Программирование и софт, все о компьютерах и windows - аналитический форум

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

Принципы работы и назначение блоков питания

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

Итак, разберём каждый канал блока притания по отдельности.

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

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

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

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

Подробнее о сигнале Power_Good

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

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

Вопрос о питании (мощности) и их параметрах

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

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

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

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

Импульсный блок питания, принцип его работы

Напряжение подаётся на выпрямитель тока. Теперь уже имеем 200В и никаких Гц. Уже постоянное напряжение подаётся на транзисторы. Как известно, транзистор это как реле, самая главная его функция - возможность контролировать маленьким током большой. Т.е. большой ток, проходящий через транзистор, будет одинаков с маленьким, который проходит по транзистору как "задающий" ток. Маленький же ток выходит из генератора частоты, формирующий квадратный сигнал частотой в (примерно) 400Кгц (400 000 Гц).

Вся эта "байда" проходит через множество компонентов, как маленькие трансформаторы (они нужны для генератора тока и логической части блока питания) и выходит на трансформатор, но трансформатор не обычный, который склеен из "Е" и "I", а тороидальный (кругленький такой). Этот трансформатор, может позволить себе быть маленьким по одной простой причине: ток, проходящий через него, высокой частоты (400Кгц). Известно, что ток, преобразованный в более чем 100Кгц, имеет свойство "выходить с центра проводника", т.е. он уже течет только по поверхности проводника и с очень большой легкостью "отделятся" от него, и переходит на другой. Как вы, наверное, замечали, телефонные провода стальные с медным покрытием, "это же целый резистор" - скажете вы, но нет! Ток в телефонных проводах передается с высокой частотой, и течет только по поверхности. Таким образом, провод дешевый и не хуже полностью медного.

Ток преобразуется в нужное напряжение и подаётся на транзисторы и ДД (два диода, поставленных навстречу друг к другу) которые являются "клапанами". Как это происходит: пара транзисторов, контролируемых "умным" чипом, подают напряжение на эти диоды, на каждый диод - по транзистору. На выходе у блока питания, есть конденсаторы, которые являются "бочками накопителями", эти диоды "открываются" друг за другом (никогда вместе, а если вместе, то писец блоку) и дают "удар" напряжения на конденсатор. Умный чип, в это время измеряет выходные напряжения и задаёт частоту, с которой должны они открываться и наполнять конденсатор. Хоть и трудно поверить, но блок питания работает в тот момент, когда у него нет питания - т.е. он постоянно "высасывает" с конденсатора на выходе...

Как вы уже наверное заметили, эта система очень сложная и "хрупкая"... На конденсаторе постоянно "скачет" напряжение, т.к. допустим 12В получается страшным методом "долбать" по конденсаторам более высоким напряжением и ждать пока оно не упадёт... Т.к. туда идёт не постоянный ток, в конденсаторе постоянно скачет напряжение, т.е. с 13 до 11 вольт, например... Но это случай "нормального блока питания". В основном, можно заметить скачки и до 2-х вольт (с 10 до 14) что не просто недопустимо, а как удар серпом по всем компонентам компьютера!

А теперь ответ на вопрос "нельзя ли для стабилизации поставить конденсаторы на входе к жесткому диску и т.д.?". Ответ: НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ! Если повесить конденсаторы на входе, это будет равно тому, что поставить их в параллели (это так и будет), а запараллеленые конденсаторы имеют общую ёмкость, которая вычисляется по формуле (C1хC2)/(C1+C2). Емкость получится другая. Если же ёмкость у вас больше, получится следующее: во время "открытия" одного из диодов, чип будет следить за наполнением конденсатора, который по имению большей ёмкости чем задали на фабрике почему то не наполняется, и придёт очередь открыться другому, а если они оба открылись, я уже говорил что будет :). Если же всё таки ёмкость не на много больше чем заданная, то диоды просто перегреются...

Немного данных о диодах: например диоды которые стоят на выпрямителях тока, мощные, но они медленные. У диодов и транзисторов есть скорость открытия и закрытия при определённом проходящем токе, т.е. диоды работающие на более чем 20А и при этом должны открываться и закрываться с большой частотой. Они очень сложные и дорогие, в первую очередь они стойкие на температуру... Часто, дешевые блоки питания имеют два диода "жестко спаянных" друг с другом и подвешенные на алюминиевый радиатор. Это значит, что тепло они могут отдавать только по лапкам, толщиной в 2мм. Эти бедолаги зашкаливают за максимальную температуру и начинают "пахнуть", а часто не сразу сгорают, а ещё и "уносят с собой в могилу абсолютно всё", т.к. могут остаться открытыми и наполнить конденсатор внештатными напряжениями, которые убьют наш компьютер...

Это всё печально, но это одна из многих причин "горения блоков питания"... В дорогих блоках питания, эти диоды залиты в силиконовый корпус, который сам теплопроводный, а диоды (полупроводниковое соединение) монтированы на металлическую пластину, которая опирается на теплопроводную резинку и всё это прикреплено к радиатору. Такие блоки практически никогда не горят от перегрева диодов, т.к. помимо этого, эти диоды ИДЕНТИЧНЫ по всем характеристикам, а "спаянные" могут и отличатся, создавая таким образом дополнительную нагрузку на самих себя и на их транзисторы контроллеры...

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

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

Немного критериев, которые нужно знать при выборе блока питания

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

Ремонт блоков питания

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