому способу вимірювання стабільності напруг і дає вкрай наочний і при цьому вельми точний і об'єктивний результат, однак добре придатний для порівняння різних блоків живлення, як у конкретних цифрах, так і просто. на око", на вигляд одержуваних графіків. За основу взято методику побудови так званих крос-навантажувальних характеристик блоків живлення, розроблену та застосовану нашими колегами з видання ITC Online, проте вона була суттєво доопрацьована з метою ще більшого підвищення як інформативності, так і наочності.
Також у статті я більш-менш докладно опишу різні аспектироботи комп'ютерних блоків живлення, щоб читачам, які не знаються на схемотехніці імпульсних блоків живлення, стало зрозуміло, що означають і звідки беруться ті чи інші параметри блоків живлення, що вимірюються в ході тестування. Ті ж з Вас, хто досить добре знайомий з пристроєм і роботою імпульсних джерел живлення, можуть відразу перегорнути перші два розділи статті до опису тестового обладнання, що власне використовується, і методики тестування.
Лінійні та імпульсні джерела живлення
Як відомо, електронне джереложивлення - це пристрій, тим чи іншим способом вирішальне завданнязміни, управління чи стабілізації надходить у навантаження електричної потужності.Найбільш простим і досі вкрай широко застосовується методом управління є поглинання надлишкової потужності в пристрої, що управляє, тобто банальне розсіювання її у вигляді тепла. Джерела харчування, що діють за таким принципом, називають лінійними.
Вище представлена схема такого джерела – лінійного стабілізатора напруги. Напруга побутової мережі 220В знижується трансформатором T1 до необхідного рівня, після чого випрямляється діодним мостом D1. Очевидно, що випрямлена напруга повинна бути в будь-яких умовах вище за вихідну напругу стабілізатора – інакше кажучи, необхідна надмірна потужність; це випливає із самого принципу роботи лінійного стабілізатора. У цьому випадку ця потужність виділяється у вигляді тепла на транзисторі Q1, який керується деякою схемою U1 так, щоб вихідна напруга Uout знаходилася на необхідному рівні.
Така схема має два істотних недоліків. По-перше, низька частота змінного струму в мережі живлення (50 або 60Гц, в залежності від країни) обумовлює великі габаритні розміри і масу понижуючого трансформатора - трансформатор потужністю 200-300Вт важитиме кілька кілограм (не кажучи вже про те, що в лінійних доводиться застосовувати трансформатори на потужність удвічі більшу, ніж максимальна потужність навантаження, бо ККД лінійного стабілізатора становить близько 50%, а трансформатор повинен бути розрахований на повну потужність, включаючи ту, що піде в тепло на стабілізаторі). По-друге, напруга на виході трансформатора повинна у всіх випадках перевищувати суму вихідної напруги стабілізатора та мінімального падіння напруги на регулюючому транзисторі; це означає, що у випадку транзистору доведеться розсіювати дуже помітну надлишкову потужність, що негативно позначиться на ККД всього пристрою.
Для подолання цих недоліків були розроблені так звані імпульсні стабілізатори напруги, в яких керування потужністю відбувається без розсіювання потужності в самому пристрої керування. У найпростішому вигляді такий пристрій можна як звичайний ключ (роль якого може грати і транзистор), включений послідовно з навантаженням. У такій схемі середнійструм, що протікає через навантаження, залежить не тільки від опору навантаження і напруги живлення, але і від частоти перемикання ключа - чим вона більше, тим вище струм. Таким чином, змінюючи частоту перемикання, ми можемо регулювати середній струм через навантаження, причому в ідеалі на самому ключі потужність не буде розсіюватися взагалі - оскільки він перебуває лише у двох станах: або повністю відкритим, або закритим. У першому випадку падіння напруги на ньому дорівнює нулю, у другому випадку - нулю дорівнює протікає через нього струм, а потім потужність, що виділяється на ньому, дорівнює добутку струму на напругу, також завжди дорівнює нулю. У реальності, звичайно, все трохи інакше – у разі використання як ключ транзисторів, по-перше, навіть у відкритому стані на них падає невелика напруга, по-друге, процес перемикання відбувається не миттєво. Однак ці втрати - наслідок побічних явищ, і вони набагато менше, ніж надлишкова потужність, що виділяється на пристрої управління лінійного стабілізатора.
Якщо порівнювати цифри, то ККД типового лінійного стабілізатора становить 25...50%, тоді як ККД імпульсного може перевищувати 90%.
Крім того, якщо в імпульсному стабілізаторі поставити ключ до понижуючого трансформатора (очевидно, що все одно регулювати вхідну або вихідну напругу трансформатора – вони нерозривно пов'язані один з одним), то ми отримуємо можливість визначати частоту роботи трансформатора незалежно від частоти мережі живлення. А оскільки габарити трансформатора зменшуються зі збільшенням його. робочої частоти, Це дозволяє використовувати в імпульсних стабілізаторах понижуючі трансформатори буквально іграшкових розмірів в порівнянні з їх лінійними аналогами, що дає колосальний виграш в розмірах готового пристрою. Для прикладу, трансформатор на частоту 50Гц і потужність 100Вт важить трохи більше двох кілограм, тоді як трансформатор на ту ж потужність, але на частоту 35кГц важить лише близько 35 грам. Це, зрозуміло, радикально впливає на габарити і масу всього джерела живлення - якщо порахувати відношення вихідної потужності джерела до його об'єму, то для імпульсного джерела живлення, що працює на частоті кількох кілогерц, воно становитиме приблизно 4-5 Вт/куб. дюйм, тоді як для лінійного стабілізатора цей показник становить лише 0,3...1 Вт/куб. дюйм. Більше того, з підвищенням частоти щільність потужності імпульсного джерела живлення може сягати 75 Вт/куб. дюйм, що зовсім недосяжно для лінійних джерел навіть при водяному охолодженні (цифри дані за книгою Ірвінга М. Готтліба "Джерела харчування. Інвертори, конвертори, лінійні та імпульсні стабілізатори").
