Правильное питание — залог здоровья. Выбираем блок питания. Часть 1. Практикум

Приведем небольшой пример. Если вы собираетесь покупать автомобиль, то вы прекрасно понимаете, что собираетесь использовать его прежде всего в качестве средства передвижения. Для этого машине нужно качественное топливо. В противном случае вам не избежать дорогостоящего ремонта. С компьютером происходит все то же самое. Для стабильной работы ему нужно электрическое питание. Выходит, что «неофициально» блок питания является важнейшим элементом любого десктопа.

В данной статье мы постараемся доказать, что покупка дешевых «кормушек» может привести к нежелательным последствиям, а также развенчать некоторые мифы, буквально ставящие пользователей в тупик.

Конструкция блока питания

Так как сейчас доминирующим форматом блоков питания является ATX, то мы будем рассматривать именно его. Подготавливая этот материал, мы не руководствовались желанием показать вам углубленную структуру современных БП, так как вытекающий из этого объем информации может просто-напросто отбить у вас всякий интерес к чтению.

Любой блок питания условно можно разделить на несколько функциональных частей: фильтр электромагнитных помех, выпрямитель, схема APFC, дежурный источник питания, инвертор, выпрямитель и фильтр выходных напряжений, схема защиты и выключения, ШИМ-контроллер. Также в последнее время все чаще в современных «кормушках» встречаются отдельные схемы управления скоростью вращения вентилятора. Эти узлы в той или иной мере взаимосвязаны друг с другом и расположены на печатной плате, прикрученной к днищу корпуса.

В качестве примера мы использовали фотографию Thermaltake TR2 550W — недорогого, но популярного в России блока питания.

Элементы Thermaltake TR2 550W: сетевой разъем (1), Х-конденсатор сетевого фильтра (2), предохранитель входной цепи (3), варистор (4), Х-конденсатор низкочастотного фильтра (5), дроссели низкочастотного фильтра (6), Y-конденсаторы низкочастотного фильтра            (7), диодный мост (8), два полевых транзисторы APFC (9), быстрый диод APFC (10), электролитический конденсатор APFC (11), дроссель APFC (12), модуль управления APFC/PWM (13), согласующий трансформатор инвертора (14), радиатор с двумя силовыми ключами инвертора (15), модуль управления источника дежурного питания с ШИМ-драйвером и полевым транзистором (16), импульсный трансформатор источника дежурного напряжения (17), импульсный трансформатор главного инвертора (18), диод Шоттки источника дежурного напряжения (19), электролитический конденсатор фильтра ИДН (20), оптроны обратной связи (21), диод Шоттки шины +3,3V (22), выпрямительные диоды шины +12V (23), радиатор охлаждения вторичной цепи (24), супервизор (25), разъем подключения термодатчика (26), электролитические конденсаторы высокочастотного фильтра (27), биполярный транзистор для управления скоростью вращения вентилятора (28), плата для подключения отстегивающихся кабелей (29), дроссель групповой стабилизации +12V и +5V (30).

EMI-фильтр

На входе БП расположен фильтр ЭМП (электромагнитных помех). Так как компьютерный блок питания является импульсным, он генерирует высокочастотные шумы в сеть.

Существуют две составляющие электромагнитной помехи: синфазная и дифференциальная. Синфазная помеха не связана с заземлением и проходит по линии питания. Дифференциальная появляется между одним из проводов сети и «землей». Для подавления первой составляющей используются Х-конденсаторы и дроссели с встречными обмотками, для второй — Y-конденсаторы и проходные дроссели. Обычно конденсаторы встречаются как на входном разъеме питания 220 В, так и на плате, образуя фильтр кондуктивных шумов.

Для уменьшения излучаемых помех служит сам корпус блока питания, изготовленный из металлических сплавов. Здесь же расположен варистор для защиты первичной части БП от перенапряжения, а также предохранитель, разрывающий цепь при коротком замыкании и/или перегрузке.

