Привет, друзья! Вникая в технические характеристики комплектующих, можно увидеть опцию PFC в блоке питания, что это такое, зачем надо и как работает, я расскажу в сегодняшней публикации. Поехали.
Те, кто хорошо изучал физику в школе, помнят, что мощность может быть активная или реактивная. Активной называется мощность, которая выполняет полезную работу – заставляет греться утюг, светиться лампу накаливания или приводит в действие компоненты ПК.
В реактивных цепях сила тока может отставать от напряжения или опережать его, что определяется параметром cos φ (косинус Фи). При индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения (индуктивная нагрузка) или опережает его (емкостная нагрузка).
Последнее часто встречается в сложных электрических схемах, где используются конденсаторы, в том числе и в компьютерных блоках питания.
Реактивная мощность не выполняет никакой полезной нагрузки, «блуждая» по электрическим цепям и нагревая их. Именно по этой причине предусмотрен запас сечения проводов. Чем больше cos φ, тем больше энергии рассеется в схеме, в виде тепла.
Так как, обычно в компьютерных блоках питания используются конденсаторы большой емкости, то и реактивная составляющая в такой схеме ощутима. К счастью, она не учитывается бытовым счетчиком электроэнергии, поэтому переплачивать за электричество юзеру не придется.
Значение cos φ для таких устройств обычно достигает 0,7. Это значит, что запас проводки по мощности, должен быть не менее 30%. Но, так как ток протекает через схему блока питания короткими импульсами со сменной амплитудой, из-за этого сокращается срок службы конденсаторов и диодов.
Если последние не имеют запаса по силе тока и подобраны «впритык» (как это часто бывает в дешевых БП), срок эксплуатации такого устройства сокращается.
Для борьбы с этими реактивными явлениями используется корректор коэффициента мощности, то есть PFC.
Существует два типа устройств с Power Factor Correction модулем:
Дроссель представляет собой устройство с комплексным сопротивлением, характер которого симметрично противоположен реактивности конденсаторов. Это в некоторой мере позволяет компенсировать негативные факторы, однако cos φ увеличивается незначительно.
Кроме того, частично стабилизируется входное напряжение основного блока стабилизаторов.
Active PFC, то есть активная схема (APFC), способна увеличить этот параметр до 0,95, то есть сделать его близким к идеальному. Такой БП менее подвержен кратковременным «провалам» тока, позволяя работать на заряде конденсаторов, что является неоспоримым преимуществом.
При этом стоит учитывать, что такие конструкционные особенности сказываются на цене устройства.
Сегодня в продаже можно найти БП в форм-факторе ATX, как с коррекцией коэффициента мощности, так и без PFC. Нужен ли PFC или нет, следует решать исходя из специфики использования компьютера. Например, в игровом компе его наличие желательно, но вовсе необязательно.
Хочу акцентировать ваше внимание на следующем моменте. Помимо всего прочего, PFC снижает уровень высокочастотных помех на выходных линиях. Такой БП рекомендуется использовать в связке с периферическими устройствами, для обработки аналоговых видео и аудио сигналов – например, на студии звукозаписи.
Но даже если вы обычный любитель, подключающий электрогитару к компу с установленным Guitar Rig, рекомендуется использовать БП с корректором коэффициента мощности.
Если ищите огромный выбор подобных устройств, можете посмотреть в этом интернет-магазинчике , просто рекомендую. Также советую почитать и как . Информацию про сертификаты вы найдете .
Выбрать блок питания для компьютера не так просто, как может казаться. От выбора блока питания будет зависеть стабильность и срок службы компонентов компьютера, поэтому стоит подойти к этому вопросу более серьезно. В данной статье я попытаюсь перечислить основные моменты, которые помогут определиться в выборе надежного блока питания.
Мощность.
На выходе блок питания дает следующие напряжения +3.3 v, +5 v, +12 v и некоторые вспомогательные -12 v и + 5 VSB. Основная нагрузка ложится на линию +12 V.
Мощность (W - Ватт)расчитывается по формуле P = U x I, где U – это напряжение (V - Вольт), а I – сила тока (A - Ампер). Отсюда вывод, чем больше сила тока по каждой линии, тем больше мощность. Но не все так просто, допустим при большой нагрузке по комбинированной линии +3.3 v и +5 v, может уменьшиться мощность на линии +12 v. Разбирем пример на основе маркировки блока питания Cooler Master RS-500-PSAP-J3 – это первое фото, которое я нашел в интернете.
Указано, что максимальная суммарная мощность по линиям +3.3V и +5V = 130W, также указано, что максимальная мощность по линии +12V = равна 360W. Обратите внимание, что указаны две виртуальные линии +12V1 и +12V2 по 20 Ампер каждая – это вовсе не означает, что общий ток 40А, так как при токе в 40А и напряжении 12V, мощность бы была 480W (12x40=480). На самом деле указан максимально возможный ток на каждой линии. Реальный же максимальный ток легко рассчитать по формуле I=P/U, I = 360 / 12 = 30 Ампер.