Крім того, при такому виконанні імпульсний стабілізатор значно менше залежить від величини вхідної напруги - адже чутливий до цього в першу чергу знижуючий трансформатор, а при включенні ключа до нього ми можемо керувати напругою та частотою його роботи так, як нам треба. Відповідно, імпульсні стабілізатори абсолютно без особливих проблем переносять догляд напруги мережі живлення аж до 20% від номіналу, в той час як у лінійних досягти роботи при зниженій напрузі мережі можна лише за рахунок подальшого зниження і без того невисокого ККД.
Крім трансформатора, використання високої частотидозволяє сильно (у десятки разів) зменшити ємність і, відповідно, габарити конденсаторів, що згладжують (C1 і C2 на вищенаведеній схемі). Правда, це палиця з двома кінцями - по-перше, далеко не всі електролітичні конденсатори здатні нормально працювати на такій частоті, по-друге, незважаючи ні на що, в імпульсному джерелі живлення технічно дуже важко отримати розмах пульсацій на виході нижче 20 мВ, той час як у лінійних при необхідності без особливих витрат рівень пульсацій може бути знижений до 5 мВ, і навіть нижче.
Очевидно, що працюючий на частоті в кілька десятків кілогерц перетворювач є джерелом перешкод не тільки у власне навантаження, а й у мережу живлення, а також просто в радіоефір. Тому, при проектуванні імпульсних джерел живлення необхідно приділяти увагу як фільтру на його вході (всупереч поширеній думці, він не так захищає блок живлення від зовнішніх перешкод, скільки захищає інші пристрої від перешкод, створюваних цим блоком живлення), так і електромагнітного екранування самого блоку живлення , Що у випадку потужних блоків означає використання сталевого корпусу. Лінійні блокихарчування, як я зазначав вище, хоч і більш чутливі до зовнішніх перешкод, але самі жодних перешкод не створюють, а тому не вимагають жодних особливих заходів щодо захисту навколишнього обладнання.
Крім того, імпульсні джерелахарчування вимагають значно складнішої (і, відповідно, дорогої) електроніки, ніж їх лінійні побратими. Цінова перевага імпульсних блоків очевидна для досить потужних виробів, де ціна в першу чергу визначається вартістю силового трансформатораі необхідного тепловідведення, а тому лінійні джерела з їх великими габаритами та низьким ККД опиняються у явному програші; однак у міру здешевлення компонентів імпульсних блоків живлення вони все більше і більше тіснять і малопотужні лінійні джерела – так, вже не є рідкістю імпульсні блокиживлення потужністю в одиниці ват (наприклад, зарядні пристроїмобільних телефонів), хоча ще кілька років тому на таких потужностях переваги лінійних джерел були очевидними.
Якщо ж говорити про завдання, в яких визначальним параметром є габарити, то тут імпульсні джерела живлення знаходяться поза конкуренцією – за всіх конструкторських хитрощів, отримати від лінійного джерела ту саму щільність потужності, що й від імпульсного просто неможливо.
Блоки живлення комп'ютерів
В даний час всі джерела живлення, що використовуються в комп'ютерах, - імпульсні. Зумовлено це тим, що для забезпечення розумних габаритів та тепловиділення необхідні щільність потужності та ККД, які принципово недосяжні для лінійних блоків живлення такої потужності – так, щільність потужності звичайного ATX блоку живлення становить 2...5 Вт/куб. дюйм (залежно від його вихідної потужності), а ККД – не менше 68% при роботі з максимальним навантаженням.Вище на малюнку наведено дещо спрощену блок-схему типового комп'ютерного блоку живлення. Нижче на прикладі блоку Macropower MP-300AR показано типове розташування компонентів реальному блоціживлення (у більшості блоків інших моделей ніяких суттєвих відмінностей не буде):
Напруга живлення 220В проходить через дво- або триланковий фільтр, що захищає інші включені в мережу пристрої від створюваних блокомхарчування перешкод. Після фільтра напруга надходить на випрямляч D1, а з нього - на необов'язкову (але все частіше зустрічається в нових блоках) схему корекції фактора потужності (PFC - Power Factor Correction). Докладніше про те, що таке PFC, і навіщо він потрібен, буде сказано нижче, зараз мені хотілося б докладніше зупинитися на фільтрі, бо з ним пов'язана пара питань, які часто ставлять користувачі.
