Компьютерный блок питания (БП) — вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией постоянного тока, путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений.
В некоторой степени блок питания также:
- выполняет функции стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения;
- будучи снабжён вентилятором, участвует в охлаждении компонентов персонального компьютера.
ОПИСАНИЕ
Компьютерный блок питания для настольного компьютера стандарта PC, персонального или игрового, согласно спецификации ATX 2.x, должен обеспечивать выходные напряжения ±5, ±12, +3,3 Вольт, а также +5 Вольт дежурного режима.
- Основными силовыми цепями являются напряжения +3,3, +5 и +12 В. Причем, чем выше напряжение, тем большая мощность передается по данным цепям. Отрицательные напряжения питания (−5 и −12 В) допускают небольшие токи и в современных материнских платах в настоящее время практически не используются.
- Напряжение −5 В использовался только интерфейсом ISA и из-за фактического отсутствия этого интерфейса на современных материнских платах провод −5 В в новых блоках питания отсутствует.
- Напряжение −12 В необходим лишь для полной реализации стандарта последовательного интерфейса RS-232, поэтому также часто отсутствует.
- Напряжения ±5, ±12, +3,3, +5 В дежурного режима используются материнской платой. Для жёстких дисков, оптических приводов, вентиляторов используются только напряжения +5 и +12 В.
- Современные электронные компоненты используют напряжение питания не выше +5 Вольт. 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 +12 В используется для питания наиболее мощных потребителей. Разделение питающих напряжений на 12 и 5 В целесообразно как для снижения токов по печатным проводникам плат, так и для снижения потерь энергии на выходных выпрямительных диодах блока питания.
- 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.
В большинстве случаев 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 применяется значительно реже.
УСТРОЙСТВО (СХЕМОТЕХНИКА)
Широко распространённая схема импульсного источника питания состоит из следующих частей:
Входные цепи
- Входной фильтр, предотвращающий распространение импульсных помех в питающую сеть. 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 мат. 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, которая поддерживает 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 снизит напряжение по другим цепям. Цепь обратной связи обнаружит снижение выходных цепей, увеличит общую подачу энергии, и восстановит требуемые значения напряжений.
- Выходные фильтрующие конденсаторы. Выходные конденсаторы, вместе с дросселем групповой стабилизации интегрирует импульсы, тем самым получая необходимые значения напряжений, которые 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 меньшим выделением тепла на регулирующем элементе, так и меньшими габаритами трансформатора, благодаря тому, что последний работает на более высокой частоте.
- Меньшая металлоёмкость, благодаря чему мощные импульсные источники питания стоят дешевле трансформаторных, несмотря на бо́льшую сложность
- Возможность включения в сети широкого диапазона напряжений и частот, или даже 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. 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 случая 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.
Стандарты
AT (устаревший)
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).
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:
ATX (современный)
Повышены требования к +5VDС — 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 минимальному 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.
Разъёмы БП / потребителей питания
- 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. 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.
У 24-контактного ATX разъёма, последние 4 контакта могут быть съёмными, для обеспечения совместимости с 20-контактным гнездом на материнской плате.
24-контактный разъём питания материнской платы ATX12V 2.x
(20-контактный не имеет последних четырёх: 11, 12, 23 и 24)
- 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.
- 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.
- 6- либо 8-контактные разъёмы для питания PCI Express x16 видеокарт.
В конце 2000-х годов для монтажа кабелей стал применятся 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.
Требуемая мощность
Мощность, отдаваемая в нагрузку существующими БП, в значительной степени зависит от мощности компьютерной системы и варьируется в пределах от 50 (встраиваемые платформы малых форм-факторов) до 1800 Вт (большинство высокопроизводительных рабочих станций, серверов начального уровня или геймерских машин).
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 ЦОД с резервированием по формуле N+1.
Блоки питания ноутбуков
Блок питания для ноутбуков и прочих мобильных компьютеров применяется как для зарядки АКБ, так и для обеспечения ноутбука питанием в обход (без) аккумулятора. По типу исполнения, БП ноутбука чаще всего внешний блок. Ввиду практики выпускать БП под конкретную модель (серию) ноутбуков и учитывая тот факт, что характеристики разных моделей значительно разнятся, на внешние блоки питания нет единого стандарта, и поэтому БП далеко не всегда взаимозаменяемы.
Во-первых — производители ноутбуков часто используют различные разъёмы питания (их известно несколько десятков типов, хотя широко распространённых всего несколько, отличающихся лишь диаметром штекера). Подключение большинства из них выполняются коаксиальными кабелем с положительным внутренним проводником, хотя существуют разъёмы и с обратной полярностью.
Во-вторых — 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 (Apple). Далее — 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 различных производителей. Такой БП имеет переключатель напряжения и набор сменных штекеров для подключения.
Существует инициатива по стандартизации блоков питания для ноутбуков.
Производители компьютерных блоков питания
- Antec
- Cooler Master
- Corsair
- Foxconn
- FSP Group
- Gigabyte Technology
- Thermaltake
- OCZ
- Zalman
