HP MT601. Выбор корпуса теперь не проблема:) 2

Продолжение. Начало в КГ №2.

Блок питания
Сейчас, наверное, каждый уже знает, что на блоке питания экономить нельзя. В то же время, многие недоумевают, зачем менять свой блок питания на более дорогой (фактор качества, как правило, не учитывается), когда славный Codegen их устраивает на все 100%. Один мой приятель с досадой поведал, что за корпус (c блоком питания) пришлось отдать аж целых $35. Я не буду рассказывать по пунктам, каким должен быть правильный блок питания. Но по мере прочтения нескольких последующих глав у вас будет постепенно вырисовываться определенная картинка.
На одном из сайтов в Интернет наткнулся на табличку определения качества БП по их весу. Так что при походе в магазин за новым БП не забудьте прихватить с собой безмен.



А сейчас рассмотрим основные составляющие БП в порядке их следования. К сожалению, компоновка моего БП не позволяет использовать его в качестве наглядного пособия. Поэтому ограничусь устным описанием. Но не расстраивайтесь: совсем без картинок я вас не оставлю.

Принцип действия (ликбез!)
Если вы в достаточной степени осведомлены о принципах построения импульсных блоков питания и уверены, что ничего нового для вас здесь я не скажу, можете с чистым сердцем переходить к п. 3.2 — собственно обзору БП.

Входной фильтр

Прежде, чем мы познакомимся с входным фильтром, необходимо уяснить для себя два понятия: дроссель и конденсатор. Их хорошо видно на рисунке. Дроссель представляет собой катушку индуктивности. Его можно легко узнать: он выглядит как кольцо, обмотанное медной проволокой. Останавливаться на индуктивности я здесь не буду, иначе мне придется заодно изложить и приличный кусок из курса физики. Дроссели служат для пропускания постоянного тока (или тока низкой частоты) и задержки тока высокой частоты. Это значит, что току высокой частоты дроссель оказывает существенно большее сопротивление, нежели постоянному. Скажем, на частоте 1 КГц индуктивное сопротивление дросселя составляет 6 Ом, а на частоте 1 МГц — уже 60 КОм. Конденсатор можно представить в виде некоего резервуара с водой. Когда внешнее напряжение больше внутреннего, конденсатор начинает запасать энергию. При падении напряжения конденсатор отдает ток в нагрузку. Чем больше емкость конденсатора, тем лучше его фильтрующая способность. Емкость конденсатора измеряется в мкФ (микрофарадах, микро = 10-6), нФ (нанофарадах, нано = 10-9) или даже пФ (пикофарадах, пико = 10-12). Все БП, которые я видел, в обязательном порядке имели электролитические конденсаторы. Их отличает относительно малый размер и высокая емкость. Теперь о собственно входном фильтре. Входной фильтр защищает блок питания от высокочастотных помех из сети, и наоборот: не пропускает помехи, создаваемые БП, обратно в сеть. Кто-то может подумать: "Ха, буду я еще за других голову ломать"! Самое забавное — помехи, создаваемые конкретным БП, к нему же самому и возвращаются в виде помех дифференциальных и синфазных. Синфазные помехи можно описать как помехи между проводом и землей, дифференциальные — как помехи между двумя проводами, ток в которых течет в противоположных направлениях. С последним типом помех достаточно успешно борется дроссель в паре с конденсатором. С синфазными помехами несколько сложней. Отдельно выделенный под это дело дроссель уже не может в полной мере с ними справиться. Но безвыходных ситуаций, как известно, не бывает. НЧ-диапазон подавляется заземлением, а ВЧ — с помощью ферритовых колец, на которые наматывают провода, как в дросселе. По мнению многих производителей БП, входной фильтр является вовсе не обязательным, поэтому вполне возможно, что, вскрыв свой блок питания, вы увидите лишь перемычки вместо положенных дросселей и конденсаторов. Что ж, случай не смертельный, но это уже косвенно говорит об отношении изготовителя к своей продукции. Далее ток поступает на выпрямитель.