Блок живлення без PFC
На наведеній вище осцилограмі зелений "промінь" - мережна напруга, а жовтий - струм, що споживається блоком живлення від мережі. При такій картині фактор потужності виходить дорівнює приблизно 0,7 - тобто майже третина потужності лише безглуздя нагріває дроти, не виробляючи ніякої корисної роботи. І якщо для приватних користувачів ця цифра не має великого значення, бо квартирні електролічильники враховують лише активну потужність, то для великих офісів і взагалі будь-яких приміщень, де одночасно працює безліч комп'ютерів, низький коефіцієнт потужності є помітною проблемою, бо вся електропроводка та супутнє обладнання має розраховуватися виходячи саме з повної потужності– інакше кажучи, при коефіцієнті потужності 0,7 воно має бути на третину потужнішим, ніж могло б бути, не споживай блок живлення реактивну потужність. Також позначається низький коефіцієнт потужності та при виборі джерел безперебійного живлення- Для них обмеженням є знову ж таки повна, а не активна потужність.
Відповідно, у Останнім часомвсе більшої популярності набувають пристрої корекції коефіцієнта потужності (PFC). Найбільш простим і тому найбільш поширеним є так званий пасивний PFC, що є звичайним дроселем порівняно великої індуктивності, включений в мережу послідовно з блоком живлення.
Блок живлення з пасивним PFC
Блок живлення з активним PFC
Як Ви бачите, форма струму, що споживається блоком живлення з активним PFC, дуже мало відрізняється від споживання звичайного резистивного навантаження – результуючий коефіцієнт потужності такого блоку може досягати 0,95...0,98 під час роботи з повним навантаженням. Щоправда, у міру зниження навантаження коефіцієнт потужності зменшується, мінімум опускаючись приблизно до 0,7...0,75 - тобто до рівня блоків з пасивним PFC. Втім, треба зауважити, що пікові значення струму споживання у блоків з активним PFC все одно навіть на малій потужності виявляються помітно меншими, ніж у всіх інших блоків.
Нижче на графіку наведено результат експериментального вимірювання залежності коефіцієнта потужності від навантаження на блок живлення для трьох блоків - без PFC взагалі, з пасивним PFC і, нарешті, з активним PFC.
Мало того, що активний PFC забезпечує близький до ідеального коефіцієнт потужності, то ще, на відміну від пасивного, він покращує роботу блоку живлення. По-перше, він додатково стабілізує вхідну напругу основного стабілізатора блоку - мало того, що блок стає помітно менш чутливим до зниженої мережної напруги, так ще й при використанні активного PFC досить легко розробляються блоки з універсальним живленням 110...230В, що не потребують ручного перемикання напруги мережі. По-друге, використання активного PFC покращує реакцію блоку живлення під час короткочасних (частки секунди) провалів мережної напруги – у такі моменти блок працює за рахунок енергії конденсаторів високовольтного випрямляча C1 та C2, а ця енергія пропорційна квадрату напруги на них; як я зазначав вище, при використанні активного PFC ця напруга досягає 400В проти звичайних 310В - отже, ефективність використання конденсаторів збільшується більш ніж у два рази (через те, що запасена в конденсаторах енергія вичерпується далеко неповністю, ефективність зростає ще швидше, ніж квадрат напруги на конденсаторах).
Фактично, у активного PFC лише два недоліки – по-перше, як і взагалі будь-яке ускладнення конструкції, він знижує надійність блоку живлення, по-друге, він також має ККД, відмінний від 100%, а тому потребує охолодження (втім, з іншого боку , активний PFC дещо знижує втрати у вхідному фільтрі та в самому інверторі, так що загального падіння ККД блоку не відбувається). Тим не менш, переваги від використання активного PFC в абсолютній більшості випадків переважують ці недоліки.
Отже, якщо Ви потребуєте блок з корекцією фактора потужності, то звертати увагу треба в першу чергу на моделі з активним PFC - тільки вони забезпечують дійсно хороший коефіцієнт потужності, при цьому ще й помітно покращуючи інші характеристики блоку живлення. З точки зору домашніх користувачів блоки з активним PFC виявляться корисними для власників малопотужних UPS"ів: припустимо, у Вас вже коштує UPS потужністю 500 ВА, з яких 50 ВА споживає РК-монітор, а 450 ВА залишаються на системний блок, і Ви збираєтеся проапгрейдить останній до сучасного рівня– а досить серйозна сучасна конфігурація може споживати від блока живлення при максимальному завантаженні до 300 Вт. У такому випадку, на блоці живлення з коефіцієнтом потужності 0,7 та ККД 80% (це досить типова цифра для гарного блоку) ми отримаємо повну споживану від мережі потужність 300 / (0,75 * 0,8) = 500 ВА, а на такому ж блоці з коефіцієнтом потужності 0,95 - відповідно, 300 / (0,95 * 0,8) = 395 ВА. Як бачите, у випадку з блоком живлення без PFC заміна UPS на більш потужний неминуча, інакше у разі відключення електрики в невідповідний момент нинішній просто не впорається з навантаженням, а у випадку з блоком з активним PFC навіть ще залишається невеликий запас в 55 ВА По-хорошому, звичайно, у цьому розрахунку треба враховувати ще й те, що на виході недорогих UPS напругамає не синусоїдальну, а трапецієподібну форму - проте при цьому зміняться лише абсолютні отримані цифри, перевага ж блоку живлення з активним PFC збережеться.