Также обратите внимание на строчку ниже:
The +3.3
V & +5
V & +12
V
total
output
shall
not
exceed 427.9
W
– получается что суммарная мощность по всем линиям не должна превышать 427.9W. В итоге мы получаем не 490W (130 + 360), а всего лишь 427.9. Опять же важно понимать, что если нагрузка на линии +3.3V и 5V будет, скажем 100W, то отняв от максимальной мощности 100W, т.е. 427.9 – 100 = 327.9. В итоге мы получим 327.9W в остатке на линии +12V. Конечно, в современных компьютерах нагрузка на линии +3.3V и +5V вряд ли будет больше 50-60W, поэтому смело можно считать, что мощность на линии +12V будет 360W, а ток 30A.
Расчет мощности блока питания
.
Для расчета мощности блока питания можете воспользоваться этим калькулятором http://www.extreme.outervision.com/psucalculatorlite.jsp , сервис на английском языке, но думаю разобраться можно.
По своему опыту могу сказать, что для любого офисного компьютера вполне достаточно блока питания на 300W. Для игрового хватит БП на 400 - 500W, для самых мощных игровых с очень мощной видеокартой или с двумя в режиме SLI
или Crossfire
– необходим блок на 600 - 700W.
Процессор обычно потребляет от 35 до 135W, выдеокарта от 30 до 340W, материнская плата 30-40W, 1 планка памяти 3-5W, жесткий диск 10-20W. Учитывайте также, что основная нагрузка ложится на линию 12V. Да, и не забудьте добавить запас 20-30% с расчетом на будущее.
КПД.
Не маловажным будет КПД блока питания. КПД (коэффициент полезного действия) - это отношение выходной мощности к потребляемой. Если бы блок питания мог преобразовать электрическую энергию без потерь, то его КПД был 100%, но пока это невозможно.
Приведу пример, для того, чтобы блоку питания с КПД 80% обеспечить на выходе мощность 400W, он должен потреблять от сети не больше 500W. Тот же блок питания, но с КПД 70%, будет потреблять около 571W. Опять же, если блок питания не сильно нагружен, например на 200W, то и потреблять от сети он будет тоже меньше, 250W при КПД 80% и приблизительно 286 при КПД 70%.
Существует организация, которая тестирует блоки питания на соответствие определенному уровню сертификации. Сертификация 80
Plus
проводилась только для электросети 115В распространенной, например в США. Начиная с уровня 80 Plus Bronze, блоки питания тестируются для использования в электросети 230В. Например, для прохождения сертификации уровня 80
Plus
Bronze
КПД блока питания должен быть 81% при нагрузке 20%, 85% при нагрузке 50% и 81% при нагрузке 100%.
Наличие одного из логотипов на блоке питания говорит о том, что блок питания соответствует определенному уровню сертификации.
Плюсы блока питания с высоким КПД:
Во-первых, меньше энергии выделяется в виде тепла, соответственно системе охлаждения блока питания нужно отводить меньше тепла, следовательно, и шума от работы вентилятора меньше. Во-вторых, небольшая экономия на электричестве. В-третьих, качество у данных БП высокое.
Активный или пассивный PFC?
PFC (Power Factor Correction) – Коррекция фактора (коэффициента) мощности. Фактором мощности называется отношение активной мощности к полной (активной + реактивной).
Так как реальная нагрузка обычно имеет еще индуктивную и емкостную составляющие, то к активной мощности добавляется реактивная. Нагрузкой реактивная мощность не потребляется – полученная в течение одного полупериода сетевого напряжения, она полностью отдается обратно в сеть в течение следующего полупериода, впустую нагружая питающие провода. Получается, что от реактивной мощности толку ноль, и с ней по возможности борются, с помощью различных корректирующих устройств.
PFC - бывает пассивным и активным.
Преимущества активного PFC:
Активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности (у активного 0.95-0.98 против 0.75 у пассивного).
Активный PFC стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора, блок питания становится менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению.
Активный PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных провалов сетевого напряжения.
Недостатки активного PFC:
Снижает надежность блока питания, так как усложняется устройство самого блока питания. Требуется дополнительное охлаждение. В целом преимущества активного PFC перевешивают его недостатки.
В принципе можно не обращать внимания на тип PFC. В любом случае, при покупке блока питания меньшей мощности, в нем, скорее всего, будет пассивный PFC, при покупке более мощного блока от 500 W – вы, скорее всего, получите блок с активным PFC.
Система охлаждения блоков питания.
Наличие в блоке питания, вентилятора считается нормой, его диаметр чаще всего 120, 135 или 140 мм.
Кабели и разъемы.
Обратите внимание на количество разъемов и длину кабелей идущих от блока питания, в зависимости от высоты корпуса нужно выбрать БП с соответствующими по длине кабелями. Для небольшого корпуса достаточно длины 40-45 см.
Современный блок питания имеет следующие разъемы:
 |
24-х контактный разъем для питания материнской платы. Обычно раздельный 20 и 4 контакта, бывает и цельный. |
|
Разъем процессора. Обычно 4-х контактный, для более мощных процессоров используется 8-и контактный. |
|
|
Разъем для дополнительного питания видеокарты. 6-и и 8-и контактный. 8-и контактный иногда сборный 6+2 контакта. |
|
|
Разъем SATA для подключения жестких дисков и оптических приводов. |
|
 |
4-х контактный разъем (Molex) для подключения старых IDE жестких дисков и оптических приводов, также применяют для подключения вентиляторов. |
|
4-х контактный разъем для подключения дисководов FDD. |
Модульные кабели и разъемы.