Выпрямитель
Несмотря на то, что в электрической сети течет переменный ток, для питания компьютера необходим именно постоянный ток. Чтобы понять схему выпрямления, необходимо получить понятие о переменном токе. Переменный ток, в отличие от постоянного, меняет свое направление, а также величину. Эти изменения происходят не хаотично, а циклически определенное количество раз в секунду. График зависимости U (напряжения) от t (времени) показан на рисунке. Такая кривая называется синусоидой, а закон, по которому изменяется значение напряжения, — синусоидальным. На том же рисунке я выделил фоном один период и обозначил цифрами два полупериода. Период — это время, в течение которого происходит полное изменение тока. В сети нашей страны частота изменения тока составляет 50 Гц, т.е. 50 раз в секунду происходит полное изменение тока. Каждый период можно разделить на два полупериода.









В современных выпрямителях для выпрямления тока используются диоды. Диод обладает односторонней проводимостью. Т.е., когда ток течет в одном направлении, сопротивление диода мало, а когда ток течет в обратном направлении, сопротивление диода резко возрастает, и один полупериод отсекается. В результате получим картинку, как на следующем рисунке. Таким образом, мы получаем пульсирующий ток — постоянный по направлению, но переменный по значению. Однако возможно использование и обоих полупериодов. Для этого в схему включают два диода. При этом второй полупериод "переворачивается", и мы получаем пульсирующий ток с удвоенной частотой пульсаций (см. рис.). На практике же применяют т.н. диодный мост, который состоит из четырех диодов и на схемах изображается как квадрат, опирающийся на вершину, на сторонах которого расположены диоды. Далее на рисунке изображен график зависимости напряжения от времени для прямого тока. Это идеальный случай — отсутствуют всякого рода пульсации. Именно к такой форме тока стремятся добросовестные производители. Продукты же остальных полностью оправдывают название _импульсный_ блок питания, т.к. на выходе этих поделок о прямом токе не может быть и речи — его график имеет форму зубьев пилы. Самое главное — напряжение тока после выпрямления становится уже не 220 В, а 310 В. Т.е. 220 В — это среднеквадратичное значение (220 В = 310 В/Ц2). "Настоящие" ватты тем и отличаются от пиковых, что являются среднеквадратичным значением (для этого используется аббревиатура RMS — Root Mean Squared). Смотрите, как легко я сейчас получу из действительной мощности пиковую: 250 Вт * Ц2 = 350 Вт. Следом за выпрямителем идут сглаживающие конденсаторы. Чаще всего их два. Найти их проще простого: это самые большие конденсаторы во всем блоке питания, и расположены они с левого края (если перевернуть БП и смотреть со стороны вентилятора). Чем больше емкость конденсаторов, тем лучше стабилизация напряжения. В последнее время в качественных блоках питания все чаще между диодной сборкой и сглаживающими конденсаторами встраивают PFC (см. п. 3.1.4). Остальные компоненты БП тесно связаны между собой, поэтому рассматривать их отдельно нецелесообразно, да и затруднительно.

Стабилизация выходного напряжения
Со сглаживающих конденсаторов напряжение поступает на ключ, который в большинстве случаев представлен двумя транзисторами. Идея здесь заключается в том, что, регулируя частоту открывания/закрывания ключа, мы тем самым регулируем среднее значение напряжения, поступающее на трансформатор. Однако в настоящее время такая схема уступила место другой — более оптимальной. Теперь ключ работает с одинаковой частотой, но изменяется ширина сигнала. Таким образом, за один такт регулируется объем поступающей на трансформатор энергии. Автолюбители, которые хоть раз в жизни снимали карбюратор (если им посчастливилось иметь дело с карбюраторным двигателем), поймут следующую аналогию наиболее полно. В нижней части карбюратора расположена дроссельная заслонка (или две, если карбюратор двухкамерный). Нажимая на педаль газа, мы регулируем подачу горючей смеси. Так вот. В первом случае объем смеси, поступающей во входной коллектор, регулируется частотой открывания заслонки, а во втором случае частота открывания одинакова, зато заслонка открывается то больше, то меньше. Большинство блоков питания выполнены по двухтактной схеме (отличились разве что Zalman — их блоки однотактные — там, правда, не без FSP обошлось, но это нам сейчас не важно). При этом силовые транзисторы регулируют ток на первичной обмотке трансформатора. При подаче тока на первичную обмотку наводится ЭДС самоиндукции на остальных обмотках трансформатора. Ключ управляется ШИМ (широтно-импульсным модулятором) через согласующий трансформатор, и частота работы ключа сравнима с частотой работы микросхемы ШИМ — около 60 КГц. Здесь нам никуда не деться без понятия обратной связи, но об этом чуть позже. После трансформатора напряжение нужно снова выпрямлять. Для этого используются, как и на входе, опять-таки, диоды. В качественном блоке питания номинал диодов должен быть как минимум не меньше тех токов, которые указаны на этикетке, приклеенной к крышке. К сожалению, и здесь нас может ожидать подстава. Самоделкины возьмут да распаяют диоды с заведомо меньшим номиналом. Поэтому, если от такого БП потребовать те токи, которые заявлены на этикетке, радиаторы начнут ощутимо греться (к ним прикреплены те самые диоды), и в результате бедный питатель выходит из строя. Так мало того, что диоды меньшего номинала, в подобных БП просто невозможно найти хороший радиатор: как правило, используется 1-2 мм алюминиевый лист, который не может выполнять роль приличного радиатора, хоть золотом его покрой. Чтобы хорошо отводить тепло, радиатор должен иметь достаточную теплоемкость (этим достигается одинаковая температура как у основания радиатора, так и у его вершины), а значит, и толщину, т.е. около 4 мм.

