Компьютерный блок питания

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Компьютерный блок питания (или, сокращенно, блок питания, БП)вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией постоянного тока, путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений.

Также, в состав компьютера могут входить блоки преобразования уровня напряжения следующей ступени — третичные блоки питания и т.д. Примером таких преобразователей могут служить модуль питания центральных процессоров (в том числе, модернизируемых), графических процессоров, а также устройства требующие повышения напряжения или изменения характеристик тока - переменного, с изменением фазы.

Модуль третичного питания центрального процессора, частично закрыт радиаторами охлаждения
Модуль-переходник для установки процессора 80486DX4 с преобразователем напряжения в 3,3 вольта из 5

В некоторой степени блок питания также выполняет функции стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения. Как компонент занимающий значительную часть внутри корпуса компьютера, несет в своём составе (либо монтируемые на корпусе БП) компоненты охлаждения частей внутри корпуса компьютера.

Описание[править | править вики-текст]

Если брать, в качестве примера, блок питания для настольного компьютера персонального стандарта PC, то согласно спецификации разных лет должен обеспечивать выходные напряжения ±5 / ±12 / +3,3 Вольт а также +3,3 и +5 Вольт дежурного режима.

  • Основными силовыми цепями компьютеров периодически являлись линии напряжения +3,3, +5 и +12 В. Традиционно, чем выше напряжение в линии, тем большая мощность передается по данным цепям.
  • Отрицательные напряжения питания (−5 и −12 В) допускали небольшие токи и в современных материнских платах в настоящее время не используются.
    • Напряжение −5 В использовалось только интерфейсом ISA материнских плат. Для обеспечения −5 В постоянного тока в ATX и ATX12V версии до 1.2 использовался контакт 20 и белый провод. Это напряжение (а также контакт и провод) не является обязательным уже в версии 1.2 и полностью отсутствует в версиях 1.3 и старше.
    • Напряжение −12 В необходимо лишь для полной реализации стандарта последовательного интерфейса RS-232 с использованием микросхем без встроенного инвертора и умножителя напряжения, поэтому также часто отсутствует.
  • Напряжение +12 В используется для питания наиболее мощных потребителей. Разделение питающих напряжений на 12 и 5 Вольт целесообразно, как для снижения токов по печатным проводникам плат, так и для снижения потерь энергии на выходных выпрямительных диодах блока питания.
  • Напряжения ±5, +12, +3,3 В дежурного режима используются материнской платой.
  • Для жёстких дисков, оптических приводов, вентиляторов используются напряжения +5 и +12 В.
  • Наиболее мощные потребители энергии (такие, как видеокарта, центральный процессор, северный мост) подключаются через размещенные на материнской плате или на видеокарте вторичные преобразователи с питанием от цепей как +5 В, так и +12 В.
  • Напряжение +3,3 В в блоке питания формируется из напряжения +5 В, а потому существует ограничение суммарной потребляемой мощности по ±5 и +3,3 В.
  • Напряжение на модулях памяти имеет стойкую тенденцию к уменьшению и для DDR4 SDRAM снизилось до 1,2 Вольта.

В большинстве случаев, для компьютера в рассматриваемом примере, используется импульсный блок питания, выполненный по полумостовой (двухтактной) схеме. Блоки питания с накапливающими энергию трансформаторами (обратноходовая схема) естественно ограничены по мощности габаритами трансформатора и потому применяются значительно реже. Гораздо чаще встречается схема прямоходового однотактного преобразователя, которая не так ограничена по массо-габаритным показателям. При этом используются те же м/с, что и в обратноходовом преобразователе.

