Устройство компьютерных блоков питания и методика их тестирования

⇡#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.

Как сервер работает с отверткой в блоке питания

PSU firmware is outdated.

Когда я впервые увидел такую надпись при опросе версий прошивок HP DL380, то был несколько обескуражен. Эм, ну ладно, если очень нужно – скачай и поставь. Но что за софт может быть в банальном блоке питания? Оказалось, что для диагностики местной системы жизнеобеспечения и обработки отказов по питанию. Там натуральный кластер из блоков питания, со своим арбитром и логикой. Под катом рассказ об устройстве такого «кластера» и о том, почему 2 x 1400 = 2300W.

Два блока питания – в два раза выше надежность? Не всегда, потому что зависит от настроек системы электропитания. Вот о ней подробнее и поговорим. В качестве предметов рассказа я выбрал оборудование среднего серверного класса, вроде такого:

• HP ProLiant DL380
• Lenovo System x3500 M5
• Supermicro SuperServer 6028R-T

То есть, не блейды и не мейнфреймы – у них все иначе устроено. Обратите внимание, форм-фактор сервера не имеет значения для наличия или отсутствия дополнительных блоков питания.

Начнем с ответа на вопрос «зачем сколько БП, если можно просто хранить небольшой запас запчастей». Системы с резервированием в сервере всегда полезны, даже если не рассматривать отказоустойчивость. Например, они повышают удобство обслуживания и позволяют нам не ночевать в серверной при замене дисков или тех же блоков питания.

Например, второй блок питания поможет, если:

• Выйдет из строя ИБП;
• Дорожные рабочие найдут месторождение электричества;
• Возникнет необходимость переноса сервера в другую стойку;
• Железу нужно больше мощности, чем обеспечивает самый производительный из доступных в каталоге источников питания.

Два блока питания дают больше гибкости при проектировании серверной комнаты. Например, рабочая схема подключения у одного клиента: в серверной две фазы, подключены к разным блокам питания серверов. Одна фаза подключена к UPS, а вторая работает только через стабилизаторы. Но эта линия идет от генератора с автозапуском. При отключении электричества дизель стартует и серверы продолжают работать, даже если UPS разрядятся. Это всего лишь один из вариантов, подобранный с учетом пожеланий клиента и возможностей бюджета.

Итого, несколько БП нужны для удобства администратора, повышения надежности системы и обеспечения большей мощности.

Простейший вариант систем с двумя блоками питания выглядит как запитывание отдельных комплектующих компьютера от разных блоков, при этом один из них управляющий и питает материнскую плату. Подобные решения практикуют геймеры и майнеры, потому что для установки трех и более видеокарт одного источника питания не хватит. Для подключения используют такие адаптеры:

При нажатии на Power замыкаются зеленый сигнальный провод с «землей», давая команду на запуск обоим блокам питания.

Помню, когда-то давно был у меня компьютер уровня Pentium III с набором SCSI дисков. Штатного блока питания перестало хватать, и я подключил старый АТ-блок отдельно для жестких дисков. Запуск чудо-машины происходил так: нажимаем на кнопку дополнительного питания и ждем жужжания дисков, затем включаем основной БП и начинается загрузка.

Даже в эпоху всепроникающего Китая для «самоделкиных» существует множество схем подключения двух блоков питания своими руками, чтобы получилась похожая конфигурация:

Но вернемся к промышленным серверным решениям.

Устройство питания по своей логике довольно простое. Блоки подключаются к специальной корзине Power Distribution Backplane, где также присутствует микроконтроллер Power Distribution Unit (не путайте с распределителем питания для серверной стойки). Контроллер отвечает за схему использования доступных БП: одновременно или в режиме primary-backup.

Столь продвинутую подсистему питания можно настраивать под конкретные потребности. При использования сервера с двумя блоками питания доступно несколько режимов работы:

• Резервирование, при котором один блок питания нагружен постоянно, а второй готов подхватить нагрузку в случае сбоя;
• Распределение нагрузки, при котором сервер использует оба блока питания одновременно.