Выпрямитель

Затем отфильтрованный переменный ток преобразуется в постоянный с помощью выпрямительного диодного моста, как правило, прикрепленного к радиатору. В дешевых блоках питания используются четыре обычных диода, образующих мост, что сказывается на использовании свободного пространства на плате и надежности.

Инвертор

Инвертор является главным силовым преобразователем любого блока питания. Он состоит из трансформатора, согласующего каскада, ШИМ-микросхемы и силовых ключей. Управляющая микросхема в последнее время перекочевала в комбо-модуль PWM+APFC, представляющий собой дочернюю плату, однако существует еще достаточно БП, где она представлена в отдельном виде. Суть ее работы довольно проста: она регулирует время открытого состояния силовых транзисторов, путем подачи сигналов на их затворы. Грубо говоря, чем дольше открыт ключ, тем больше энергии передаст трансформатор. Работают транзисторы попарно (когда один открыт, другой закрыт, и наоборот), так как в большинстве своем инверторы — двухтактные. И делается это десятки, а то и сотни тысяч раз в секунду.

Выходной выпрямитель и узел фильтрации

Блок выпрямителей и фильтрующих элементов как правило состоит из диодов Шоттки, электролитических конденсаторов и дросселя групповой стабилизации. В разных БП по-разному реализована элементная база, и вышесказанное необязательно является примером. В классическом исполнении напряжения 12 В, 5 В и 3,3 В снимаются со вторичных обмоток импульсного трансформатора и выпрямляются своими диодными сборками.

В последнее время диоды активно заменяются полевыми транзисторами, в виду чего снижаются потери и вторичная цепь напрочь лишается радиаторов охлаждения. К тому же «вторичкой» осталась только 12 В, которая является несущей шиной вторичного напряжения. От нее непосредственно формируются +3,3 В и +5 В.

Защитный узел

Схема защиты в настоящее время реализована на микросхеме супервизора. Она постоянно мониторит выходные напряжения +3,3V, +5V и +12V и в случае выхода значений за пределы снимает сигнал Power Good, тем самым завершая работу компьютера. Основными ее функциями является защита от перегрузки, а также пониженного и повышенного напряжения.

Разъемы блока питания

Все коннекторы компонентов компьютера унифицированы, поэтому распиновка разъемов блоков питания также стандартная. На изображении ниже вы можете увидеть расположение отдельных гнезд в соответствии со стандартом ATX. Слева расположен 20-контактный коннектор, поддерживаемый бюджетными материнскими платами, а справа — более распространенный 24-пиновый. Как видно, отличаются они лишь наличием дополнительных проводов питания +12V, +5V, +3,3V и «земли».

Все разъемы имеют ключи, препятствующие неправильному подключению, хотя на практике особо усердные уникумы умудряются все же воткнуть их «вверх ногами». SATA-коннектор имеет Г-образный корпус, а вот у MOLEX-разъема в роли «защиты от дурака» выступают уголки по краям корпуса. У коннекторов для подключения дополнительного питания +12V и материнской платы ключами являются сами пины.

Если говорить о принадлежности каждого типа разъема к подключаемому устройству, то название, как правило, говорит само за себя. Например, SATA предназначен для подключения девайсов с одноименным интерфейсом.

Дополнительное питание CPU бывает двух видов: 4- и 8-пиновые в зависимости от мощности блока питания. Коннекторы PCI-E бывают 6- или 8-пиновые и служат для подключения высокопроизводительных карт расширения, среди которых особо выделяются видеокарты. Для питания наиболее производительных решений может потребоваться до трех 8-пиновых разъемов. Поэтому при выборе блока питания всегда следует учитывать количество коннекторов.

Отметим, что «кормушки» бывают как модульные, так и немодульные, то есть в некоторых устройствах неиспользуемые кабели можно отсоединить.