І на закінчення цього розділу хотілося б розвіяти один міф, пов'язаний з PFC: багато користувачів плутають коефіцієнт потужності та коефіцієнт корисної дії, тоді як це зовсім різні величини. ККД за визначенням дорівнює відношенню вихідної потужності блоку живлення до споживаної ним від мережі активної потужності, у той час як коефіцієнт потужності - відношенню споживаної від мережі активної потужності до повної. Встановлення в блок живлення схеми PFC впливає на споживану ним активну потужність лише опосередковано - за рахунок того, що сам PFC споживає деяку потужність плюс змінюється вхідна напруга основного стабілізатора; Основним завданням PFC є зменшення споживаної блоком реактивної потужності, яка у розрахунку ККД не враховується. Тому безпосереднього зв'язку між ККД та коефіцієнтом потужності – немає.
Стенд для тестування блоків живлення
Основним стендом для тестування блоків живлення в нашій лабораторії є напівавтоматична установка, що дозволяє встановлювати необхідне навантаження на шини +5В, +12В, +3,3В і +5В чергового режиму випробуваного блоку, одночасно вимірюючи відповідні вихідні напруги.
Апаратна частина установки базується на 4-канальному ЦАП Maxim MX7226, до виходів якого підключено джерела струму. Останні виконані на операційні підсилювачі LM324D та потужних польових транзисторах IRFP064N, встановлених на радіатори з примусовим повітряним охолодженням.
Кожен з транзисторів має граничну розсіювану потужність 200 Вт, а так як у кожному з найбільш потужних каналів навантаження (+5В і +12В) використовується по три таких транзистори, то установка дозволяє тестувати будь-які існуючі на Наразі ATX блоки живлення, аж до найпотужніших – навіть з урахуванням зниження допустимої потужності розсіювання транзисторів у міру зростання їхньої температури допустима потужність навантаження по кожному з каналів становить не менше 400 Вт.
Для вимірювання встановлених струмів навантаження і вихідних напруг блоку, що тестується, в установці використовуються два 4-канальних АЦП Maxim MX7824 - один АЦП відповідає за струми, інший - за напруги.
Все управління установкою, починаючи від включення тестованого блоку живлення і закінчуючи проведенням всіх можливих тестів, а також реєстрація та обробка їх результатів, здійснюється з комп'ютера порту LPT. Спеціально для цих цілей була написана програма, що дозволяє як вручну встановлювати струм навантаження незалежно по кожній із шин, так і виконувати деякі стандартні тести блоків живлення (наприклад, побудова крос-навантажувальної характеристики, про що буде сказано нижче) повністю автоматичному режимі.
Крім основної установки, для тестування блоків також використовуються два допоміжні пристрої. По-перше, це генератор прямокутних імпульсів із частотою, що дискретно змінюється від 60 Гц до 40 кГц:
Генератор підключається до тестованого блоку живлення у вигляді навантаження - за допомогою перемикача можна вибирати, чи буде він підключений до шини +12В або до +5В, в обох випадках піковий струм створюваного ним навантаження становить близько 1,3 А. Це дозволяє оцінити, наскільки добре тестований блок живлення реагує на порівняно потужні імпульси навантаження прямокутної форми, що йдуть з частотами від десятків герц до десятків кілогерц.
По-друге, для зняття осцилограм споживаного блоком живлення струму і, одночасно, напруги живлення використовується звичайний шунт на потужних дротяних резисторах сумарним опоромблизько 0,61 Ом:
До цієї плати при тестуванні блоку живлення підключаються щупи цифрового двоканального осцилографа - один його канал фіксує осцилограму напруги, а інший - осцилограму споживаного блоком живлення струму. Далі отримані осцилограми обробляються спеціально написаною для цього невеликою програмою, що відразу розраховує всі параметри, що нас цікавлять - споживану їм активну, реактивну і повну потужності і, відповідно, коефіцієнт потужності і ККД блоку живлення.
Для зняття осцилограм використовується цифровий двоканальний "віртуальний" осцилограф (віртуальність в даному випадку означає, що цей осцилограф являє собою плату, що встановлюється в комп'ютер, і без комп'ютера, на відміну від звичайних осцилографів, працювати не може, бо не володіє власними апаратними засобами управління і відображення інформації ) M221 виробництва словацької компанії ETC. Осцилограф має смугу пропускання аналогової частини 100 МГц, максимальну швидкість оцифрування довільного сигналу 20 млн. семплів на секунду і чутливість від 50 мВ/поділ до 10 В/поділ. Крім вимірів ККД і коефіцієнта потужності блоків живлення, осцилограф використовується для оцінки розмаху, форми і частотного складу пульсацій вихідних напруг блоків живлення.
Для швидкої оцінки струмів і напруг у процесі тестування, а також для періодичної перевірки іншого вимірювального обладнання, у нашій лабораторії використовується мультиметр Uni-Trend UT70D, що дозволяє з дуже хорошою точністю вимірювати струми та напруги, у тому числі і несинусоїдальної форми, що дуже важливо при тестуванні блоків живлення без корекції фактора потужності - багато вимірювальні прилади, що не мають позначки "TrueRMS", не здатні адекватно вимірювати змінні струмиі напруги, чия форма відрізняється від синусоїди.
Для вимірювання температури всередині блоку живлення нами використовується цифровий термометр Fluke 54 Series II з термопарами 80PK-1 та 80PK-3A (найменування всіх моделей дано за каталогом Fluke). На жаль, безконтактний інфрачервоний цифровий термометр, який ми маємо, показав незадовільну точність вимірювань на блискучих металевих поверхнях (наприклад, на алюмінієвих радіаторах блоків живлення), що й змусило нас перейти на використання термопарного термометра.