Очень напоминает RAID – его отказоустойчивый уровень 1 и производительный 0.

Большинство производителей позволяют администратору выбрать необходимый режим. Например, в таком сервере HP настройка через BIOS выглядит следующим образом:

Изображение немного устарело, так как в новых системах используется настройка через iLO, но для понимания сути ее достаточно.

Посмотрим на выдаваемую мощность пары блоков питания HP DL360 при разных режимах настройки и небольшой нагрузке. Для этого используем консольную утилиту hpasmcli.

• Balanced Mode hpasmcli> SHOW POWERSUPPLY

Не обманул производитель, блоки питания выдают примерно одинаковую мощность.

• High Efficiency Mode hpasmcli> SHOW POWERSUPPLY

И правда, при использовании режима распределения нагрузки блоки нагружены примерно одинаково. Но при включении отказоустойчивости используется только один блок питания, а второй переводится в Standby и расходует минимум энергии.

Своеобразный «спящий режим» нужен для того, чтобы избежать холодного старта при подключении резервного БП, сэкономить время и минимизировать риски выхода блока питания из строя в процессе его активизации. Как и в случае с бытовыми лампочками, при любом холодном включении образуются пиковые нагрузки на элементную базу электроцепи, что может привести к ее порче.

Настройка режимов работы у каждого производителя выполняется по-своему. Например, у Lenovo (IBM) в системах с двумя блоками питания настройка через GUI выглядит следующим образом:

На выбор предлагаются три режима работы:

• Отказоустойчивость без снижения энергопотребления – вернемся к нему позже;
• Отказоустойчивость с понижением мощности;
• Без отказоустойчивости, но с максимальной мощностью.

Generic-серверы, вроде Intel и Supermicro, не всегда хорошо документированы и открытой информации о настройках режимов работы БП не оказалось. Пришлось обратиться к нашим инженерам и форумам. Оказалось, что подобные системы обычно работают они в режиме балансировки нагрузки.

Если вы плотно работали с подобными платформами и владеете другой информацией – поделитесь в комментариях, пожалуйста.

Еще интереснее обстоят дела с системами из трех и более БП.

Как и в аналогии с RAID, большее число узлов открывает более изощренные схемы использования. Например, у сервера Supermicro с тремя блоками штатно используется режим работы 2+1, то есть работают одновременно два, а третий в резерве.

В случае с четырьмя БП в Lenovo можно настроить использование блоков питания более гибко. Интерфейс даже считает показатели мощности самостоятельно:

С точки зрения баланса производительности и надежности, подобные конфигурации из 4 БП оправданы только при использовании «прожорливых» комплектующих. В остальных случаях запас по мощности будет избыточным, а удобство и запас надежности обеспечивают 2 блока питания с разными подводами электричества.

На мой взгляд, в таких платформах интереснее вместо третьего и четвертого БП поставить резервные батареи (примеры для Supermicro и ). Они подстрахуют от проблем с UPS и минут на 5 повысят время работы без электричества в сети. Кроме того, с подобными модулями удобнее заниматься обслуживанием железа: выдернул кабель – и спокойно перенес сервер в другой шкаф. Время работы сервера от встроенной батареи составляет около пяти минут.

Опыт инженеров Сервер Молл показывает, что блоки питания на втором месте по выходу из строя, после жестких дисков. По крайней мере, в ходе восстановления серверов эти компоненты часто меняются из-за применения в их конструкции электролитических конденсаторов.

Если к сбоям дисковой подсистемы мы привыкли и держим запасной диск наготове, то замена для системы питания встречается на полках ЗИП реже. Ситуацию в какой-то степени спасает гарантия и возможность получить замену отказавшего БП через пару дней с курьером, но Закон Мерфи со счетов сбрасывать не стоит. В моей практике был случай, когда во время ожидания замены отказавшего БП вышел из строя оставшийся. Хорошо, что на сервере ничего жизненно-важного не было.