Многие более мощные блоки питания сейчас используют модульное подключение кабелей с разъемами. Это удобно, тем, что нет надобности, держать неиспользуемые кабели внутри корпуса, к тому же меньше путаницы с проводами, просто добавляем по мере необходимости. Отсутствие лишних кабелей, также улучшает циркуляцию воздуха в корпусе. Обычно в этих блоках питания несъемные только разъемы для питания материнской платы и процессора.
Производители.
Производители блоков питания делятся на три группы:
Можно смело приобретать продукцию этих брендов. В интернете можно найти обзоры и тесты многих блоков питания и ориентироваться по ним.
Надеюсь, данная статья поможет вам дать ответ на вопрос «как выбрать блок питания для компьютера
?».
Линейный и импульсный источники питания
Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения 110-230 В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, - 12 В, 5 В и 3,3 В (а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже). Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений.
Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, - линейный и импульсный. В основе простейшего линейного БП лежит трансформатор, на котором напряжение переменного тока понижается до требуемого значения, и затем ток выпрямляется диодным мостом.
Однако от БП требуется еще и стабилизация выходного напряжения, что обусловлено как нестабильностью напряжения в бытовой сети, так и падением напряжения в ответ на увеличение тока в нагрузке.
Чтобы компенсировать падение напряжения, в линейном БП параметры трансформатора рассчитываются так, чтобы обеспечить избыточную мощность. Тогда при высоком токе в нагрузке будет наблюдаться требуемый вольтаж. Однако и повышенное напряжение, которое возникнет без каких-либо средств компенсации при низком токе в полезной нагрузке, тоже неприемлемо. Избыточное напряжение устраняется за счет включения в цепь неполезной нагрузки. В простейшем случае таковой является резистор или транзистор, подключенный через стабилитрон (Zener diode). В более продвинутом - транзистор управляется микросхемой с компаратором. Как бы то ни было, избыточная мощность просто рассеивается в виде тепла, что отрицательно сказывается на КПД устройства.
В схеме импульсного БП возникает еще одна переменная, от которой зависит напряжение на выходе, в дополнение к двум уже имеющимся: напряжению на входе и сопротивлению нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоит ключ (которым в интересующем нас случае является транзистор), управляемый микроконтроллером в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Чем выше длительность открытых состояний транзистора по отношению к их периоду (этот параметр называется duty cycle, в русскоязычной терминологии используется обратная величина - скважность), тем выше напряжение на выходе. Из-за наличия ключа импульсный БП также называется Switched-Mode Power Supply (SMPS).
Через закрытый транзистор ток не идет, а сопротивление открытого транзистора в идеале пренебрежимо мало. В действительности открытый транзистор обладает сопротивлением и рассеивает какую-то часть мощности в виде тепла. Кроме того, переход между состояниями транзистора не идеально дискретный. И все же КПД импульсного источника тока может превышать 90%, в то время как КПД линейного БП со стабилизатором в лучшем случае достигает 50%.
Другое преимущество импульсных источников питания состоит в радикальном уменьшении габаритов и массы трансформатора по сравнению с линейными БП такой же мощности. Известно, что чем выше частота переменного тока в первичной обмотке трансформатора, тем меньше необходимый размер сердечника и число витков обмотки. Поэтому ключевой транзистор в цепи размещают не после, а до трансформатора и, помимо стабилизации напряжения используют для получения переменного тока высокой частоты (для компьютерных БП это от 30 до 100 кГц и выше, а как правило - около 60 кГц). Трансформатор, работающий на частоте электросети 50-60 Гц, для мощности, требуемой стандартным компьютером, был бы в десятки раз массивнее.
Линейные БП сегодня применяются главным образом в случае маломощных устройств, когда относительно сложная электроника, необходимая для импульсного источника питания, составляет более чувствительную статью расходов в сравнении с трансформатором. Это, к примеру, блоки питания на 9 В, которые используются для гитарных педалей эффектов, а когда-то - для игровых приставок и пр. А вот зарядники для смартфонов уже сплошь импульсные - тут расходы оправданны. Благодаря существенно меньшей амплитуде пульсаций напряжения на выходе линейные БП также применяются в тех областях, где это качество востребованно.
БП настольного компьютера представляет собой импульсный источник питания, на вход которого подается напряжение бытовой электросети с параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на выходе есть ряд линий постоянного тока, основные из которых имеют номинал 12, 5 и 3,3 В. Помимо этого, БП обеспечивает напряжение -12 В, а когда-то еще и напряжение -5 В, необходимое для шины ISA. Но последнее в какой-то момент было исключено из стандарта ATX в связи с прекращением поддержки самой ISA.
На упрощенной схеме стандартного импульсного БП, представленной выше, можно выделить четыре основных этапа. В таком же порядке мы рассматриваем компоненты блоков питания в обзорах, а именно:
Фильтр на входе БП служит для подавления двух типов электромагнитных помех: дифференциальных (differential-mode) - когда ток помехи течет в разные стороны в линиях питания, и синфазных (common-mode) - когда ток течет в одном направлении.