Для вимірювання швидкостей вентиляторів блоків живлення використається оптичний тахометр Velleman DTO2234. Він дозволяє без жодних проблем проводити вимірювання швидкості вентилятора в закритому блоці живлення, тобто без порушення його природного теплового режиму - достатньо лише наклеїти на одну з лопат вентилятора тоненьку смужку відбиває матеріалу.
І, нарешті, для забезпечення всіх блоків живлення однаковим мережевою напругою, незалежно від його добових коливань, а також для забезпечення можливості тестування блоків при підвищеній або зниженій напрузі живлення, вони підключаються до мережі через лабораторний автотрансформатор Wusley TDGC2-2000 з допустимою потужністю навантаження до 2 кВт і межами регулювання напруги від 0 до 250В.
Методика тестування блоків живлення
Першим і найбільш важливим тестом для будь-якого блоку живлення є побудова так званої крос-навантажувальної характеристики. Як я вже говорив у теоретичній частині статті, кожна вихідна напруга блоку живлення залежить від навантаження не тільки на відповідну йому шину, а й від навантажень на решту шин.Стандартом ATX передбачені максимальні допустимі відхилення вихідної напруги від номіналу - це 5% для всіх позитивних вихідних напруг (+12В, +5В і +3,3В) і 10% для негативних вихідних напруг (-5В і -12В, з яких, втім, у сучасних блоках залишилося лише останнє). Крос-навантажувальною характеристикою (КНХ) блоку називається та область поєднань навантажень, при якій жодна з вихідних напруг не виходить за допустимі рамки.
Будується КНХ як області на площині, де з горизонтальної осі координат відкладено навантаження на шину +12В, а, по вертикальної – сумарне навантаження на шину +5В і +3,3В. При побудові КНХ установка для тестування блоків живлення в повністю автоматичному режимі змінює навантаження на ці шини з кроком 5 Вт і, якщо всі вихідні напруги блоку на даному кроці вклалися в задані рамки, ставить на площині точку, колір якої – від зеленого до червоного – відповідає відхилення кожного з напруг у цій точці від номіналу. Так як використовувана нами установка контролює три основні вихідні напруги, то для кожного блоку живлення виходять, відповідно, три графіки (для кожного з напруг), на яких та сама область буде зафарбована різними кольорами. Форма області на всіх трьох однакова, оскільки вона визначається не для кожної з напруг окремо, а для всіх разом, і вихід за допустимі межі будь-якогоз напруг означає, що відповідної точки не буде на графіках для всіхнапруги; зафарбування області різна тому, що будується індивідуально для кожного з напруг. Нижче наведено приклад КНХ для блоку Macropower MP-360AR Ver. 2, розфарбована відповідно до відхилень напруги +12В (у статтях я наводитиму анімовані картинки, в яких по черзі будуть показуватися всі три напруги, поточна напруга вказується у верхньому правому куті графіка, над колірною шкалою):
На цьому графіку кожна точка суворо відповідає одному кроці вимірювань, причому для зручності в процесі вимірювань точки, в яких напруга вийшли за допустимі рамки, позначаються сірим кольором і меншим розміром – це необхідно для зручності експериментатора, що спостерігає за ходом вимірювань у реальному часі. Після закінчення вимірювань отримані дані обробляються за допомогою білінійної інтерполяції – так замість окремих точок виходить зручніша для сприйняття зафарбована область з чіткими краями:
Отже, що ми бачимо на цьому графіку? Протестований блок живлення чудово справляється з навантаженням по шині +12В – він здатний видавати належну напругу при максимальному навантаженні по цій шині і всього лише 5Вт по шині +5В (5Вт – це типове початкове значення при наших вимірах; для потужних блоків, що нестабільно працюють при настільки незначних навантажень, воно збільшується до 15 Вт або 25 Вт).
Рівна вертикальна межа в правій нижній частині графіка означає, що тут блок дійшов до межі потужності шини +12В (для цього блоку вона становить 300Вт), і установка не стала збільшувати струм навантаження далі, щоб уникнути виходу блоку живлення з ладу. Вище вертикальна межа перетворюється на похилий (правий верхній кут графіка) – це область, де установка дійшла до граничної потужності блоку живлення (у разі вона становить 340Вт), тому по мірі збільшення навантаження на +5В змушена була знижувати навантаження на +12В, щоб знову ж таки запобігти виходу блоку живлення з ладу або спрацьовування його захисту.
Продовжуємо обходити контур проти годинникової стрілки. У верхній частині графіка похильна лінія переходить у рівну горизонтальну - це область, де установка досягла гранично допустимого навантаження по +5В, а потім не стала більш збільшувати потужність по цій шині, хоча блок живлення видавав напруги в межах норми.
І, нарешті, у лівій верхній частині графіка ми бачимо нерівну похилу лінію, яка явно не пояснюється межею потужності - адже навантаження по +12В у цій області занадто мала. Зате ця лінія чудово пояснюється червоним кольором графіка – при великому навантаженні по +5В і малій по +12В напруга по шині +12В досягла 5% відхилення, тим самим позначивши кордон КНХ.