Если оставить в стороне надежность, то остается вопрос с мощностью. Как правило, лучше взять сразу два блока питания, каждый с достаточным запасом выходной мощности. Но если бюджет таких вольностей не позволяет, то придется взвешивать потребности более детально и учитывать проседания мощности источников питания. Обратимся к руководству от HP, в котором представлен график КПД системы питания в разных конфигурациях:

В случае низкой нагрузки машины КПД одного блока питания выше, но картина меняется, если у нас высоконагруженный сервер.

Что же будет, если один из блоков питания выйдет из строя, а мощности оставшегося не хватит?

У многих вендоров предусмотрен механизм снижения энергопотребления на случай сбоя – PowerSafe uard у Fujitsu, Throttling у Lenovo. Использование подобных механизмов не всегда спасает ситуацию, да и существенное падение производительности порой хуже простоя.

Есть еще один нюанс: возрастает нагрузка на второй блок питания, что повышает вероятность его выхода из строя. Лучше исходить из того, что один блок питания из пары должен обеспечивать сервер целиком, хотя бы при штатных нагрузках. Разница в стоимости блоков питания разной мощности не так уж велика, поэтому стоит выбирать более производительные модели. Например, вот цены на варианты от Supermicro:

• Блок питания PWS-406P-1R на 400 Ватт стоит в среднем 12 000 ₽;
• Блок питания PWS-706P-1R на 700 Ватт стоит в среднем 14 000 ₽.

Цены взяты с Яндекс маркета, так что в реальности они могут быть даже ниже. Экономия 4 000 ₽ в ущерб отказоустойчивости выглядит так себе даже для небольшого сервера.

Современный блок питания содержит набор диагностических механизмов для контроля внутренней системы охлаждения, напряжения, силы тока и массы внутренних состояний.

Помимо автоматического отключения при перегреве, полезно иметь возможность подключить к централизованному мониторингу показатели работы подсистемы питания. Например, с их помощью можно прогнозировать выход из строя определенного БП или выявить нестабильный подвод электричества. Все это обеспечивают микроконтроллеры, внутреннюю логику которых производитель периодически совершенствует в новых обновлениях.

При всех описанных преимуществах, у решений с несколькими блоками питания есть и отрицательные стороны:

• Необходимость покупать более дорогие проприетарные блоки питания. Как правило, они должны быть одинаковыми, что может вызвать проблемы с заменой для очень старых серверов;
• Узким местом становится управляющий блоками питания контроллер и плата, к которой они подключаются (Power Distribution Backplane);
• При малой нагрузке больший расход электроэнергии, как следствие специфического алгоритма использования;
• Вероятность выхода из строя одного блока питания из группы все же выше, чем сбой единственного – банальная теория вероятности. Поэтому стоит внимательно относиться к выбору энергоемких решений, полностью использующих оба блока питания.

Если у вас есть собственный негативный опыт работы с конфигурациями из нескольких блоков питания – было бы интересно почитать в комментариях.

В завершение приведу несколько полезных ссылок на калькуляторы мощности популярных вендоров:

• Lenovo
• Dell

Если вам тоже лень оценивать мощность при выборе очередного нового сервера, то эти инструменты помогут при расчете как мощности блоков питания, так и энергопотребления всего ЦОД.

⇡#Общая схема блока питания стандарта ATX

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:

1. фильтр ЭМП – электромагнитных помех (RFI filter);
2. первичная цепь – входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
3. основной трансформатор;
4. вторичная цепь – выпрямители тока со вторичной обмотки трансформатора (rectifiers), сглаживающие фильтры на выходе (filtering).

