Источники питания компьютеров

     Единственный  случай, когда заземление действительно  оказывается необходимым – это  когда Ваш компьютер создает  помехи, действующие на окружающее оборудование (например, на радиоприемник, телевизор или подключенный к тому же компьютеру модем), ибо, как я уже говорил, полностью избавиться от синфазных помех без заземления практически невозможно. Не помогут в этом случае и внешние сетевые фильтры – их схема совершенно аналогична приведенной выше, а потому без заземления не работают и они. В случае, если в квартире трехпроводная электропроводка с земляным проводом, для организации заземления достаточно использовать соответствующие шнуры питания; если же старая двухпроводная проводка, то необходимо обратиться за помощью к квалифицированным электрикам – самостоятельное обустройство заземления не только небезопасно (например, иногда встречается грубейшая ошибка – подключение «земли» компьютера к нулевому проводу в розетке: это абсолютно недопустимо), но и может не дать ожидаемого эффекта, ибо для эффективного подавления помех заземление должно обладать как можно более низким сопротивлением.

     Также в районе сетевого фильтра в блоке  питания обычно располагается плавкий  предохранитель и включенные параллельно конденсаторам входного выпрямителя варисторы (нелинейные резисторы, сопротивление которых резко уменьшается при превышении порогового напряжения). С предохранителем связано часто встречающееся заблуждение, заключающееся в том, что он предохраняет блок питания от выхода из строя. Это совершенно не так, на самом деле предохранитель импульсного блока питания сгорает только после того, как вышли из строя ключевые транзисторы этого блока, то есть на самом деле он защищает не блок от выхода из строя, а электрическую сеть – от последствий этого сгорания. Влияние же его на процессы внутри блока заключается разве что в том, что он не дает короткому замыканию перейти в полноценный пожар – но сам факт короткого замыкания предотвратить никак не может.

     С варисторами же связано не менее  распространенное заблуждение, что  они способны защитить блок в случае сильного превышения напряжения сети над номиналом – это не совсем верно, на самом деле варисторы способны поглотить только достаточно кратковременные  всплески напряжения, возникающие, например, в результате близкого удара молнии или подобных факторов. Если же Вам нужна защита именно от долговременного превышения напряжения, могущего возникнуть при замыканиях проводов воздушной проводки (что достаточно характерно для сельской местности) или же в результате ошибки электриков (что крайне редко, но все же случается), то стоит обратить внимание на специализированные устройства, для которых такая защита явно заявлена производителем, например, на стабилизаторы APC Line-R и подобные. Никакой встроенной защиты от долговременного превышения сетевого напряжения, я напомню, в блоке питания нет – без внешнего защитного устройства в такой ситуации он просто выйдет из строя.

     Однако  вернемся к функционированию самого блока. После схемы коррекции фактора мощности (или, в случае отсутствия таковой, напрямую с диодного моста) выпрямленное напряжение поступает на сглаживающие конденсаторы C1 и C2, а с них – на ключ (обычно он представляет собой два транзистора), управляющий силовым трансформатором T1. Типичная частота работы ключа в компьютерном блоке питания – 30–35 кГц.

     Так как блок питания имеет до шести  выходных напряжений (+12В, +5В, +3,3В, -5В, -12В  и +5В дежурного режима), то в идеале необходимо реализовать шесть стабилизаторов. На практике же расположить в ограниченном объеме блока питания даже два раздельных мощных стабилизатора (скажем, для +5В и +3,3В), при этом, не подняв его стоимость в область астрономических величин, практически невозможно. Поэтому во всех современных блоках используется лишь один импульсный стабилизатор (на самом деле, вообще говоря, два – источник +5В дежурного режима представляет из себя совершенно независимый маломощный стабилизатор, но благодаря малой мощности (всего 10 Вт), его реализация особой сложности не представляет).

     Итак, все выходные напряжения, кроме +5В  дежурного режима, снимаются с  одного и того же трансформатора T1 (на блок-схеме для простоты показаны только два напряжения). Отметим, что  во всех современных блоках при управлении ключами используется не частотная модуляция, а широтно-импульсная, когда при неизменной частоте следования импульсов меняется их ширина. Чем больше ширина импульса, тем больше энергии закачивается в трансформатор за каждый период, и тем больше напряжение на его выходе.

     Однако, если просто снимать сигнал обратной связи с одного из выходных напряжений, то блок будет стабилизировать только его. Например, пусть это будет +5В. Тогда при росте нагрузки на +5В  напряжение на этом выходе начнет проседать, ШИМ-контроллер увеличит ширину импульсов, вытягивая его обратно на заданный уровень и все остальные напряжения также пойдут вверх. Для борьбы с этим эффектом используется сразу несколько решений.