Таким чином, за цим графіком можна сказати, що даний блокживлення добре тримає рівень вихідних напруг і дозволяє без проблем отримати від нього заявлену потужність, але буде кращим для найбільш сучасних систем з живленням як процесора, так і відеокарти від +12В, бо перекіс навантаження у бік цієї шини сприймає краще, ніж перекіс у бік шини +5в.
Для порівняння давайте подивимося на КНХ значно дешевшого блоку живлення – L&C LC-B300ATX із заявленою потужністю 300Вт. Графік в даному випадку знову ж таки побудований тільки для напруги +12В:
Відмінності від MP-360AR відразу ж кидаються у вічі. По-перше, нижня лінія контуру вже не горизонтальна - у правій частині вона починає йти вгору, причому по червоному кольору видно, що це було викликано не тільки виходом за межі напруги +5В (що буває досить часто при великому навантаженні +12В), а й просіданням напруги +12В. По-друге, на контурі немає верхньої горизонтальної полиці, верхня точка графіка відповідає навантаженню по +5В близько 150Вт - а це означає, що обіцяні виробником по цій шині максимальні 180Вт на практиці отримати неможливо в принципі, ні за яких комбінацій навантажень. По-третє, незважаючи на більш високу заявлену потужність по шинах +5В і +3,3В порівняно з MP-360AR (180Вт проти 130Вт), добре видно, що похильна лінія у лівій верхній частині графіка MP-360AR починалася на потужності навантаження по +5В більше 80 Вт, тоді як у LC-B300 - лише близько 50 Вт. Це означає, що, незважаючи на формально заявлену велику потужність по шині +5В у LC-B300 порівняно з MP-360AR, на практиці у багатьох випадках отримати більшу реальну потужність по цій шині вдасться саме від блоку виробництва Macropower.
Думаю, уважні читачі вже помітили, що якщо побудувати обидва графіки в однаковому масштабі, КНХ блоку від Macropower виявиться в порівнянні з КНХ блоку від L&C сильно витягнута вздовж осі +12В. Пояснюється це тим, що ці два блоки відносяться до різним версіямстандарту ATX/ATX12V Power Supply, у яких переважним вважався різний розподіл навантаження між шинами блока живлення. Для порівняння нижче на малюнку нанесені КНХ, якими, на думку Intel (як укладача всього сімейства стандартів ATX) у різні роки мали мати блоки живлення:
Як бачите, спочатку стандарт ATX передбачав споживання в основному від шин +5В і +3,3В - і дійсно, практично вся начинка комп'ютера харчувалася від цих напруг, на +12В помітне навантаження створювала хіба що механіка вінчестерів та оптичних приводів.
Однак згодом ситуація стала змінюватися – процесори ставали все потужнішими, і живлення їх від +5В створювало цілу низку проблем для розробників материнських плат. По-перше, на той момент вже було ясно, що зростання енергоспоживання процесорів продовжиться і далі, що призведе до великого струму, що споживається по +5В, а тому виникне проблема з підведенням таких струмів до материнської плати - стандартний роз'єм може просто не впоратися. По-друге, роз'єм живлення материнської плати доведеться або втискати поруч із VRM процесора, або ж тягти від нього через всю плату до VRM шину, розраховану на великі струми, що знову ж таки важко...
У зв'язку з цим Intel запропонував стандарт ATX12V, згідно з яким процесор повинен харчуватися від шини +12В - очевидно, що при тій же потужності споживання це в 2,4 рази менше струм. Однак, оскільки в основному роз'єм ATX всього один провід +12В, довелося ввести додатковий 4-контактний роз'єм ATX12V ... втім, цим Intel вбив відразу двох зайців - не тільки заздалегідь вирішив проблему обгорання контактів роз'єму через занадто великі струми навантаження, але і спростив для виробників материнських плат дизайн PCB, бо розташувати маленький 4-контактний роз'єм безпосередньо поряд з VRM набагато простіше, ніж 20-контактний.
На жаль, компанія AMDне підтримала ініціативу Intel, а тому багато власників материнських плат під Socket A, з яких навіть серед наявних у продажу на даний момент 20-25% все ще не мають роз'єму ATX12V, у повному обсязі зазнали проблем, про які Intel говорив ще чотири роки тому - з появою потужних процесорів під цю платформу з'явилися і перші повідомлення і про контакти блоку живлення, що обгорають, і про сильний перекос його вихідних напруг (як Ви бачите з наведених вище КНХ, навіть дешеві блоки краще справляються з навантаженням по +12В).
Фактично єдиний технічний мінус від впровадження ATX12V – деяке зменшення ККД VRM, бо ККД будь-якого імпульсного перетворювача зі збільшенням різниці між вхідною та вихідною напругою зменшується. Втім, це з лишком компенсувалося збільшенням ККД власне блоку живлення - як і для розробників материнських плат, для розробників блоків живлення рішення орієнтуватися на основне споживання по шині +12В спростило дизайн блоків.
Як ви бачите з графіків, версії ATX12V до 1.2 включно відрізнялися від звичайного ATX лише збільшеним допустимим споживанням по шині +12В. Більш серйозні зміни відбулися у версії 1.3 – у ній вперше за весь час розвитку комп'ютерних блоків живлення необхідне припустиме навантаження по шині +5В зменшилася, при цьому навантаження по шині +12В збільшилося ще більше - фактично почалася адаптація блоків живлення до найбільш сучасних систем, в яких все менше споживачів залишається на шині +5В (процесори давно вже живляться від +12В, а зараз за ними були і відеокарти). На відміну від попередніх моделей, ATX12V 1.3 блок живлення вже не повинен підтримувати стабільну напругу при великому навантаженні на +5В і малому - на +12В.