Какая мощность блока нужна для майнинга

Исходя из того, что блок питания будет круглосуточно эксплуатироваться в жестком режиме, нужно использовать блок питания, имеющий как необходимый запас по мощности, так и учитывать тот фактор, что со временем электронные компоненты стареют и реально отдаваемая мощность блока питания уменьшается.

Кроме того, нужно учитывать тот фактор, что любые электрические цепи обладают нелинейностью и в момент включения и выключения в них протекают пиковые токи, большие, чем в рабочем режиме. В связи с этим так необходим запас по мощности у блока питания для майнинга. Простая установка самого мощного блока питания на имеющееся оборудование не всегда является самым лучшим решением в связи с тем, что, как правило, блоки питания имеют самый лучший КПД при их загрузке на 50-60 процентов мощности. Если блок питания будет недогружен, он будет работать неэффективно, а в некоторых случаях может просто не запуститься. Поэтому нужно знать, как произвести правильный расчет мощности блока питания.

⇡#Фильтр ЭМП

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.

Синхронизация

Виды синхронизаторов PSU

Для того, чтобы не испортить дорогостоящее оборудование, нужно знать как синхронизировать два блока питания для майнинга.

Все синхронизаторы используют общую минусовую линию и синхронизируются путем замыкания этой линии с цепью 12 вольт-standby. Они действуют, как коммутатор, запускающий ведомый блок питания при работе основного.

Существует три вида самых распространенных синхронизаторов блоков питания для майнинга стандарта ATX:

• Синхронизаторы, замыкающие проводами линии 12 вольт-standby разных блоков питания (ATX 20+4 пиновый кабель). Это самый дешевый и компактный синхронизатор, который имеет меньший уровень безопасности, чем синхронизаторы, физически разделяющие цепи разных блоков питания (релейные или с оптронами).
• Синхронизаторы, осуществляющие включение ведомых блоков питания при появлении напряжения по линии 12 вольт от основного блока через механическое реле.
• Синхронизаторы, осуществляющие включение ведомых блоков питания при появлении напряжения по линии 12 вольт от основного блока через оптроны. Для подключения синхронизаторов с реле и оптронами используется один из разъемов SATA или MOLEX ведущего блока питания, который соединяется с платой синхронизатора. В синхронизатор вставляется 20+4 пиновый кабель ведомого блока питания. Он используется для питания видеокарт и райзеров, для которых не хватает мощности основного блока питания.

Все виды синхронизаторов успешно справляются с одновременным использованием нескольких блоков питания, но использование синхронизаторов без физического разделения электрических цепей разных блоков питания уменьшает уровень безопасности.

Если вы неправильно распределите питание или подключите к одной майнинг-ферме больше двух БП, что в принципе вполне возможно, то оборудование может не запуститься. Или, наоборот, ферму нельзя будет корректно выключить, некоторые карты будут полностью или частично запитаны, несмотря на остановку Windows.

И, главное, учтите, нагрузка не распределяется равномерно, сколько устройств подключите к одному из БП столько он и пытается тянуть, если, конечно, сможет. Так что все в ваших руках.

⇡#Блок активного PFC

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.

⇡#Основной преобразователь

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.

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.

⇡#Вторичная цепь

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.

Переделка БП ATX в регулируемый или лабораторный блок питания

А теперь самое время сделать из БП компьютера своими руками импульсный лабораторный блок питания. Дорабатывать будем блок питания, ШИМ-контроллер которого собран на специализированной микросхеме TL494 (она же: μА494, μPC494, M5T494P, KIA494, UTC51494, AZ494AP, KA7500, IR3M02, AZ7500BP, КР1114ЕУ4, МВ3759 и подобные аналоги).

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Сразу оговоримся – хотя типовые схемы включения этих микросхем одинаковы, некоторые отличия в зависимости от модели БП все же есть. Поэтому универсального решения для переделки всех БП не существует.