Дифференциальные помехи подавляются конденсатором CX (крупный желтый пленочный конденсатор на фото выше), включенным параллельно нагрузке. Иногда на каждый провод дополнительно вешают дроссель, выполняющий ту же функцию (нет на схеме).
Фильтр синфазных помех образован конденсаторами CY (синие каплевидные керамические конденсаторы на фото), в общей точке соединяющими линии питания с землей, и т.н. синфазным дросселем (common-mode choke, LF1 на схеме), ток в двух обмотках которого течет в одном направлении, что создает сопротивление для синфазных помех.
В дешевых моделях устанавливают минимальный набор деталей фильтра, в более дорогих описанные схемы образуют повторяющиеся (полностью или частично) звенья. В прошлом нередко встречались БП вообще без фильтра ЭМП. Сейчас это скорее курьезное исключение, хотя, покупая совсем дешевый БП, можно, все-таки нарваться на такой сюрприз. В результате будет страдать не только и не столько сам компьютер, сколько другая техника, включенная в бытовую сеть, - импульсные БП являются мощным источником помех.
В районе фильтра хорошего БП можно обнаружить несколько деталей, защищающих от повреждения само устройство либо его владельца. Почти всегда есть простейший плавкий предохранитель для защиты от короткого замыкания (F1 на схеме). Отметим, что при срабатывании предохранителя защищаемым объектом является уже не блок питания. Если произошло КЗ, то, значит, уже пробило ключевые транзисторы, и важно хотя бы предотвратить возгорание электропроводки. Если в БП вдруг сгорел предохранитель, то менять его на новый, скорее всего, уже бессмысленно.
Отдельно выполняется защита от кратковременных скачков напряжения с помощью варистора (MOV - Metal Oxide Varistor). А вот никаких средств защиты от длительного повышения напряжения в компьютерных БП нет. Эту функцию выполняют внешние стабилизаторы со своим трансформатором внутри.
Конденсатор в цепи PFC после выпрямителя может сохранять значительный заряд после отключения от питания. Чтобы беспечного человека, сунувшего палец в разъем питания, не ударило током, между проводами устанавливают разряжающий резистор большого номинала (bleeder resistor). В более изощренном варианте - вместе с управляющей схемой, которая не дает заряду утекать при работе устройства.
Кстати, наличие фильтра в блоке питания ПК (а в БП монитора и практически любой компьютерной техники он тоже есть) означает, что покупать отдельный «сетевой фильтр» вместо обычного удлинителя, в общем-то, без толку. У него внутри все то же самое. Единственное условие в любом случае - нормальная трехконтактная проводка с заземлением. В противном случае конденсаторы CY, соединенные с землей, просто не смогут выполнять свою функцию.
После фильтра переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диодного моста - как правило, в виде сборки в общем корпусе. Отдельный радиатор для охлаждения моста всячески приветствуется. Мост, собранный из четырех дискретных диодов, - атрибут дешевых блоков питания. Можно также поинтересоваться, на какой ток рассчитан мост, чтобы определить, соответствует ли он мощности самого БП. Хотя по этому параметру, как правило, имеется хороший запас.
В цепи переменного тока с линейной нагрузкой (как, например, лампа накаливания или электроплитка) протекающий ток следует такой же синусоиде, как и напряжение. Но это не так в случае с устройствами, имеющими входной выпрямитель, - такими как импульсные БП. Блок питания пропускает ток короткими импульсами, примерно совпадающими по времени с пиками синусоиды напряжения (то есть максимальным мгновенным напряжением), когда подзаряжается сглаживающий конденсатор выпрямителя.
Сигнал тока искаженной формы раскладывается на несколько гармонических колебаний в сумме с синусоидой данной амплитуды (идеальным сигналом, который имел бы место при линейной нагрузке).
Мощность, используемая для совершения полезной работы (которой, собственно, является нагрев компонентов ПК), указана в характеристиках БП и называется активной. Остальная мощность, порождаемая гармоническими колебаниями тока, называется реактивной. Она не производит полезной работы, но нагревает провода и создает нагрузку на трансформаторы и прочее силовое оборудование.
Векторная сумма реактивной и активной мощности называется полной мощностью (apparent power). А отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (power factor) - не путать с КПД!
У импульсного БП коэффициент мощности изначально довольно низкий - около 0,7. Для частного потребителя реактивная мощность не составляет проблемы (благо она не учитывается электросчетчиками), если только он не пользуется ИБП. На бесперебойник как раз таки ложится полная мощность нагрузки. В масштабе офиса или городской сети избыточная реактивная мощность, создаваемая импульсными БП уже значительно снижает качество электроснабжения и вызывает расходы, поэтому с ней активно борются.
В частности, подавляющее большинство компьютерных БП оснащаются схемами активной коррекции фактора мощности (Active PFC). Блок с активным PFC легко опознать по единственному крупному конденсатору и дросселю, установленным после выпрямителя. В сущности, Active PFC является еще одним импульсным преобразователем, который поддерживает на конденсаторе постоянный заряд напряжением около 400 В. При этом ток из питающей сети потребляется короткими импульсами, ширина которых подобрана таким образом, чтобы сигнал аппроксимировался синусоидой - что и требуется для имитации линейной нагрузки. Для синхронизации сигнала потребления тока с синусоидой напряжения в контроллере PFC имеется специальная логика.