Блок питания выдает напряжения +3.3 V, +5 V, +12 V, -5 V, -12 V, а также 5 VSB (stand by). Добросовестный БП, прежде чем отдать ток в нагрузку, должен предварительно отфильтровать его от помех (они на этот раз создаются ШИМ). Для этого, как и во входном фильтре, используются дроссели на пару с конденсаторами. Вообще говоря, хорошо бы было на каждый канал повесить по стабилизатору. Но в целях экономии используют только два импульсных стабилизатора. Один из них, маломощный, приходится на +5 VSB. Второй обеспечивает стабилизацию +3.3 V, + 5 V и + 12 V. Канал +5 VSB используется в блоках питания ATX для реализации возможности софтового вкл./выкл., пробуждения от клавиатуры и пр. Нагрузка по каналам может быть различной и зависит как от режима работы, так и от энергопотребления конкретной конфигурации. Однако БП должен всегда обеспечивать одинаковый уровень выходных напряжений. Для этого на помощь приходит обратная связь. Представьте себе змею, поймавшую свой собственный хвост. Теперь, если она сожмет челюсти, то будет всегда в курсе, какую силу приложила. Точно так же и БП контролирует значения на выходе. Обратную связь можно брать с одного из каналов — например, + 5 V. Но тогда + 5 V будет идеальным, чего нельзя сказать об остальных каналах. Поэтому обратную связь обычно берут по двум каналам: + 5 V и + 12 V. В результате ни одно из напряжений у нас не будет идеальным, но все они будут находиться в допустимых рамках. Как происходит сам процесс? С помощью компаратора сравнивается опорное значение напряжения и текущее. Сигнал рассогласования поступает на ШИМ, который, в свою очередь, регулирует работу ключа — изменяет время нахождения транзистора в открытом и закрытом состоянии. Это приводит к изменению напряжения на выходе трансформатора. Схему действий здесь можно понять, представив пружинные весы на две чашки. Пусть левая чаша — это +5 V, а правая чаша — +12 V. Если на левую чашу положить слишком большой груз, то она сильно опустится. Тогда мы поджимаем пружину, и _обе_ чаши поднимутся. Если блок питания при сильно просевшей шине +5 V будет стараться вывести ее до номинала, он, несомненно, задерет шину +12 V до заоблачных высот. Поэтому здесь идут на хитрость. На выходе все напряжения проходят через дроссель групповой стабилизации, где для каждого канала намотана своя обмотка. И если, скажем, напряжение +5 V увеличивается, то на обмотки остальных каналов передается отрицательное напряжение, вследствие чего изменение не такое явное. Другими словами, вместе с подтягиванием пружины на противоположную чашу дополнительно кладут еще и гирьку — так, чтобы правая чаша сильно не поднималась. Добротный БП не оставит в стороне и +3.3 V. Этот канал обычно снабжают дополнительным стабилизатором, построенным на дросселе. +3.3 V получают из +5 V за счет потерь в этом дросселе. Лазейку нашли и здесь. Обходятся вообще без стабилизатора для +3.3 V, заводя на трансформаторе отдельную обмотку — выходное напряжение снимается прямо с нее. Как это сказывается на качестве названного канала, сами понимаете. На отрицательные напряжения инженеры обращают все меньше внимания. Никаких стабилизаторов вы здесь не увидите (в большинстве случаев). И даже более того. Некоторые БП вообще не выдают -5 V. И правильно, надо сказать, делают: ток по этому каналу вообще нигде не используется. Канал же -12 V используется для питания COM-порта.