І, нарешті, останньою версією на сьогодні є ATX12V 2.0. Як неважко помітити, в ній потужність блоку живлення по шині +5В зменшилася ще сильніше - тепер вона становить лише 130Вт; зате сильно зросла допустима потужність навантаження +12В. Крім цього, блоки ATX12V 2.0 придбали 24-контактний роз'єм живлення материнської плати замість старого 20-контактного – якщо чотири роки тому старого роз'єму перестало вистачати для живлення процесора, у зв'язку з чим був придуманий ATX12V, то тепер допустимого струму роз'єму не вистачає вже для живлення PCI Expressкарт. Також у блоках ATX12V з'явилося два джерела +12В, але насправді всередині блоку вони є одним джерелом, роздільні лише обмеження струму спрацьовування захисту – згідно з вимогами безпеки за стандартом IEC-60950, на шині +12В не допустимі струми більше 20А, тому й доводиться розбивати цю шину на частини. Втім, виробники у випадках, коли відповідність цьому стандарту не потрібна, можуть просто не встановлювати відповідну схему – тоді ATX12V 2.0 блок живлення зі струмами по шинах +12В, скажімо, 10А та 15А, можна спокійно розглядати як блок живлення з однією шиною +12В с струмом 25А.
Отже, якщо повертатися до розглянутих вище блоків, можна сказати, що MP-360AR Ver. 2 відповідає стандарту ATX12V 2.0, а LC-B300 – стандарту ATX12V 1.2, звідси і така різниця в їхньому КНХ. Втім, причина, звичайно, не тільки у формальній відповідності різним версіям стандарту – згадайте, як я нарікав на те, що від LC-B300 на практиці неможливо отримати заявлену потужність по +5В... а тепер давайте накладемо на його графік рекомендовану Intel КНХ для 300-ватних ATX12V 1.2 блоків:
Як Ви бачите, блок просто не вписується в вимоги стандарту для 300-ватних моделей за допустимим навантаженням на +5В, тому розглядати його як 300-ватний можна хіба що із застереженням, що вати ці не надто чесні. Для порівняння можна подивитися на графік того ж MP-360AR, але вже з рекомендованою КНХ для 350-ватних ATX12V 2.0 блоків:
Як Ви бачите, відповідність практично ідеальна. Думаю, коментарі щодо порівняльної якостіцих двох блоків зайві.
Взагалі кажучи, відповідати дуже жорстким вимогам Intelдо КНХ досить непросто – є не так багато блоків, які можуть цим похвалитися, однак і таке грубе порушення рекомендацій, як у випадку з LC-B300, трапляється нечасто.
Щодо забарвлення КНХ можна сказати, що ідеалом, звичайно, є рівномірний зелений колір... втім, ідеал, як відомо, зазвичай недосяжний. Досить нормальна ситуація, коли кожна напруга, крім досить стабільного +3,3В, проходить весь діапазон від зеленого або жовто-зеленого кольору в одного краю графіка до червоного в іншого, буває також, що зеленого кольору на КНХ немає взагалі – це означає, що напруга була спочатку завищена. Найгіршою ж є ситуація, коли будь-яка напруга проходить весь діапазон кольорів двічі – від червоного в одного краю через зелений в середині до червоного в іншого краю КНХ. Така ситуація, наприклад, видно у розглянутого вище LC-B300 і означає, що на одному краю КНХ напруга сильно просіла (очевидно, що при маленькому навантаженні на +5В і велике на +12В останнє може тільки просісти), а на іншому краю – навпаки , сильно виросло; інакше кажучи, його стабільність дуже сильно залишає бажати кращого.
І, на завершення опису КНХ, наведу приклад ідеального блоку живлення. Вище я вже мимохідь згадував про блоки живлення Antec і OCZ з роздільними допоміжними стабілізаторами на кожній з основних шин, нижче я пропоную Вашій увазі експериментально виміряну КНХ блоку OCZ Technology PowerStream OCZ-470ADJ (це вже повноцінна картинка з усіма трьома напругами, період 5 сек.):
Як Ви бачите, мало того, що веськонтур КНХ визначається лише допустимим максимальним навантаженням блоку живлення, так жодна напруга навіть не наблизилася до 5-відсоткового відхилення. На жаль, поки такі блоки живлення порівняно дорогі...
Зрозуміло, що побудовою КНХ випробування блоків живлення не закінчуються. По-перше, всі блоки перевіряються на стабільність роботи при постійному навантаженні від нуля до максимального з кроком 75 Вт. Таким чином, з'ясовується, чи здатний блок взагалі витримати повне навантаження.
По-друге, у міру збільшення навантаження вимірюється температура діодних складання блоку і швидкість обертання вентилятора, яка практично у всіх сучасних блоках живлення так чи інакше залежить від температури.
До результатів вимірювань температури, втім, варто відноситися з деяким скепсисом – у більшості блоків живлення різні конструкції радіаторів та розташування діодних зборок на них, а тому вимірювання температури мають досить велику похибку. Тим не менш, у критичних випадках, коли блок живлення виявляється на межі смерті від перегріву (а таке іноді трапляється в найдешевших моделях), показання термометра можуть виявитися цікавими – так, у моїй практиці були блоки, в яких під навантаженням радіатори розігрівалися вище сотні градусів.