Устройство (схемотехника)[править | править вики-текст]

Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой: A — входной диодный выпрямитель, ниже виден входной фильтр; B — входные сглаживающие конденсаторы, правее виден радиатор высоковольтных транзисторов; C — импульсный трансформатор, правее виден радиатор низковольтных диодных выпрямителей; D — дроссель групповой стабилизации; E — конденсаторы выходного фильтра

Широко распространённая схема импульсного источника питания состоит из следующих частей:

Входные цепи
  • Входной фильтр, предотвращающий распространение импульсных помех в питающую сеть[1]. Также входной фильтр уменьшает бросок тока заряда электролитических конденсаторов при включении БП в сеть (это может привести к повреждению входного выпрямительного моста).
  • В качественных моделях — пассивный (в дешёвых) либо активный корректор мощности (PFC) снижающий нагрузку на питающую сеть.
  • Входной выпрямительный мост, преобразующий переменное напряжение в постоянное пульсирующее.
  • Конденсаторный фильтр, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения.
  • Отдельный маломощный блок питания, выдающий +5 В дежурного режима материнской платы и +12 В для питания микросхемы преобразователя самого ИБП. Обычно он выполнен в виде обратноходового преобразователя на дискретных элементах (либо с групповой стабилизацией вых. напряжений через оптрон плюс регулируемый стабилитрон TL431 в цепи ОС, либо линейными стабилизаторами 7805/7812 на выходе) или же (в топовых моделях) на микросхеме типа TOPSwitch.
Преобразователь
  • Полумостовой преобразователь на двух биполярных транзисторах
  • Схема управления преобразователем и защиты компьютера от превышения/снижения питающих напряжений, обычно на специализированной микросхеме (TL494, UC3844, KA5800, SG6105 и пр.).
  • Импульсный высокочастотный трансформатор, который служит для формирования необходимых номиналов напряжения, а также для гальванической развязки цепей (входных от выходных, а также, при необходимости, выходных друг от друга). Пиковые напряжения на выходе высокочастотного трансформатора пропорциональны входному питающему напряжению и значительно превышают требуемые выходные.
  • Цепи обратной связи, которые поддерживают стабильное напряжение на выходе блока питания.
  • Формирователь напряжения PG (Power Good, «напряжение в норме»), обычно на отдельном ОУ.
Выходные цепи
  • Выходные выпрямители. Положительные и отрицательные напряжения (5 и 12 В) используют одни и те же выходные обмотки трансформатора, с разным направлением включения диодов выпрямителя. Для снижения потерь, при большом потребляемом токе, в качестве выпрямителей используют диоды Шоттки, обладающие малым прямым падением напряжения.
  • Дроссель выходной групповой стабилизации. Дроссель сглаживает импульсы, накапливая энергию между импульсами с выходных выпрямителей. Вторая его функция — перераспределение энергии между цепями выходных напряжений. Так, если по какому-либо каналу увеличится потребляемый ток, что снизит напряжение в этой цепи, дроссель групповой стабилизации как трансформатор пропорционально снизит напряжение по другим выходным цепям. Цепь обратной связи обнаружит снижение напряжения на выходе и увеличит общую подачу энергии, что восстановит требуемые значения напряжений.
  • Выходные фильтрующие конденсаторы. Выходные конденсаторы, вместе с дросселем групповой стабилизации интегрируют импульсы, тем самым получая необходимые значения напряжений, которые, благодаря дросселю групповой стабилизации, значительно ниже напряжений с выхода трансформатора.
  • Один (на одну линию) или несколько (на несколько линий, обычно +5 и +3,3) нагрузочных резисторов 10-25 Ом, для обеспечения безопасной работы на холостом ходу.

Достоинства такого блока питания:

  • Простая и проверенная временем схемотехника с удовлетворительным качеством стабилизации выходных напряжений.
  • Высокий КПД (65—70 %). Основные потери приходятся на переходные процессы, которые длятся значительно меньшее время, чем устойчивое состояние.
  • Малые габариты и масса, обусловленные как малым выделением тепла на регулирующем элементе, так и малыми габаритами трансформатора, благодаря тому, что последний работает на высокой частоте.
  • Малая металлоёмкость, благодаря чему мощные импульсные источники питания стоят дешевле трансформаторных, несмотря на бо́льшую сложность.
  • Возможность подключения к сетям с широким диапазоном выбора напряжений и частот, или даже сетям постоянного тока. Благодаря этому возможна унификация техники, производимой для различных стран мира, а значит, и её удешевление при массовом производстве.