PFC
PFC расшифровывается как Power Factor Corrector, т.е. корректор коэффициента мощности. Чтобы представить себе, что такое коэффициент мощности, давайте обратимся к примеру. Почти все наверняка видели либо вживую, либо по телевизору виндсерф (катамаран, тримаран, яхта тоже сгодятся), поэтому, думаю, пример будет понятен. Движителем для виндсерфа является его парус. Он имеет свойство вращаться вокруг своей оси (точнее, вращается не сам парус, а мачта). Зачем? Все потому, что ветер не всегда дует нам в спину — в том направлении, куда мы хотим двигаться. Поворачивая парус по ветру, мы тем самым добиваемся желаемого движения по выбранному курсу путем потери некоторого количества энергии ветра. Другими словами, при таком положении вещей на доску отдается не вся мощность ветра, которая могла бы быть приложена. Таким образом, мощность силы ветра — это т.н. полная мощность, а мощность, переданная на доску, — это активная мощность. Существует и такое понятие, как реактивная мощность, т.е. та, которая не совершает никакого полезного действия и в случае с ветром просто кренит доску в сторону. Коэффициент мощности — это как раз отношение между активной мощностью и полной. В идеальном случае, когда и ток, и напряжение имеют синусоидальную форму, можно говорить о совпадении PF и cos A — мера, показывающая, какая доля тока, протекающая по проводам, совершает полезную работу. В любом другом случае правильнее вести речь именно о PF. Если в момент, когда дует южный ветер, а нам надо идти на восток, вывернуть парус перпендикулярно движению ветра, можно при достаточной силе последнего запросто перевернуться. Все потому, что cos 90° = 0, а значит, и КПД нашего паруса равен нулю, а следовательно, отсутствует и активная мощность, которая вся переходит в мощность реактивную. PF, естественно, также равен нулю.