Еще один важный момент — длина проводов. Как правило, производитель это в технических характеристиках. В некоторых случаях длины кабеля может не хватить, что провести его через все шасси корпуса к нужному коннектору на материнской плате.

Стандарты блоков питания

Существует достаточно много стандартов исполнения «кормушек». Они унифицированы для конкретных инженерных решений, будь то сервер, домашний десктоп или медиацентр. Это очень удобно, ведь зная форм-фактор вашего блока питания, вы без труда можете подобрать комплектующие, соответствующие ему. Мы не будем заострять наше внимание на устаревших и редких стандартах.

ATX12V 2.0

Этот стандарт относится к ATX, что видно из названия. Главное отличие второй ревизии — наличие сразу двух шин +12V. Связано это в первую очередь с требованиями безопасности, согласно которым мощность цепи, к которой имеется открытый доступ для оператора, не должна превышать 240 ВА, то есть не больше 240/12=20 А. При этом производителям блоков питания был предоставлен широкий простор для выбора различных вариаций мощности, но с обязательным регламентированием максимальных токов по линиям.

EPS12V

Это серверный стандарт, использующийся в вычислительных системах начального уровня. Однако он совместим с форм-фактором ATX12V 2.0 и поэтому может применяться в домашних компьютерах. Следует учесть, что блоки питания данного формата имеют вытянутую форму глубиной 180 мм или 230 мм.

Эффективность блока питания

APFC

APFC (активная коррекция коэффициента мощности) заменила в современных блоках питания устаревшую PPFC, то есть пассивную коррекцию. Связано это в первую очередь с относительно низким коэффициентом мощности у PPFC (всего лишь 0,6). Например, APFC имеет 0,9, что ближе к идеалу.

Почему же в последнее время все больше и больше внимания уделяется увеличению коэффициента мощности? Раньше этому не уделялось должное внимание в виду меньшей загруженности сетей. А когда в нашу эпоху электрификации и обилия всевозможных приборов резко встал вопрос об эффективном использовании ресурсов, инженеры вспомнили о КМ. Суть проблемы заключается в том, что помимо полезной части электрического тока, существует и реактивная его составляющая. В ней то и «зарыта собака». Она не делает полезной работы, зато нагревает проводники и увеличивает общую нагрузку на сеть. Например, мы имеем компьютер, потребляющий 200 Вт, и блок питания с КМ 0,6. В итоге из домашней сети ПК потребляет 200/0,6=333 Вт, то есть 133 Вт реактивной мощности рассеивается в виде тепла. Соответственно и платить вы будете больше. Но если применить блок питания с APFC, то полная мощность будет равна 200/0,9=222 Вт, то есть всего 22 Вт реактивной мощности!

В США и странах Европы цены за электроэнергию очень высокие. У нас — консервативные. Однако рано или поздно и нам придется экономить.

Также блоки питания с APFC имеют лучшую помехоустойчивость, высокий коэффициент стабилизации и КПД, низкий коэффициент пульсаций выходных напряжений, меньшее влияние на внешнюю сеть. Устройства способны работать в диапазоне напряжений 110-250 В.

Кстати, мы опустили факт лишнего нагрева проводки, так как ПК — далеко не самое «прожорливое» устройство в квартире.

Спецификация 80 PLUS

Стандарт энергосбережения Energy Star 4.0, принятый в 2007 году, включает в себя программу 80 PLUS, подразумевающую проверку блоков питания на соответствие нормам энергоэффективности. К ним относятся коэффициент полезного действия (отношение выходной мощности к потребляемой) и коэффициент мощности (отношение активной мощности к полной). Согласно 80 PLUS, КПД должен быть не ниже 80% при 20%, 50% и 100% нагрузке относительно номинальной мощности блока питания. Ниже представлена таблица сертификатов эффективности при номинальном напряжении 230 В.