Недостатки полумостового блока питания на биполярных транзисторах:

  • При построении схем силовой электроники использование биполярных транзисторов в качестве ключевых элементов снижает общий КПД устройства[2]. Управление биполярными транзисторами требует значительных затрат энергии.
    Всё больше компьютерных блоков питания строится на более дорогих мощных MOSFET-транзисторах. Схемотехника таких компьютерных блоков питания реализована как в виде полумостовых схем, так и обратноходовых преобразователей. Для удовлетворения массогабаритных требований к компьютерному блоку питания в обратноходовых преобразователях используются значительно более высокие частоты преобразования (100—150 кГц).
  • Большое количество намоточных изделий, индивидуально разрабатываемых для каждого типа блоков питания. Такие изделия снижают технологичность изготовления БП.
  • Во многих случаях недостаточная стабилизация выходного напряжения по каналам. Дроссель групповой стабилизации не позволяет с высокой точностью обеспечивать значения напряжений во всех каналах. Более дорогие, а также мощные современные блоки питания формируют напряжения ±5 и 3,3 В с помощью вторичных преобразователей из канала 12 В.

Разъёмы БП / потребителей питания[править | править вики-текст]

AT[править | править вики-текст]

AT hauptplatine stromanschluss.jpg
Один из двух шестиконтактных разъёмов питания AT

Блок питания стандарта AT подключается к материнской плате двумя шестиконтактными разъёмами, включающимися в один 12-контактный разъём на материнской плате. К разъёмам от блока питания идут разноцветные провода, и правильным является подключение, когда контакты разъёмов с чёрными проводами сходятся в центре разъёма материнской платы. Цоколёвка AT-разъёма на материнской плате следующая:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
-
PG пустой +12V -12V общий общий общий общий -5V +5V +5V +5V


ATX[править | править вики-текст]