Теперь нам будет легко разобраться и с различием между ВА (вольт-ампер) и Вт (ватт). По аналогии с предыдущим примером мощность ветра (полная мощность) измерялась бы в ВА, а мощность, приложенная к доске (активная мощность), — в Вт. Реактивная мощность в свою очередь измеряется в ВАР — вольт-амперах реактивных. За активную используемую мощность мы платим государству. Реактивная мощность уходит обратно в электрическую розетку, не принося никакой пользы и лишь нагружая трансформатор. Самое обидное в этой истории то, что выходная мощность бесперебойных источников питания измеряется как раз таки в ВА, поэтому, если ваш блок питания не оснащен PFC, то полная мощность компьютера может ощутимо возрасти. PFC бывают активными и пассивными. Существуют и блоки питания совсем без PFC. Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что БП без PFC будут в этой троице полными аутсайдерами, однако здесь не все так однозначно. Явными лидерами, бесспорно, являются системы с активным PFC. При удачной конструкции им удается достичь PF = 0.99. Правда, выходят они на такой режим не сразу, а лишь после определенной пороговой мощности. В принципе, с вашего позволения сравню его с опытным серфингистом, который сам крутит мачту в зависимости от изменения направления и силы ветра (ветер в данном случае есть не что иное, как модель сети переменного тока, в которой ток изменяет свое направление и напряжение 50 раз в секунду). У Active PFC есть и еще одно положительное качество — он приближает форму тока к резистивной нагрузке, т.е. ток потребляется не импульсно, а пропорционален приложенному напряжению (т.е. имеет форму синусоиды и cos A = 1). Он также снижает требования к емкости сглаживающих конденсаторов (или конденсатора, если он один — как в однотактной схеме). Узнать о том, что блок питания оснащен активным PFC, проще простого. Обычно где-нибудь сбоку возле сглаживающих конденсаторов располагают небольшую платку. Она-то и управляет логикой корректора коэффициента мощности. А вот определить лидера среди БП с пассивным PFC и БП без оного уже не так просто. Фактически пассивный PFC представляет собой ВЧ катушку индуктивности — дроссель. Хороший пассивный PFC должен обладать достаточной индуктивностью, а значит, должен быть большим. Некоторые производители ставят миниатюрный дроссель, именуемый ими Passive PFC, так сказать, для галочки. В действительности он может только ухудшить характеристики БП: при кратковременном пропадании питания (а это происходит, например, в момент включения стиральной машины или холодильника) напряжение на выходе падает на большую величину по сравнению с БП без PFC. Также при проектировании схем с пассивным PFC разработчики сталкиваются с проблемой выброса напряжения при включении БП: это происходит из-за того, что в дросселе накапливается чрезмерно большая энергия при заряде сглаживающего конденсатора. Для борьбы с этим явлением при включении БП в сеть параллельно дросселю подключают резистор, который через некоторое время закорачивается. Подобное поведение дросселя (выбросы напряжения) наблюдается и во время работы после кратковременного пропадания напряжения. Но если при старте бороться с этим эффектом удается более-менее успешно, то вот уже в процессе работы что-то сделать оказывается затруднительным. И все же качественно реализованный пассивный PFC не так уж плох. Во-первых, и это самое важное, ощутимо снижаются пульсации на выходе. Во-вторых, что не менее важно, провалы при пропадании напряжения менее ощутимы, и они плавные, что позволяет электронике БП успешно с ними бороться — подключенные к БП устройства ничего не заметят. Коэффициент мощности, конечно, не такой впечатляющий, как у Active PFC, — где-то в пределах 0.7-0.75.

БП LiteOn PS-5350-3HB1
Если вы внимательно читали предыдущую часть, то уже наверняка знаете, как должен выглядеть качественный БП. Сейчас посмотрим, что же собой представляет блок LiteOn, и насколько он близок к идеалу.
Итак, первым негласным параметром является вес блока питания. Вес не подкачал — около 2-х кг. Здесь, как и во всем корпусе, нас встречает 1 мм сталь. БП снабжен приличным количеством вентиляционных отверстий, которые, однако, перекрыты диэлектрической пленкой — прямо как в Zalman. Поначалу смысл ее использования был не совсем ясен. Вроде бы через вентиляционные отверстия должен циркулировать воздух, а этот поток взяли и перекрыли. Но со временем все встало на свои места.

 

 

Эту статью я писал поэтапно около трех месяцев. В квартире шел ремонт, и компьютер работал в весьма запыленной атмосфере. Внутри все комплектующие покрылись слоем строительной пыли. И тогда я решил снова вскрыть БП. Для этого я открутил 9 винтов, некоторые из которых посажены на шайбы Гровера, а остальные прижимаются к радиаторам через пластиковые дистанцеры. Открыв крышку, я был приятно удивлен. Пленка оказалась в пыли, но внутри все было чисто. Нет, конечно, пыль попала и сюда, но снималась она легким дуновением, а вот, к примеру, с видеокарты ее так просто удалить не удалось. Я вовсе не утверждаю, что пленка здесь именно для этого, но все же моя догадка похожа на правду, особенно учитывая тот факт, что пыль при достаточном скоплении также проводит электрический ток, вызывая нежелательные эффекты.
Скажем, однажды изображение на моем телевизоре стало красным. Недолго думая, открыл заднюю крышку и выдул всю пыль пылесосом (лучше именно выдувать — современные пылесосы вроде как не обладают такой полезной фичей — во всяком случае, не все). После этого картинка снова стала нормальной.
Было бы несправедливым не упомянуть, что на 20-контактном разъеме питания (тот, что подключается к материнской плате) используются провода сечением 16 AWG (один, правда, попался сечением 20 AWG, но это так и должно быть по задумке), а все MOLEX снабжены проводами сечением 18 AWG (чем больше цифра, тем меньше сечение). Всего MOLEX'ов 6, и разведены они на две линии (длина проводов приемлемая, но один из разъемов не смог дотянуться до DVD-RW, расположенного в верхнем отсеке).
Присутствуют также разъем для FDD, 4-контактный разъем ATX 12 V, 4-контактный разъем, использующийся в серверах, а также 3-контактный разъем для подключения вентилятора БП. Вентилятор в блоке питания вращается и без подключения этого разъема.
 