Один из важнейших критериев выбора блока питания: наличие сертификатов 80 PLUS Gold, 80 PLUS Platinum и 80 PLUS Titanium. Оно свидетельствует о том, что при сборке устройства использованы высококачественные элементы.

Любопытно, что на выставке CES 2014 был представлен блок питания Corsair AX1500i мощностью 1500 Вт, имеющего сертификат 80 PLUS Titanium! Пока еще рано делать конкретные выводы об этом устройстве. Известно лишь о том, что «кормушка» поступит в продажу не ранее второго квартала текущего года.

Мифы о блоках питания

Чем больше вес, тем качественнее блок питания

Это уже устаревшее определение качества БП, ничего общего не имеющее с реальностью. Если раньше это высказывание опиралось на факты, то сейчас они говорят о другом. Раньше КПД блоков питания был относительно низкий, поэтому на внутренних компонентах выделялось большое количество тепла. Для предотвращения их перегрева использовались массивные радиаторы, которые и составляли львиную долю веса всего БП.

В современных устройствах (ввиду высокого КПД) нагрев элементов несущественный, поэтому зачастую можно встретить блоки питания без радиаторов во вторичной цепи.

Также на уменьшении потерь сказывается использование APFC, улучшение характеристик импульсных трансформаторов, замена выпрямительных диодов на полевые транзисторы. Последнее связано с тем, что у MOSFET-ов сопротивление канала в открытом состоянии составляет доли Ома, что ведет к снижению выделяемой на них мощности. Стоит отметить, что высокая частота работы инверторов также привела к уменьшению размеров компонентов.

Многообещающая компонентная база

Многим компьютерным пользователям известны различные уловки производителей по привлечению покупательского спроса. Самые распространенные из них украшают упаковки: применение «японских» и твердотельных конденсаторов (очень часто — «японских» твердотельных), возможность работать в экстремальных условиях, дроссели с ферритовым сердечником, наличие всевозможных защит.

Все вышеперечисленное, конечно же, является огромным плюсом, но всегда ли это совпадает с реальностью? У хороших фирм — да. Однако уловка заключается в следующем: «японские» и полимерные конденсаторы, дроссели с ферритовым сердечником присутствуют внутри, но их количество — минимальное. Вся остальная «рассыпуха» может быть представлена бюджетными элементами.

А зачем обычному пользователю блок питания с «возможностью работы в экстремальных условиях»? Большинство пользователей разве работает дома при минусовых температурах или, наоборот, при аномально высокой жаре? Лишь за редким исключением. Вердикт таков: индустриальный класс устройств должен применяться по назначению, а не быть навязан домашнему пользователю.

Обилие защит, ярко расписанное маркетологами компаний, ровным счетом ни о чем не говорит. Стандарт ATX предусматривает проверку всех БП на соответствие требованиям безопасности. В противном случае непрошедшие контроль качества устройства просто не поступят в продажу. Маркетинг.

Миф о многоканальных и одноканальных шинах +12V

Эта тема настолько обширная и настолько запутанная, что в рамках статьи невозможно описать все предубеждения, связанные с этим мифом. Внесем лишь одну ясность. Любой БП имеет шину +12V. Согласно стандарту ATX, максимальный ток на одной линии не должен превышать 20 А. Инженеры, «обманывая» регламентированные требования, пошли на ухищрение и снабдили БП виртуальными шинами, каждая из которых питает отельную группу разъемов блока питания. Однако они зашунтированы и запитаны все от того же канала +12V.

В последнее время все чаще встречаются многоканальные БП с ограничением тока по каждой линии в 30 А. В этих устройствах линии сгруппированы для того, чтобы превысить нормы стандарта ATX, не нарушая их. Однако все они изначально связаны с одной единственной несущей шиной!