20-контактный разъём ATX (вид на материнскую плату)
У 24-контактного ATX разъёма, последние 4 контакта могут быть съёмными, для обеспечения совместимости с 20-контактным гнездом на материнской плате
Вилки шлейфов питания (из блока питания), без переходников и адаптеров
1) AMP 171822-4 мини-размера для питания 5 и 12 вольтами периферийного устройства (обычно, дисковод)
2) Molex обычного размера (molex 8981)
3) 5-контактные разъёмы MOLEX 88751 для питания устройства с интерфейсом SATA: корпус MOLEX 675820000 или эквивалентный с контактами Molex 675810000 или эквивалентными[3]
4) «PCIe8connector» для питания видеокарты, расщепляемый на «PCIe6connector» (для питания видеокарты)
5) «PCIe6connector» для питания видеокарты
6) «EPS12V» (англ. Entry-Level Power Supply Specification для питания процессора
7) «ATX PS 12V» («P4 power connector») для питания процессора
8) «ATX12V» основного питания материнской платы: MOLEX 39-01-2040 или эквивалентная с контактами Molex 44476-1112 (HCS) или эквивалентными
  • 20-контактный разъём основного питания +12V1DCV использовался с первыми материнскими платами форм-фактора ATX, до появления материнских плат с шиной PCI-Express.
  • 24-контактный разъём основного питания +12V1DC (вилка типа MOLEХ 24 Pin Molex Mini-Fit Jr. PN# 39-01-2240 (или эквивалентная) на стороне БП с контактами типа Molex 44476-1112 (HCS) (или эквивалентная); розетка ответной части на материнской плате типа Molex 44206-0007 (или эквивалентная)) создан для поддержки материнских плат с шиной PCI Express, потребляющей 75 Вт[4]. Большинство материнских плат, работающих на ATX12V 2.0, поддерживают также блоки питания ATX v1.x (4 контакта остаются незадействованными), для этого некоторые производители делают колодку новых четырёх контактов отстёгивающейся.
24-контактный разъём питания материнской платы ATX12V 2.x
(20-контактный не имеет последних четырёх: 11, 12, 23 и 24)
Цвет Сигнал Контакт Контакт Сигнал Цвет
Оранжевый +3.3 V 1 13 +3.3 V Оранжевый
+3.3 V sense Коричневый
Оранжевый +3.3 V 2 14 −12 V Синий
Чёрный Земля 3 15 Земля Чёрный
Красный +5 V 4 16 Power on Зелёный
Чёрный Земля 5 17 Земля Чёрный
Красный +5 V 6 18 Земля Чёрный
Чёрный Земля 7 19 Земля Чёрный
Серый Power good 8 20 −5 V Белый
Фиолетовый +5 VSB[5] 9 21 +5 V Красный
Жёлтый +12 V 10 22 +5 V Красный
Жёлтый +12 V 11 23 +5 V Красный
Оранжевый +3.3 V 12 24 Земля Чёрный
  • Три затененных контакты (8, 13 и 16) — сигналы управления, а не питания.
  • «Power On» подтягивается на резисторе до уровня +5 Вольт внутри блока питания, и должен быть низкого уровня для включения питания.
  • «Power good» держится на низком уровне, пока на других выходах ещё не сформировано напряжение требуемого уровня.
  • Провод «+3.3 V sense» используется для дистанционного зондирования[6].
Контакт 20 (и белый провод) используется для обеспечения −5 В постоянного тока в ATX и ATX12V версии до 1.2. Это напряжение не является обязательным уже в версии 1.2 и полностью отсутствует в версиях 1.3 и старше.
В 20-контактной версии правые контакты нумеруются с 11 по 20.
Провод +3.3 VDC оранжевого цвета и отводка +3.3 V sense коричневого цвета, подключенные к 13-му контакту, имеют толщину 18 AWG; все остальные — 22 AWG


Также на БП размещаются:

  • 4-контактный разъём «ATX12V» (именуемый также «P4 power connector») — вспомогательный разъём для питания процессора: вилка типа MOLEX 39-01-2040 или эквивалентная с контактами Molex 44476-1112 (HCS) или эквивалентными; розетка ответной части на материнской плате типа Molex 39-29-9042 или эквивалентная. Провод толщиной 18 AWG.
    В случае построения высокопотребляемой системы (свыше 700 Вт), расширяется до «EPS12V» (англ. Entry-Level Power Supply Specification) — 8-контактного вспомогательного разъёма для питания материнской платы и процессора 12 В,
  • 4-контактный разъём для дисковода с контактами AMP 171822-4 или эквивалентными. Провод толщиной 20 AWG.
  • 4-контактный разъём для питания периферийного устройства типа жёсткого диска или оптического накопителя с интерфейсом P-ATA: вилка типа MOLEХ 8981-04P или эквивалентная с контактами AMP 61314-1 или эквивалентными. Провод толщиной 18 AWG.
  • 5-контактные разъёмы MOLEX 88751 для подключения питания SATA-устройств состоит из корпуса типа MOLEX 675820000 или эквивалентного с контактами Molex 675810000 или эквивалентными[3].
  • 6- либо 8-контактные разъёмы для питания PCI Express x16 видеокарт.

В конце 2000-х годов для монтажа кабелей стал применяться модульный принцип, когда из корпуса БП выходит лишь основной 24(20+4)-контактный кабель и 4+4-контактный кабель питания EPS12V для материнской платы ATX12V/EPS12V, прочие же кабеля для периферии выполняются съёмными, на разъёмах.[7].