 

При этом он выбирает свою скорость, основываясь на показаниях термодатчика, прилепленного к радиатору. Если же подключить этот разъем к материнской плате, то вентилятор будет неизменно вращаться на своей максимальной скорости. Но практически первое, что поражает, — почти полное отсутствие в БП свободного места.
Большие Г-образные радиаторы (см. рис.) толщиной 4 мм перфорированы в верхней части. Вкупе с огромным количеством распаянных элементов они делают из этого БП никудышное наглядное пособие — даже разглядеть что-либо очень сложно, а уж тем более просунуть объектив фотоаппарата и верно сфокусировать. Тем не менее, если вам все же удастся что-то увидеть, это может послужить хорошим примером того, к чему надо стремиться. Входной фильтр точь-в-точь как доктор прописал: один конденсатор распаян прямо на проводе питания, также в наличии два дросселя плюс шесть конденсаторов. Плата крепится к корпусу через полиуретановые шайбы. Без заземления, естественно, не обошлось. А сам провод намотан на ферритовое кольцо (см. рис.) во избежание синфазных помех (это мы с вами уже проходили). Провод питания также намотан на ферритовое кольцо, которое убрано в кембрик (см. рис.). Все провода стянуты пластиковыми хомутами и продеты в дополнительные кембрики, с тем чтобы избежать случайного контакта (см. рис.). Аккуратная пайка, отчетливые надписи на плате создают впечатление добротности изделия.
Кстати, о надписях. Рассматривая БП с разных сторон, я наткнулся на строчку "BesTec ATX 250", что говорит нам о том, что мощность данного блока составляет 250 Вт, что является действительной мощностью (и это выступает в качестве доказательства голословного утверждения в начале статьи).
После двух диодных сборок (на рис.), соединенных параллельно, следуют сглаживающие конденсаторы, которые имеют емкость 680 мкФ каждый и рабочее напряжение 250 В. В месте крепления ножек и проводов к плате используется электроизоляционный клей.

Присутствует и PFC в пассивном исполнении. Если коэффициент мощности он кардинальным образом не увеличивает, то вот пульсации снижает — это точно. Дроссель крепится на отдельную металлическую планку, т.к. на плату он уже не помещается — мешает входной фильтр. Ключевые транзисторы и диоды соединены с радиаторами через слой термопласты (это хорошо видно на рисунке на заднем плане), что способствует хорошей теплоотдаче (ну прямо как с процессорами, только здесь число таких транзисторов доходит до десятков миллионов).
Самое главное — то, что диоды рассчитаны на гораздо большие нагрузки, чем указано на этикетке. Это только добавляет запаса по прочности. Трансформатор приличных размеров (до 4 см в высоту) расположен между двумя радиаторами и прикрыт еще одним радиатором поменьше. Увидеть его сверху или сбоку не представляется возможным — только частично спереди. С другой стороны от радиатора разместился выходной фильтр. Это два больших дросселя плюс несколько вспомогательных.
Дроссели намотаны очень аккуратно — равномерно, как на картинке. Из-за плотности расположения мне удалось рассмотреть номинал только одного конденсатора выходного фильтра из шести — 1000 мкФ * 16 В. Отсутствие резинового кольца (см. рис.) вовсе не стоит расценивать как результат экономии производителя.
Поверьте: если он не сэкономил на ферритовом кольце для провода заземления, то экономить на пластиковом уплотнителе по меньшей мере глупо. Просто кромки в этом месте, как и во всем корпусе, завальцованы, что сводит возможность протирания (прорезания) изоляции к нулю.
Что ж, перед нами образец очень добротного изделия. Производитель явно не поскупился на элементную базу для своего детища. БП LiteOn 350 Вт может служить примером для подражания. Подтверждение моим словам вы найдете позже.

Продолжение следует.

2004, Алексей Нестеров, eisernWolf@tut.by