Для блоков питания с APFC требуется UPS с синусоидальной формой напряжения на выходе

Совместимость источников бесперебойного питания и БП с активным корректором коэффициента мощности давно обсуждается в интернете. Однако стоит расставить все точки над i. Несовместимость UPS и APFC-блока кроется в больших пусковых токах, так как последний фактически работает в режиме высокочастотного короткого замыкания. Поэтому советуем вам присмотреться к покупке «бесперебойника» с двукратным запасом мощности. В противном случае UPS может просто уйти в защиту.

Как выбрать качественный блок питания?

Конечно, о блоках питания не так интересно читать, как, например, о видеокартах. Однако, когда в этом появляется необходимость, то на помощь приходят обзоры, обзоры и еще раз обзоры.

Ниже мы дадим некоторые рекомендации, на что стоит обращать внимание при детальном изучении компьютерных «кормильцев». Прежде всего, у вас должна быть определенная степень доверия к конкретному производителю. Наибольшей популярностью в нашей стране пользуются недорогие изделия компаний FSP, Corsair, Hiper, Chieftec, cooler Master, Thermaltake. К категории High-end относятся такие производители, как Enermax, Antec, SeaSonic, be quiet!. Важно не следовать на поводу у «брендовых предрассудков», а обращать внимание на действительно качественный продукт. Ведь неудачи случаются абсолютно у всех производителей. И высококачественные линейки, о которых потом чуть ли не слагают легенды, тоже «случаются» у многих.

При покупке блока питания всегда обращайте внимание на соответствие всем известным стандартам. Это можно легко заметить по лейблам на корпусе устройства. Не стоит забывать о добротной комплектации — добросовестный производитель никогда не поскупится на нее.

Немаловажной является длина кабелей питания. Известны случаи, когда в целях удешевления провода оказывались слишком короткими, что становится головной болью для сборщика.

Корпус блока питания должен быть жестким, не деформироваться при нажатии на него.

В обзорах обращайте внимание на шумовые характеристики устройства, если они имеют для вас далеко не последнее значение.

Кросс-нагрузочные характеристики (КНХ), которые мы приводим в каждом обзоре блоков питания, дают возможность оценить качество стабилизации напряжений в различных диапазонах нагрузки. Наилучшим результатом является отклонение 0% или 1%. Однако оно ни в коем случае не должно превышать показателя 5%. Если вам нужен действительно качественный и надежный БП, советуем присмотреться к устройствам с сертификатами 80 PLUS Gold и Platinum. Наличие столь высокого КПД обусловлено применением исключительно добротной элементной базы.

Обращайте пристальное внимание на отзыв авторов статьи о качестве монтажа компонентов и пайки. Это также играет немаловажную роль и может отразиться на работе устройства. Входные цепи не должны быть «урезаны», то есть должны присутствовать фильтры и устройства защиты, такие как варисторы и предохранители, а также термисторы для ограничения тока зарядки конденсатора APFC. Кстати, во многих БП корректор реактивной мощности имеет свой собственный входной фильтр.

Выходные цепи и линия «дежурки» должны иметь фильтрующие элементы: дроссели и конденсаторы. Последние могут быть двух видов: электролитические алюминиевые и полимерные. Полимерные имеют твердый электролит, следовательно, дольше служат и меньше зависят от степени нагрева. Также они обладают низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), то есть лучше подавляют высокочастотные помехи и переменную составляющую. Из электролитических конденсаторов самые качественные производят Nippon Chemi-Con, Panasonic, Sanyo, Rubycon, Nichicon, Teapo, Epcos, Fujitsu. «Середнячки» — это Jamicon, Samwha, OST, Samxon, ELNA, Vishay, CapXon, Hitachi, Hitano.

Вместо заключения

Про особенности компьютерных блоков питания можно написать еще очень много. Однако мы искренне надеемся, что этой информации уже сейчас хватит для того, чтобы не ошибиться в правильном выборе.

Во второй части материала мы познакомим вас со списком конкретных моделей блоков питания, которые, на наш взгляд, смогут подойти абсолютному большинству пользователей.