     Во-первых, сигнал обратной связи снимается  сразу с двух наиболее нагруженных выходных линий – с +12В и +5В, через резисторный делитель. Таким образом, качество стабилизации каждого из напряжений по отдельности ухудшается, однако стабилизатор блока питания реагирует на изменение нагрузки не по одному, а сразу по двум напряжениям – и в результате блок питания нормально работает при различных распределениях нагрузки между этими двумя шинами.

     Во-вторых, третья сильноточная шина, +3,3 В, в большинстве  блоков питания имеет собственный  вспомогательный стабилизатор –  так называемую схему на насыщаемом дросселе (также встречаются названия «магнитный стабилизатор» и «магнитный усилитель»). Стабилизаторы на насыщаемом дросселе отличаются достаточно высоким КПД и при этом сравнительно неплохим коэффициентом стабилизации, являясь разновидностью импульсных. Напряжение +3,3 В получается с тех же обмоток трансформатора, что и +5 В. Впрочем, встречаются и блоки питания, в которых производитель пожелал сэкономить на вспомогательном стабилизаторе, намотав на силовом трансформаторе отдельную обмотку под напряжение 3,3 В. Так как обратная связь на стабилизатор с этого напряжения не заводится, то его стабильность в таких блоках оставляет желать лучшего.

     В-третьих, слаботочные шины, то есть -12 В и -5 В, иногда снабжают обычными линейными  стабилизаторами – благодаря маленьким токам нагрузки по этим шинам невысокий КПД таких стабилизаторов в общий КПД блока питания вклада почти не вносит. Впрочем, так чаще стабилизируется только -5 В – ради экономии на обмотках трансформатора оно получается из -12 В с помощью линейного стабилизатора, а так как в современных блоках питания это напряжение уже не требуется, то и линейные стабилизаторы из блоков исчезли совсем.

     В четвертых, все выходные напряжения проходят через разные обмотки так  называемого дросселя групповой стабилизации L1. Допустим, увеличилось потребление по +5 В, ШИМ-стабилизатор отреагировал на это увеличением ширины импульсов, напряжение +5 В вернулось в норму, но остальные напряжения, нагрузка по которым не увеличилась, слегка подросли – хоть для них и применяются описанные выше дополнительные меры по стабилизации, все же основное внимание уделяется напряжению +5 В. Однако дроссель групповой стабилизации сконструирован так, что при увеличении тока через одну из обмоток напряжение, наведенное этим током в остальных обмотках, вычитается из соответствующих выходных напряжений. Поэтому в рассматриваемом случае за счет увеличившегося тока через обмотку, соответствующую +5 В, в обмотках, соответствующих +12 В и +3,3 В, возникнут отрицательные напряжения – и эти напряжения увеличатся не так сильно, как увеличились бы в отсутствие дросселя групповой стабилизации.

     Все эти меры приводят к тому, что  блок обеспечивает не столь идеальную, как было бы в случае раздельных стабилизаторов на каждое напряжение, но в общем и целом приемлемую для работы в широком диапазоне нагрузок стабилизацию всех выходных напряжений. Однако назвать ее более чем «приемлемой» не удается, и отсюда проистекает одна из распространенных проблем блоков питания – проблема перекоса выходных напряжений. Если нагрузка блока питания распределяется по его шинам менее равномерно, чем предполагали его разработчики (например, система потребляет большой ток по +5В и маленький по +12В, что характерно для многих систем на старших процессорах Athlon XP), то стабилизатору не удается удержать все напряжения в заданных рамках – и более нагруженные шины изрядно проседают, в то время как на слабо нагруженных напряжения наоборот оказываются завышенными. Отсюда же проистекает и невозможность раздельной регулировки выходных напряжений блока питания – их соотношение жестко задано параметрами силового трансформатора и дросселя групповой стабилизации, а регулировками ШИМ можно лишь поднять или опустить их все одновременно.

     В последнее время в дорогих  блоках питания – например, производства OCZ или Antec – стал встречаться интересный вариант решения этой проблемы: вспомогательные стабилизаторы на насыщаемых дросселях устанавливаются не только на шину +3,3В, но также и на +12В и +5В. Это позволяет не только достичь очень хорошего (по меркам компьютерных блоков питания) коэффициента стабилизации всех выходных напряжений, но и при необходимости регулировать каждое из напряжений независимо от остальных, меняя параметры его собственного вспомогательного стабилизатора.