Схема активного PFC содержит один или два ключевых транзистора и мощный диод, которые размещаются на одном радиаторе с ключевыми транзисторами основного преобразователя БП. Как правило, ШИМ-контроллер ключа основного преобразователя и ключа Active PFC являются одной микросхемой (PWM/PFC Combo).
Коэффициент мощности у импульсных блоков питания с активным PFC достигает 0,95 и выше. Кроме того, у них есть одно дополнительное преимущество - не требуется переключатель сети 110/230 В и соответствующий удвоитель напряжения внутри БП. Большинство схем PFC переваривают напряжения от 85 до 265 В. Кроме того, снижается чувствительность БП к кратковременным провалам напряжения.
Кстати, помимо активной коррекции PFC, существует и пассивная, которая подразумевает установку дросселя большой индуктивности последовательно с нагрузкой. Эффективность ее невелика, и в современном БП вы такое вряд ли найдете.
Общий принцип работы для всех импульсных БП изолированной топологии (с трансформатором) один: ключевой транзистор (или транзисторы) создает переменный ток на первичной обмотке трансформатора, а ШИМ-контроллер управляет скважностью их переключения. Конкретные схемы, однако, различаются как по количеству ключевых транзисторов и прочих элементов, так и по качественным характеристикам: КПД, форма сигнала, помехи и пр. Но здесь слишком многое зависит от конкретной реализации, чтобы на этом стоило заострять внимание. Для интересующихся приводим набор схем и таблицу, которая позволит по составу деталей опознавать их в конкретных устройствах.
| Транзисторы | Диоды | Конденсаторы | Ножки первичной обмотки трансформатора | |
| Single-Transistor Forward | 1 | 1 | 1 | 4 |
| 2 | 2 | 0 | 2 | |
| 2 | 0 | 2 | 2 | |
| 4 | 0 | 0 | 2 | |
| 2 | 0 | 0 | 3 |
Помимо перечисленных топологий, в дорогих БП встречаются резонансные (resonant) варианты Half Bridge, которые легко опознать по дополнительному крупному дросселю (или двум) и конденсатору, образующим колебательный контур.
|
Single-Transistor Forward |
|
|
|
|
|
|
Вторичная цепь - это все, что находится после вторичной обмотки трансформатора. В большинстве современных блоков питания трансформатор имеет две обмотки: с одной из них снимается напряжение 12 В, с другой - 5 В. Ток сначала выпрямляется с помощью сборки из двух диодов Шоттки - одной или нескольких на шину (на самой высоконагруженной шине - 12 В — в мощных БП бывает четыре сборки). Более эффективными с точки зрения КПД являются синхронные выпрямители, в которых вместо диодов используются полевые транзисторы. Но это прерогатива по-настоящему продвинутых и дорогих БП, претендующих на сертификат 80 PLUS Platinum.
Шина 3,3 В, как правило, выводится от той же обмотки, что и шина 5 В, только напряжение понижается с помощью насыщаемого дросселя (Mag Amp). Специальная обмотка на трансформаторе под напряжение 3,3 В - экзотический вариант. Из отрицательных напряжений в текущем стандарте ATX осталось только -12 В, которое снимается со вторичной обмотки под шину 12 В через отдельные слаботочные диоды.
ШИМ-управление ключом преобразователя изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно - на всех вторичных обмотках сразу. При этом потребление тока компьютером отнюдь не равномерно распределено между шинами БП. В современном железе наиболее нагруженной шиной является 12-В.
Для раздельной стабилизации напряжений на разных шинах требуются дополнительные меры. Классический способ подразумевает использование дросселя групповой стабилизации. Три основные шины пропущены через его обмотки, и в результате если на одной шине увеличивается ток, то на других - падает напряжение. Допустим, на шине 12 В возрос ток, и, чтобы предотвратить падение напряжения, ШИМ-контроллер уменьшил скважность импульсов ключевых транзисторов. В результате на шине 5 В напряжение могло бы выйти за допустимые рамки, но было подавлено дросселем групповой стабилизации.
Напряжение на шине 3,3 В дополнительно регулируется еще одним насыщаемым дросселем.
В более совершенном варианте обеспечивается раздельная стабилизация шин 5 и 12 В за счет насыщаемых дросселей, но сейчас эта конструкция в дорогих качественных БП уступила место преобразователям DC-DC. В последнем случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением 12 В, а напряжения 5 В и 3,3 В получаются благодаря преобразователям постоянного тока. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.
Выходной фильтр
Финальной стадией на каждой шине является фильтр, который сглаживает пульсации напряжения, вызываемые ключевыми транзисторами. Кроме того, во вторичную цепь БП в той или иной мере пробиваются пульсации входного выпрямителя, чья частота равна удвоенной частоте питающей электросети.
В состав фильтра пульсаций входит дроссель и конденсаторы большой емкости. Для качественных блоков питания характерна емкость не менее 2 000 мкФ, но у производителей дешевых моделей есть резерв для экономии, когда устанавливают конденсаторы, к примеру, вдвое меньшего номинала, что неизбежно отражается на амплитуде пульсаций.