Цікавіші вимірювання швидкості обертання вентиляторів – незважаючи на те, що всі виробники заявляють їх температурне регулювання, практична реалізаціяможе дуже відрізнятися. Як правило, для блоків нижнього цінового діапазонупочаткова швидкість вентилятора вже становить близько 2000...2200 об/хв. і в міру прогріву змінюється лише на 10...15%, у той час як для якісних блоків початкова швидкість може становити лише 1000...1400 об./хв., при прогріванні на повній потужності збільшуючись вдвічі. Очевидно, що якщо в першому випадку блок живлення буде шумним завжди, то в другому користувачі не надто потужних систем, які слабо навантажують блок живлення, можуть розраховувати на тишу.
Також під час роботи блоку живлення на повній потужності проводяться вимірювання розмаху пульсацій його вихідної напруги. Нагадаю, що, згідно зі стандартом, розмах пульсацій у діапазоні до 10 МГц не повинен перевищувати 50 мВ для шини +5В та 120 мВ для шини +12В. Насправді на виході блоку можуть бути помітні пульсації двох частот – близько 60 кГц і 100 Гц. Перша є результатом роботи ШІМ-стабілізатора блоку (зазвичай його частота близько 60 кГц) і присутня тією чи іншою мірою на всіх блоках живлення. Нижче наведена осцилограма досить типових пульсацій на частоті роботи ШІМ, зеленим кольором– шина +5В, жовтим – +12В:
Як Ви бачите, тут саме той випадок, коли пульсації на шині +5В вийшли за допустимі межі 50 мВ. На осцилограмі видно саме класична форма таких пульсацій – трикутна, хоча в дорожчих блоках живлення моменти перемикання зазвичай згладжуються дроселями, що стоять на виході.
Друга ж частота - це подвоєна частота мережі живлення (50 Гц), що проникає на вихід зазвичай через недостатню ємність конденсаторів високовольтного випрямляча, помилок у схемотехніці або невдалого дизайну силового трансформатора або друкованої платиблоку. Як правило, ці коливання (у статтях вони наводяться з тимчасовою розгорткою 4 мс/справ) спостерігаються у багатьох блоків нижнього цінового діапазону і досить рідко зустрічаються у моделей середнього класу. Розмах цих пульсацій зростає пропорційно навантаженню на блок живлення і в максимумі іноді може виходити за допустимі рамки.
Також до блоку живлення при навантаженні 150 Вт підключається генератор прямокутних імпульсів, що вже згадувався вище в попередньому розділі статті, після чого за допомогою осцилографа вимірюється амплітуда імпульсів на другомпровод блока живлення, тобто не на тому, до якого підключений генератор. Таким чином перевіряється загальна реакція блоку на подібне імпульсне навантаження, і, зокрема, те, наскільки добре він придушуватиме перешкоди від кожного з підключених до нього пристроїв. Втім, через наявність різких сплесків напруги в моменти перемикання генератора точність вимірювання не надто висока, проте іноді і з цих вимірювань можна зробити цікаві висновки.
І, нарешті, вимірювання ККД та коефіцієнта потужності блоків. Мабуть, це найменш важливий і цікавий розділ - як показав досвід, ці параметри досить близькі для різних блоків, а для більшості користувачів вони не мають ніякого значення, так як невеликі їх коливання не впливають на роботу комп'ютера (а великих коливань серед різних моделейоднотипних блоків не спостерігається), то виміри проводяться лише в досить рідкісних випадках. Так, коефіцієнт потужності вимірюється для блоків, котрим заявлена його корекція, а ККД – або заодно з коефіцієнтом потужності (фактично значення ККД виходить автоматично, цього не потрібно додаткових вимірів), або якщо з тієї чи іншої причини виникають підозри, що у даного блоку він виходить за допустимі рамки, що буває вкрай рідко.
Хотілося б також під кінець сказати, що я не вимірюваю і вимірювати не буду, незважаючи на наявність потенційної можливості. Я дуже негативно ставлюся до тестів, в яких вимірюється абсолютно максимальна потужність, що видається блоком живлення - коли в ході тесту навантаження на блок підвищується до моменту спрацьовування захисту або просто згоряння блоку. Такі тести дають дуже сильний розкид результатів не тільки залежно від конкретного екземпляра блоку, та й залежно від того, як конкретно експериментатор його навантажує - тобто як розподіляється навантаження по шинах блоку. Крім того, для нормального функціонування комп'ютера потрібна не якась номінальна здатність блоку живлення тримати таку потужність, а здатність видавати напруги і пульсації в межах встановленого стандартом допуску, на що в таких тестах, на жаль, увага зазвичай не звертається. Тому цифри, що отримуються в подібних тестах, хоч і дуже красиві, але, на жаль, мають не дуже багато відношення до реальності.
Отже, розроблена нами на даний момент методика тестування блоків живлення дозволяє не тільки детально дослідити поведінку блоку живлення, але й наочно порівняти різні блоки живлення - і особливо наочним це стало завдяки побудові крос-навантажувальних характеристик, за якими можна об'єктивно і без додаткових застережень сказати, що собою являє той чи інший блок.