Стандарты массово выпускаемых БП[править | править вики-текст]

AT (устаревший)[править | править вики-текст]

В блоках питания у компьютеров форм-фактора AT выключатель питания разрывает силовую цепь и обычно вынесен на переднюю панель корпуса отдельными проводами; питание дежурного режима с соответствующими цепями отсутствует в принципе. Однако почти все материнские платы стандарта АТ+ATX имели выход управления блоком питания, а блоки питания, в то же время, вход, позволяющий материнской плате стандарта АТ управлять им (включать и выключать).


ATX (современный)[править | править вики-текст]

Выход Допуск Минимум Номинальное Максимум Единица измерения
+12V1DC[# 1] ±5 % +11,40 +12,00 +12,60 Вольт
+12V2DC[# 2] ±5 % +11,40 +12,00 +12,60 Вольт
+5 VDC ±5 % +4,75 +5,00 +5,25 Вольт
+3.3 VDC[# 3] ±5 % +3,14 +3,30 +3,47 Вольт
−12 VDC ±10 % −10,80 −12,00 −13,20 Вольт
+5 VSB ±5 % +4,75 +5,00 +5,25 Вольт
  1. На пиковой нагрузке +12 VDC, диапазон выходного напряжения +12 VDC может колебаться в пределах ± 10.
  2. Минимальное напряжение уровнем 11.0 VDC во время пиковой нагрузки по +12 V2DC.
  3. Выдержка в диапазоне требуется разъёму основного питания материнской платы и разъёму питания S-ATA.

Повышены требования к +5 VDС — теперь БП должен отдавать ток не менее 12 А (+3,3 VDC — 16,7 А соответственно, но при этом совокупная мощность не должная превысить 61 Вт) для типовой системы потребления мощностью 160 Вт. Выявился перекос выходной мощности: раньше основным был канал +5 В, теперь были продиктованы требования по максимальному току +12 В. Требования были обусловлены дальнейшим ростом мощности комплектующих (в основном, видеокарты), чьи требования не могли быть удовлетворены линиями +5 В из-за очень больших токов в этой линии.

Блоки питания ноутбуков[править | править вики-текст]

Универсальное зарядное к ноутбукам.
Gembird NPA-AC1-GS, 90 Вт

Блок питания для ноутбука (и прочих мобильных компьютеров) применяется как для зарядки его аккумуляторной батареи (АКБ), так и для обеспечения работы без аккумулятора. По типу исполнения БП ноутбука чаще всего представляет собой внешний блок. Ввиду того, что электрические характеристики различных моделей ноутбуков могут сильно различаться, на внешние блоки питания пока нет единого стандарта и их блоки питания, как правило, не взаимозаменяемы. Существует инициатива по стандартизации блоков питания для ноутбуков[1].

  1. Производители ноутбуков используют различные разъёмы питания, — их существует достаточно много типов, хотя широко распространённых всего несколько.
  2. Различаются питающие напряжения: обычно это 18,5 В или 19 В, хотя встречаются варианты с напряжением 15 или 16 В (в осн. субноутбуки); 19,5 В; 20 В или даже 24 В (iBook).
  3. Блоки питания отличаются максимальной выходной мощностью, выдавая ток 3,16 А (для старых типов); 3,42 A; 4,74 А; 6,3 А; 7,9 А, в зависимости от того, насколько мощный компьютер предполагается питать.

К замене блока питания ноутбука следует подходить с осторожностью (заменяющий должен иметь одинаковую полярность, разницу в питающем напряжении, не превышающую 0,5 В, и иметь достаточную мощность), — иначе это может привести к выходу ноутбуков из строя.

Выпускаются также универсальные блоки питания, рассчитанные на ноутбуки разных моделей и различных производителей. Такой БП имеет переключатель напряжения и набор сменных штекеров для подключения.