Описание компонентов блока питания было бы неполным без упоминания об источнике дежурного напряжения 5 В, который делает возможным спящий режим ПК и обеспечивает работу всех устройств, которые должны быть включены постоянно. «Дежурка» питается от отдельного импульсного преобразователя с маломощным трансформатором. В некоторых БП встречается и третий трансформатор, использующийся в цепи обратной связи для изоляции ШИМ-контроллера от первичной цепи основного преобразователя. В других случаях эту функцию выполняют оптопары (светодиод и фототранзистор в одном корпусе).
Одним из основных параметров БП является стабильность напряжений, которая находит отражение в т.н. кросс-нагрузочной характеристике. КНХ представляет собой диаграмму, в которой на одной оси отложен ток или мощность на шине 12 В, а на другой - совокупный ток или мощность на шинах 3,3 и 5 В. В точках пересечения при разных значениях обеих переменных определяется отклонение напряжения от номинала на той или иной шине. Соответственно, мы публикуем две разные КНХ - для шины 12 В и для шины 5/3,3 В.
Цвет точки означает процент отклонения:
Для получения КНХ используется сделанный на заказ стенд для тестирования блоков питания, который создает нагрузку за счет рассеивания тепла на мощных полевых транзисторах.
Другой не менее важный тест - определение размаха пульсаций на выходе БП. Стандарт ATX допускает пульсации в пределах 120 мВ для шины 12 В и 50 мВ - для шины 5 В. Различают высокочастотные пульсации (на удвоенной частоте ключа основного преобразователя) и низкочастотные (на удвоенной частоте питающей сети).
Этот параметр мы измеряем при помощи USB-осциллографа Hantek DSO-6022BE при максимальной нагрузке на БП, заданной спецификациями. На осциллограмме ниже зеленый график соответствует шине 12 В, желтый - 5 В. Видно, что пульсации находятся в пределах нормы, и даже с запасом.
Для сравнения приводим картину пульсаций на выходе БП старого компьютера. Этот блок изначально не был выдающимся, но явно не стал лучше от времени. Судя по размаху низкочастотных пульсаций (обратите внимание, что деление развертки напряжения увеличено до 50 мВ, чтобы колебания поместились на экран), сглаживающий конденсатор на входе уже пришел в негодность. Высокочастотные пульсации на шине 5 В находятся на грани допустимых 50 мВ.
В следующем тесте определяется КПД блока при нагрузке от 10 до 100% от номинальной мощности (путем сравнения мощности на выходе с мощностью на входе, измеренной при помощи бытового ваттметра). Для сравнения на графике приводятся критерии различных категорий 80 PLUS. Впрочем, большого интереса в наши дни это не вызывает. На графике приведены результаты топового БП Corsair в сравнении с весьма дешевым Antec, а разница не то чтобы очень велика.
Более насущный для пользователя вопрос - шум от встроенного вентилятора. Непосредственно измерить его вблизи от ревущего стенда для тестирования БП невозможно, поэтому мы измеряем скорость вращения крыльчатки лазерным тахометром - также при мощности от 10 до 100%. На нижеприведенном графике видно, что при низкой нагрузке на этот БП 135-миллиметровый вентилятор сохраняет низкие обороты и вряд ли слышен вообще. При максимальной нагрузке шум уже можно различить, но уровень все еще вполне приемлемый.
Не беспокойтесь, для понимания, как это работает, вам не потребуются университетские знания физики. Мы просто объясним, чем отличается хороший блок питания от плохого. Если вы знаете основные принципы работы, то вряд ли совершите неудачную покупку. Итак, идём дальше.
Одна из важных проблем, касающихся энергопотребления при использовании импульсных источников питания - это "реактивный" ток, вызванный индуктивностью. Обратите внимание, что потребляемая мощность в режиме ожидания не имеет ничего общего с режимом простоя. Кроме того, нагрузка в этом случае никак не пересекается с энергопотреблением при полной нагрузке, однако использует те же компоненты. Реактивную мощность нужно существенно снижать (в лучшем случае её вообще быть не должно), чтобы она не приводила к потере энергии на сопротивлении, которая будет выделяться в виде тепла. Подобное бесполезное потребление энергия должна уменьшаться практически до нуля внутренними цепями импульсных блоков питания.
Эффективная мощность противоположна реактивной в том, что она отражает реальное энергопотребление. Полная мощность представляет собой сумму активной и реактивной мощностей.
Этот показатель высчитывается как отношение между эффективной мощностью и полной мощностью и находится в промежутке между 0 (худший результат) и 1 (идеальный результат). Итак, при покупке блока питания вам нужно убедиться, что у него высокий коэффициент мощности: это один из ключевых показателей качества для блоков питания.
Active Power Factor Correction (PFC) означает активную коррекцию коэффициента мощности. Коэффициент мощность является важной характеристикой для блока питания, поскольку он отражает соотношение между активной и полной мощностями.
Преимущества:
Недостатки:
С помощью пассивной коррекции коэффициента мощности реактивные токи можно снижать, используя крупные катушки индуктивности. Подобный способ проще и дешевле, но он не самый эффективный.