     Необходимо отметить, что такая конструкция – пока что прерогатива лишь наиболее дорогих блоков питания, а для блоков средней ценовой категории зависимость всех выходных напряжений от нагрузки на каждую из шин является неотъемлемой чертой.

     После дросселя групповой стабилизации на выходе блока питания стоят электролитические конденсаторы большой емкости (C3…C6 по приведенной выше схеме) и фильтрующие дроссели – и те, и другие призваны сглаживать пульсации выходного напряжения на частоте работы ШИМ-стабилизатора и, соответственно, силового трансформатора. Несмотря на наличие дросселя групповой стабилизации, раздельные дроссели все же необходимы – благодаря маленьким габаритам и, соответственно, маленькой паразитной емкости они хорошо подавляют высокочастотные помехи, которые дроссель групповой стабилизации, имеющий довольно паразитную емкость, пропускает.

     Таким образом, двумя неотъемлемыми проблемами любого компьютерного блока питания  являются зависимость каждого из выходных напряжений от нагрузки не только на соответствующую ему шину, но и на все остальные шины, а также наличие на выходе блока пульсаций с удвоенной частотой работы ШИМ-стабилизатора, то есть, обычно, около 60 кГц.

     К этому, разумеется, производители блоков питания – как правило, нижней ценовой категории – добавляют свои собственные «особенности», перечислять которые можно долго. В первую очередь страдают номиналы деталей – так, в качестве диодных сборок на выходе силового трансформатора могут устанавливаться не только сборки, рассчитанные на ток меньше указанного на этикетке блока, но даже дискретные слаботочные диоды, максимальный ток через которые составляет всего 3…5А. Это зачастую приводит к тому, что при работе под полной нагрузкой блок питания просто выходит из строя в течение нескольких минут, тем более что обычно производитель заодно экономит и на размере радиаторов, на которые эти диоды устанавливаются.

     Точно также страдают и номиналы конденсаторов, и это тоже сказывается на работе блока питания при большой  нагрузке – уменьшение емкостей входных  конденсаторов приводит к ухудшению реакции блока на небольшие провалы входного напряжения, уменьшение емкости выходных – к увеличению размаха пульсаций на выходе блока питания.

     Одновременно  с уменьшением номиналов деталей  внутри блока проявляются и внешние  признаки удешевления – уменьшается количество выходных разъемов блока, а провода, на которых они расположены, уменьшаются в сечении с положенных 18 AWG до 20 AWG (чем больше цифра в системе маркировки AWG – тем меньше сечение провода). Последнее приводит к увеличению падения напряжения на проводах – и, следовательно, увеличению пульсаций напряжения непосредственно на разъемах питания потребителей, а также, в случае большой нагрузки, даже к заметному нагреву проводов.

     Фильтрующие дроссели – уменьшение их размеров не дает серьезной экономии в цене, поэтому до тех пор, пока производитель не посчитает их вообще лишними, дроссели в блоке присутствуют. Замена же их на перемычки приводит к увеличению уровня пульсаций на выходе блока питания (если это были выходные дроссели) или же к увеличению уровня помех, выдаваемых блоком питания в сеть 220В (если это были дроссели входного фильтра).

     Одним же из наиболее запомнившихся пользователям  методов удешевления блоков питания  нижнего ценового диапазона, вне  всякого сомнения, стало исполнение источника дежурного питания +5В в виде блокинг-генератора с электролитическим конденсатором в цепи обратной связи. В такой схеме, представляющей собой импульсный источник питания на базе блокинг-генератора, выходное напряжение определяется частотой импульсов, а она, в свою очередь, обратно пропорциональна емкости конденсатора в цепи обратной связи.

     Использование дешевых конденсаторов, рассчитанных на работу при температуре до 85 градусов, плюс очень тяжелый температурный режим работы «дежурки» (она работает непрерывно, в то время как охлаждающий блок питания вентилятор – только когда компьютер включен), характерный для наиболее дешевых блоков питания, приводили к тому, что примерно через полтора года эксплуатации ИП конденсатор начинал высыхать, а емкость его – соответственно, уменьшаться.

     Одновременно  с уменьшением емкости отмечался рост выходного напряжения дежурного источника, а так как от него запитывается основной стабилизатор источника питания, то в один прекрасный момент это приводило к выходу из строя основного стабилизатора в момент включения компьютера, причем это сопровождалось выдачей по всем шинам питания завышенных в два-три раза напряжений. Компьютер после такого фактически полностью выгорал, вплоть до визуально обнаруживаемого прогорания микросхем на материнской плате, в винчестере и т.д. Некоторые шансы сохранялись разве что у процессора и памяти – если выдерживали их собственные стабилизаторы, расположенные на материнской плате.