Почти всё о блоках питания

Hydrogen

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

Начнём с очень простого объяснения.

Принципы работы и назначение блоков питания

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

Итак, разберём каждый канал питания по отдельности.

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

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

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

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

Подробнее о сигнале Power_Good

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

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

Вопрос о питании (мощности) и их параметрах

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

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

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

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

Чего нам надо от блоков питания?

Да собственно не так уж и много...

1. Давать стабильное напряжение на выходах (в случае компьютера 12, 5 и 3.3 вольт).
2. Иметь хорушую систему деления линии 220В и вашего ПК (именно плохие системы приводят к копоти на платах - естественно уже годных только для подвешивания на стену на память).

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

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

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

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

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

всё ок, никаких претензий

нет фильтров

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

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

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

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

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

Входные высоковольтные накопительные конденсаторы

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

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

Теперь, имея схему того "как работает эта зверушка" можно понять, почему я говорил про сбои напряжения на выходе. Измерив осциллографом выходной ток, можно увидеть что он почти ровный без нагрузки, а подключив один жесткий диск в 1Гб уже получим скачки в 300мв, подключив пару 20Гб дисков, можно увидеть и +/- 1В, а если ещё и всю сеть компьютера питающуюся с 12В, можно увидеть более чем 2В скачки. При таких режимах работы, компьютер будет глючить, виснуть и приходить в негодность в очень короткие сроки... Мощные блоки питания (< 400Вт) имеют тот самый слитый блок двух диодов, что уже служит знаком надёжности, плюс ко всему диоды быстрее и мощнее, как и все транзисторы, что гарантирует более стабильное напряжение на выходе.

У хороших блоков питания помимо всего прочего, имеется хорошая изоляция и утечка тока не более 500мкА. Это важно если у вас сеть 220В не имеет хорошего заземления.

Немного критериев, которые нужно знать при выборе блока питания

1. MTFB (mean time before failure - примерное время до первой неполадки) или MTTF (mean time to failure - тоже самое что и предыдущее), обычно это минимум 100 тысяч часов.
2. Диапазон изменения входного напряжения при сохранении стабильной работы блока питания. Для 110В хороший блок питания должен выдержать от 90 до 130, для 220В - 180 до 270.
3. Пиковый ток при включении. Это значение тока, проходящего по системе в момент инициализации блока питания. Чем меньше, тем лучше, т.к. блок питания не несёт такой большой тепловой удар.
4. Время (в мс - миллисекундах) удержания выходного напряжения в пределах точно заданных значений после отключения входного (20 мс - хорошее, 10-15 мс - зашибись) :)
5. У блока питания есть один недостаток: он подстраивается под поглощаемый ток, например система поглощает практически постоянное кол-во энергии, но есть момент, когда SCSI 10000 rpm диск (поглощающий много) выключает двигатель для перехода в режим "засыпания" и блок питания, должен успеть снизить частоты "наполнения" конденсатора. До того как он это сделает, БП делает выброс выработанной энергии. Время на "раздумье" данного параметра измеряется в микросекундах. Последнее время эта проблема почти не существует, т.к. технология контроля поглощение/генерация довольно продвинулась.
6. В хороших БП есть схема защиты выходных напряжений (в основном вешается на клей к радиаторам, т.к. не является частью платы БП). Просто-напросто наличие данной схемы - это уже хорошо, а если она ещё и точная и рабочая, так это вообще идеально :). Значения её должны быть "отключение при превышении 1/5 напряжения", т.е. для 5В - 6В это критическое напряжение. При зашкаливании, линия 5В принудительно отключается.
7. Мощность на выходах БП на каждом канале. Параметр означает максимальную сумму Ампер которую способен сгенерировать БП без угрозы повреждения.
8. Стабилизация напряжения при изменении нагрузки от "мин" до "мах" - похожее с пунктом 5.
9. Отношение поглощение от сети/вырабатывание на выходе (КПД). Значение, показывающее кол-во энергии которая преобразовывается в тепло во время преобразования тока. Измеряется в %. Чем больше значение эффективности, тем лучше (точнее выработка блока питания и меньше тепла в корпусе).
10. Ripple, или реакция на шум. Практически одно и тоже что и 5, только реакция на скачки на входе блока питания.

Ремонт блоков питания

НЕ ТРОГАЙТЕ ИХ! Они не столь дорогие, чтоб рисковать вашей жизнью или целым компьютером (насчет что дороже - каждому своё :) ). Как вы заметили, импульсные блоки питания имеют кучу контролей, множество точных компонентов, которые требуют наличие осциллографа и хорошего тестера для их проверки. Время, затраченное на ремонт БП очень велико, а сломавшийся блок питания всегда останется сломавшимся, даже если вы его почините, т.к. сломался он потому, что он низкокачественный. А в низкокачественных деталях есть "скрытые" неполадки, проследить которые, очень сложно...

Некоторые проблемы блоков питания

а) не pаботает узел стабиллизации:
- неиспpавна микpосхема IC-1;
- вышли из стpоя диоды D14, D15; тpанзистоpы Q3, Q4;
- обpыв цепи обpатной связи, по котоpой пеpедается сигнал +5В, пpиходящий на pезистоpы R13,R25;
- обpыв в цепи питающей микpосхему IC-1;
- обpыв в пеpвичных обмотках Т2, либо обpыв в цепи R15, D9.

б) сpаботала защита:
- пpобой любого из конденсатоpов выходного фильтpа; потpогать pукой конденсатоpы - тот, котоpый гpеется, тот и пpобился (потек), тогда сpаботала защита по току;
- пpобой одного из диодов выходных выпpямителей;
- наличие или возникновение коpоткозамкнутых витков в обмотках тpансфоpматоpа Т4.