Images.png Внешние изображения
Чертеж БП FSP600-80GLN
Image-silk.png Сборочный чертеж БП FSP600-80GLN в формате PDF

Блоки питания для малогабаритных компьютеров[править | править вики-текст]

Появившиеся платы на чипсете Intel NM10 Express Chipset с впаянными процессорами семейства Atom (типа Intel BOXDN2800MT[2]) не имеют привычного для материнских плат персональных компьютеров 24-контактных разъемов, вместо этого плата запитывается через круглый разъём постоянным током (англ.) извне. Изменяя комплектацию компьютера, выстраиваемой на базе такой материнской платы, можно в широких пределах варьировать требуемым питанием.

Энергоффективность блока питания и КПД[править | править вики-текст]

КПД — «80 PLUS»[править | править вики-текст]

КПД «типового» блока питания описанного выше имеет величину порядка 65-70 %. Для получения бо́льших величин применяются специальные схемотехнические решения.

БП с компонентами пассивного PFC
БП с компонентами активного PFC

Сертификация 80 PLUS (как часть принятого в 2007 году стандарта энергосбережения Energy Star 4.0) подразумевает сертификацию компьютерных блоков питания на соответствие определённым нормативам по эффективности энергопотребления: КПД БП должен быть не менее 80 % при 20, 50 и 100 % нагрузке относительно номинальной мощности БП, а коэффициент мощности должен быть 0,9 или выше при 100 % нагрузке.

И хотя первоначально сертификация по стандарту 80 PLUS проводилась только для использования в сетях с напряжением 115 В (которые распространены, к примеру, в США, но не на территории России), и поэтому КПД блоков питания, сертифицированных по стандарту 80 PLUS, может быть ниже 80 % в сетях 220/230 В, однако последующие уровни спецификации, начиная с 80 PLUS Bronze, сертифицировались и для применения в сетях 230 В. Тем не менее, сертифицированные по стандарту 80 PLUS БП могут иметь КПД ниже 80 % при нагрузках менее 20 %, что достаточно важно, так как большинство ПК редко работают в режиме максимальной потребляемой мощности, а гораздо чаще простаивают. Также КПД может быть ниже заявленного в условиях эксплуатации БП при температуре, отличной от комнатной (при которой проводится сертификация).[3]

В 2008 году к стандарту были добавлены уровни сертификации Bronze, Silver, Gold, в 2009 — Platinum, а в 2012 — Titanium:

Процент от номинальной нагрузки 10 % 20 % 50 % 100 %
80 PLUS 80 % 80 % 80 %
80 PLUS Bronze 81 % 85 % 81 %
80 PLUS Silver 85 % 89 % 85 %
80 PLUS Gold 88 % 92 % 88 %
80 PLUS Platinum 90 % 94 % 91 %
80 PLUS Titanium 90 % 94 % 96 % 91 %

Потребляемая и рассеиваемая мощность[править | править вики-текст]

Мощность, отдаваемая в нагрузку БП, зависит от мощности компьютерной системы и варьируется в пределах от 50 (встраиваемые платформы малых форм-факторов) до пары тысяч Вт (наиболее высокопроизводительные рабочие станции, серверы или мощные ирговые машины).

В случае построения кластера, расчёт необходимого количества подводимой энергии учитывает потребляемую кластером мощность, мощность систем охлаждения и вентиляции, КПД которых, в свою очередь, отличный от единицы. По данным компании APC by Schneider Electric, на каждый Ватт потребляемой серверами мощности требуется обеспечение 1,06 Ватта систем охлаждения. Особую важность грамотный расчёт имеет при создании центра хранения и обработки данных (ЦОД) с резервированием по формуле N+1.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  1. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs / Скотт Мюллер. — 17-е изд. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 1181-1256. — ISBN 0-7897-3404-4.
  2. Головков А. В., Любицкий В. Б. Блоки питания для системных модулей типа IBM PC-XT/AT. — М.: «ЛАД и Н», 1995.

Ссылки[править | править вики-текст]