Преимущества:
Недостатки:
Одним из ключевых показателей эффективности блока питания является, соответствует ли он стандартам Energy Star 5.0 и 80 PLUS. Последний будет приоритетным для вычислительной техники и является стандартом, признанным повсеместно в мире. Кроме того, если речь идёт о европейских странах, то нужно также проверить соответствие стандартам CE и ErP.
Принципы и спецификации, естественно, влияют на эффективность и на качество питания. Блок питания, отмеченный сертификатом 80 PLUS, будет соответствовать определенным требованиям, что устанавливается посредством набора тестов. Мы хотели бы упомянуть, что условия стрессового тестирования 80 PLUS не соответствуют напрямую спецификации ATX, при этом они выполняются в условиях американских электрических сетей питания, работающих с меньшим напряжением. В условиях России и Европы, с сетями 230 В, эффективность блоков питания 80 PLUS будет чуть выше, чем в США.
Концепция 80 PLUS была расширена: сейчас она подразумевает несколько уровней эффективности, Platinum, Gold, Silver и Bronze, и спецификации каждого из этих стандартов имеют собственный набор требований. Таким образом, блок питания стандарта "80 PLUS Platinum" или "80 PLUS Gold" будет более эффективным, чем обычный блок питания. В то же время, эти блоки питания и стоят дороже.
По таблице ниже можно проследить, как уровень спецификации устройства влияет на его работу при заданной нагрузке, и оценить каждый конкретный уровень спецификации.
| Эффективность при нагрузке 20% | Эффективность при нагрузке 50% | Эффективность при нагрузке 100% | |
| 80 Plus | 80,00% | 80,00% | 80,00% |
| 80 Plus Bronze | 82,00% | 85,00% | 82,00% |
| 80 Plus Silver | 85,00% | 88,00% | 85,00% |
| 80 Plus Gold | 87,00% | 90,00% | 87,00% |
| 80 Plus Platinum | 90,00% | 92,00% | 89,00% |
При выключении компьютера? блок питания, как правило, продолжает работать. Это необходимо для поддержки некоторых функций, как Wake-on-LAN. Блок питания будет тратить некоторое количество мощности даже тогда, когда компьютер выключен. Современные блоки питания, особенно те, которые продаются в Европе, согласно заявлениям производителей, тратят не более 1 Вт в таком режиме. Если для вас действительно важна экономия, то такое решение будет правильным.
|
|||
|
| |||
Преобразовательная техника
Введение
В последние десятилетия количество электроники, используемой в домашних условиях, в офисах и на производстве, резко увеличилось, и в большинстве устройств применяются импульсные источники питания. Такие источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней. Это влияние выражается не только в разного рода помехах , сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтральной линии. При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке, практически, равен нулю) может увеличится до критического значения.
Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания, электронных нагрузках люминесцентных ламп, драйверах двигателей постоянного тока и аналогичных приборах.
Один из эффективных способов решения этой задачи - применение корректоров коэффициента мощности PFC (Power Factor Correction). На практике это означает, что во входную цепь практически любого электронного устройства с импульсными преобразователями необходимо включать специальную PFC-схему, обеспечивающую снижение или полное подавление гармоник тока.
Коррекция коэффициента мощности
Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис. 1).
Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 2).
Коэффициент мощности
Коэффициент мощности (Power Factor PF) - параметр, характеризующий искажения, создаваемые нагрузкой (в нашем случае - источником вторичного электропитания) в сети переменного тока. Существует два вида искажений - гармонические и нелинейные. Гармонические искажения вызываются нагрузкой реактивного характера и представляют собой сдвиг фаз между током и напряжением. Нелинейные искажения вносятся в сеть «нелинейными» нагрузками. Эти искажения выражаются в отклонении формы волны тока или напряжения от синусоиды. В случае гармонических искажений коэффициентом мощности считается косинус разности фаз между током и напряжением или отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети. Для нелинейных искажений коэффициент мощности равен доле мощности первой гармонической составляющей тока в общей мощности, потребляемой устройством. Его можно считать показателем того, насколько равномерно устройство потребляет мощность от электросети.
В общем случае коэффициент мощности - это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током на косинус угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят рассуждения, приводимые ниже. Действующий ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид:
I 2 эфф =I 2 0 +I 2 1эфф +SI 2 nэфф,
где I 2 nэфф - постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I 2 1эфф - основная гармоника, а под знаком суммы - младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид:
I 2 эфф =I 2 0 +(I 2 1эфф(P) +I 2 1эфф(Q))+SI 2 nэфф. Активная мощность - это среднее за период значение мощности, выделяемой на активной нагрузке.
Ее можно представить в виде произведения действующего напряжения на активную составляющую тока P=U эфф Ч I 1эфф(P) . Физически это энергия, выделяющаяся в виде тепла в единицу времени на активном сопротивлении. Под реактивной мощностью понимают произведение действующего напряжения на реактивную составляющую тока: Q=U эфф Ч I 1эфф(Q) . Физический смысл - это энергия, которая перекачивается два раза за период от генератора к нагрузке и два раза - от нагрузки к генератору. Полной мощностью называется произведение действующего напряжения на общий действующий ток: S=U эфф Ч I эфф(общ) . На комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда видна зависимость I 2 =I 1эфф(общ) cos j, где j - угол между векторами P и Q, который также характеризует разность фаз между током и напряжением в цепи.
Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:
PF=P/S=(I 1эфф cos j)/(I эфф(общ)).
Стоит заметить, что отношение (I 1эфф)/(I эфф(общ)) есть косинус угла между векторами, соответствующими действующему значению общего тока и действующему значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол q, то выражение для коэффициента мощности принимает вид: PF=cos j Ч cos q. Задача коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы приблизить к нулю угол разности фаз j между напряжением и током, а также угол q гармонических искажений потребляемого тока (или, другими словами, максимально приблизить форму кривой тока к синусоиде и максимально компенсировать фазовый сдвиг).
Коэффициент мощности выражается в виде десятичной дроби, значение которой лежит в пределах от 0 до 1. Его идеальное значение - единица (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет значение коэффициента мощности около 0,65), 0,95 - хорошее значение; 0,9 - удовлетворительное; 0,8 - неудовлетворительное. Применение коррекции коэффициента мощности может увеличить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Вполне реальны и значения в пределах 0,97…0,99. В идеальном случае, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения (что соответствует полностью активной нагрузке с линейной вольтамперной характеристикой).
Пассивная коррекция коэффициента мощности
Пассивный метод коррекции чаще всего применяется в недорогих малопотребляющих устройствах (где не предъявляется строгих требований к интенсивности младших гармоник тока). Пассивная коррекция позволяет достичь значения коэффициента мощности около 0,9. Это удобно в случае, когда источник питания уже разработан, остается только создать подходящий фильтр и включить его в схему на входе.
Пассивная коррекция коэффициента мощности состоит в фильтрации потребляемого тока при помощи полосового LC-фильтра. Этот метод имеет несколько ограничений. LC-фильтр может быть эффективен как корректор коэффициента мощности только в случае, если напряжение, частота и нагрузка изменяются в узком интервале значений . Так как фильтр должен работать в области низких частот (50/60 Гц), его компоненты имеют большие габариты, массу и малую добротность (что не всегда приемлемо). Во-первых , количество компонентов при пассивном подходе намного меньше и, следовательно - время наработки на отказ больше, и во вторых , при пассивной коррекции создается меньше электромагнитных и контактных помех, чем при активной.
Активная коррекция коэффициента мощности
Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:
1) Форма потребляемого тока должна быть как можно ближе к синусоидальной и - «в фазе» с напряжением. Мгновенное значение тока, потребляемого от источника, должно быть пропорционально мгновенному напряжению сети.
2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот.
3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от величины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот.
Существует несколько схем, при помощи которых можно реализовать активную коррекцию коэффициента мощности. Наиболее популярна в настоящее время «схема преобразователя с повышением» (boost converter). Эта схема удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным источникам питания. Во-первых , она позволяет работать в сетях с различными значениями питающего напряжения (от 85 до 270 В) без ограничений и каких-либо дополнительных регулировок. Во-вторых , она менее восприимчива к отклонениям электрических параметров сети (скачки напряжения или кратковременное его отключение). Еще одно достоинство этой схемы - более простая реализации защиты от перенапряжений. Упрощенная схема «преобразователя с повышением» приведена на рис. 3.
Принцип работы
Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой AD/DC-преобразователь с широтно-импульсной (PWM) модуляцией. Модулятор управляет мощным (обычно MOSFET) ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.
Временные диаграммы работы корректора показаны на рис. 4. При включенном MOSFET-ключе ток в дросселе линейно нарастает - при этом диод заперт, а конденсатор С2 разряжается на нагрузку. Затем, когда транзистор запирается, напряжение на дросселе «открывает» диод и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор С2 (и одновременно питает нагрузку). В приведенной схеме (в отличие от источника без коррекции) конденсатор С1 имеет малую емкость и служит для фильтрации высокочастотных помех. Частота преобразования составляет 50...100 кГц. В простейшем случае схема работает с постоянным рабочим циклом. Существуют способы увеличения эффективности коррекции динамическим изменением рабочего цикла (согласованием цикла с огибающей напряжения от сетевого выпрямителя).
Схема «преобразователя с повышением» может работать в трех режимах : непрерывном , дискретном и так называемом «режиме критической проводимости ». В дискретном режиме в течение каждого периода ток дросселя успевает «упасть» до нуля и через некоторое время снова начинает возрастать, а в непрерывном - ток, не успев достигнуть нуля, снова начинает возрастать. Режим критической проводимости используется реже, чем два предыдущих. Он сложнее в реализации. Его смысл в том, что MOSFET открывается в тот момент, когда ток дросселя достигает нулевого значения. При работе в этом режиме упрощается регулировка выходного напряжения.
Выбор режима зависит от требуемой выходной мощности источника питания. В устройствах мощностью более 400 Вт используется непрерывный режим, а в маломощных - дискретный. Активная коррекция коэффициента мощности позволяет достичь значений 0,97...0,99 при коэффициенте нелинейных искажений THD (Total Harmonic Distortion) в пределах 0,04...0,08.