Для примера мы доработаем блок питания, схема которого приведена ниже. Поняв идею вносимых изменений, подобрать алгоритм переделки любого другого блока не составит особого труда.

Разбираем БП, вынимаем плату. Сразу же отпаиваем все ненужные провода шлейфов питания, оставив один желтый, один черный и зеленый.

Также выпаиваем сглаживающие электролитические конденсаторы по всем линиям питания. На схеме они обозначены как С30, С27, С29, С28, С35. Мы собираемся существенно (до 25 В по шине +12 В) поднять выходное напряжение, на которое эти конденсаторы не рассчитаны. На место того, что стоял по шине +12 В, устанавливаем конденсатор той же или большей емкости на напряжение не менее 35 В. Остальные места оставляем пустыми. Зеленый провод припаиваем на место, где был любой черный, чтобы разрешить блоку питания запускаться. Теперь можно заняться доработкой контроллера.

Взглянем на назначение выводов микросхемы TL494. Нас интересуют два узла – усилитель ошибки 1 и усилитель ошибки 2. На первом собран стабилизатор напряжения, на втором – контроллер тока. То есть нас интересует обвязка выводов 1, 2, 3, 4, 13, 14, 15, 16.

Изменим схему обвязки таким образом, чтобы усилитель ошибки 1 отвечал за регулировку выходного напряжения, а усилитель 2 – за регулировку тока. В первую очередь перережем дорожки, обозначенные на приведенной ниже схеме крестиками.

Теперь находим резисторы R17 и R18. Первый имеет сопротивление 2.15 кОм, второй 27 кОм. Меняем их на номиналы 1.2 кОм и 47 кОм соответственно. Добавляем в схему два переменных резистора, один постоянный на 10 кОм (отмечены зеленым), клеммы для подключения внешнего потребителя, амперметр и вольтметр. В результате у нас получится вот такая схема.

Как видно из схемы, резистор на 22 кОм позволяет плавно регулировать напряжение в пределах 3-24 В, резистор 330 Ом – ток от 0 до 8 А. Кл1 и КЛ2 служат для подключения нагрузки. Вольтметр имеет предел измерения 25-30 В, амперметр – 10 А. Приборы могут быть как стрелочными, так и с цифровыми шкалами, главное, малогабаритными – ведь они должны войти в корпус блока питания. Можно начинать проверку и градуировку.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Первое включение нашего лабораторного блока питания производим через лампу накаливания 220 В мощностью 60 Вт. Это поможет избежать проблем, если мы наделали ошибок в монтаже. Если лампа не светится или светится вполнакала, а блок питания запустился, то все в порядке. Если лампа горит в полный накал, а блок питания молчит, то придется искать ошибки.

Все в порядке? Включаем БП напрямую в сеть, выводим движки резисторов в нижнее по схеме положение. К клеммам КЛ1, Кл2 подключаем нагрузку – 2 лампы дальнего света, включенные последовательно. Вращаем резистор регулировки напряжения и убеждаемся по встроенному вольтметру, что напряжение плавно изменяется от 3 до 24 вольт. Для верности подключаем к клеммам контрольный вольтметр, к примеру, тестер. Градуируем ручку регулятора напряжения, ориентируясь по показаниям приборов.

Возвращаем движок в нижнее по схеме положение, выключаем блок питания, а лампы соединяем параллельно. Включаем блок питания, устанавливаем регулятор тока в среднее положение, а регулятор напряжения – на отметку 12 В. Вращаем ручку регулятора тока. При этом показания амперметра должны плавно изменяться от 0 до 8 А, а лампы – плавно менять яркость. Градуируем регулятор тока, ориентируясь по показаниям амперметра.

Отключаем устройство и собираем его. Наш лабораторный блок питания готов. С его помощью мы можем получить любое напряжение от 3 до 24 вольт и устанавливать ограничение тока через нагрузку в пределах 0-10 А.

⇡#Дежурное питание +5VSB

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).