какие три величины напряжения обычно подает блок питания на различные компоненты компьютера

Напряжение 12 В, 5 В и 3.3 В, какое используется каждый компонент ПК?

Как известно, современный ПК блоки питания работать в основном с тремя разными напряжения : + 12В, + 5В и + 3.3В. В этой статье мы расскажем, почему это так, и какой аппаратный компонент ПК использует каждый из них.

Почему блоки питания ПК работают при разном напряжении?

Позже, когда Intel разработал стандарт ATX для источников питания в 1995 году, микрочипы начали использовать более низкое напряжение, и было необходимо реализовать шину + 3.3 В. Таким образом, с 1995 года и знаменитые блоки питания 80486DX4 стали иметь три основные шины, которые есть у современных блоков питания: 12, 5 и 3.3 вольт.

Разъем ATX на блоке питания обеспечивает все необходимые напряжения непосредственно на материнская плата на его нескольких кабелях и силовых соединениях. Еще одним дополнением к стандарту ATX было добавление шины + 5Vsb (резервной) для обеспечения небольшого количества «резервной» мощности даже при выключенном ПК, но, как мы обсуждали в начале, с учетом состояний питания ПК это уже ненужное. по сей день, а во многих источниках его даже нет.

Какое напряжение использует каждый компонент ПК?

После того, что было объяснено ранее, вы уже будете знать, что источники питания имеют несколько разных напряжений из-за электрических требований каждого из аппаратных компонентов ПК, поэтому теперь самое время посмотреть, какой компонент использует каждое из напряжений и особенно почему все не унифицировано, чтобы все работало с одним значением напряжения.

Причина, по которой источники имеют разные значения напряжения и, следовательно, разные шины, связана с электрическими требованиями к компонентам. Поскольку транзисторы становились все меньше и меньше на микросхемах, для них стало предпочтительнее работать с меньшими значениями напряжения, и это становилось все более и более необходимым по мере увеличения плотности транзисторов в процессорах.

Для подачи большого количества низковольтного питания к процессору, начиная с эры Pentium, материнские платы начали включать в себя стабилизатор напряжения, чтобы иметь возможность самостоятельно контролировать, какое напряжение и ток подается на каждый компонент. Большинству современных процессоров может потребоваться до 100 А при 2 В или меньше, поэтому нецелесообразно брать эти значения с шины +12 В и иметь возможность делать это с другой, которая работает с более низким напряжением, поскольку это означает меньше работы для регулятор.

Источник

Как работает блок питания компьютера

Содержание

Содержание

Большинство рассказов про блоки питания начинается с подчеркивания их важнейшей и чуть ли не главенствующей роли в составе компьютера. Это не так. БП — просто один из компонентов системы, без которого она не будет работать. Он обеспечивает преобразование переменного напряжения из сети в необходимые для работы ПК стабилизированные напряжения. Все блоки можно разделить на импульсные и линейные. Современные компьютерные блоки выполнены по импульсной схеме.

Линейные блоки питания

Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора, а со вторичной мы снимаем уже пониженное до нужных пределов переменное напряжение. Далее оно выпрямляется, следом стоит фильтр (в данном случае нарисован обычный электролитический конденсатор) и схема стабилизации. Схема стабилизации необходима, так как напряжение на вторичной обмотке напрямую зависит от входного напряжения, а оно только по ГОСТу может меняться в пределах ±10 %, а в реальности — и больше.

Основные достоинства линейных блоков питания — простая конструкция и низкий уровень помех (поэтому аудиофилы часто используют их в усилителях). Недостаток таких БП — габариты и невысокий КПД. Собрать БП мощностью 400 и более Вт по такой схеме возможно, но он будет иметь устрашающие размеры, вес и стоимость (медь нынче дорогая).

Импульсные блоки питания

Далее в тексте сократим название «импульсный источник питания» до ИИП. Такие блоки питания более сложны, но гораздо более компактны. Для примера на фото ниже показана пара трансформаторов.

Слева — отечественный сетевой с номинальной мощностью 17 Вт, справа — выпаянный из компьютерного БП мощностью 450 Вт. Кстати, отечественный еще и весит раз в 5 больше.

В ИИП сетевое напряжение сначала выпрямляется и сглаживается фильтром, а потом опять преобразуется в переменное, но уже гораздо более высокой частоты (несколько десятков килогерц). А затем оно понижается трансформатором.

Так выглядит плата вживую:

Фильтр

Фильтр в блоке питания двунаправленный: он поглощает разного рода помехи: как созданные самим БП, так и приходящие из сети. В самых бюджетных БП предприимчивые китайцы вместо дросселей распаивали перемычки (или, как их называют ремонтники, «пофигисторы»), а конденсаторы не ставили вообще. Чем это плохо: помехи будут влиять на другую аппаратуру, подключенную к данной сети, а напряжение на выходе получится с «мусором». Сейчас таких блоков уже немного. Встречается также экономия на размерах: фильтр как бы есть, но работать он будет кое-как.

Фильтр работает эффективнее, когда он находится как можно ближе к источнику помех. Поэтому часть фильтра зачастую располагают прямо на сетевой розетке.

На картинке изображен фильтр в минимальной комплектации. F1 — предохранитель, VDR1 — варистор, N1 — термистор, Х2 — Х-конденсатор, Y1 — Y-конденсаторы, L1 — синфазный дроссель. Резистор R1 служит для разряда конденсатора Х2.

Еще одна опасная для жизни пользователей экономия — когда вместо специальных Х- и Y-конденсаторов ставят обычные. Впрочем, встречается она редко. Автор видел такое всего один раз и очень давно. Экономия очень незначительна, а риск для пользователей очень велик, так как, например, Y-конденсаторы подключаются одной «ногой» на фазу, а другой — на корпус. В случае пробоя конденсатора можно получить опасное для жизни напряжение на корпусе.

Корректор коэффициента мощности

Не будем вдаваться в подробности, поскольку статьи на эту тему уже были: раз и два. Скажем только, что корректор коэффициента мощности должен быть во всех компьютерных БП, желательно активного типа (A-PFC).

Плюсы корректора:
1) Снижается нагрузка на сеть.
2) Повышенный диапазон входного напряжения (чаще всего, но не всегда).
3) Улучшение работы инвертора.

Минусы:
1) Увеличивается сложность конструкции, соответственно, снижается надежность.
2) Возможны проблемы при работе с UPS.

Преобразователь

Обычно используется мостовая или полумостовая схема. Чаще всего встречается полумост. На картинке ниже он изображен в упрощенном виде.

Как видно по схеме, транзисторы открываются поочередно с небольшой задержкой, чтобы не случилось ситуации, когда оба окажутся открыты. В таком случае получаем на первичной обмотке переменный ток высокой частоты, а на вторичной — уже пониженный до нужной величины.

В топовых блоках применяются резонансные преобразователи (LLC), которые имеют более высокий КПД, но они технически сложнее.

Выпрямление и стабилизация выходных напряжений

По способу выпрямления и стабилизации блоки можно поделить на четыре группы:

1) Выпрямление с помощью диодов Шоттки (полупроводниковый прибор, у которого при прямом включении падение напряжения будет в три-четыре раза меньше, чем у обычных кремниевых), групповая стабилизация.

Второй имеет меньший размер. Это отдельная стабилизация канала 3,3 В. Сейчас такие БП часто встречаются в основном в бюджетном сегменте. Например:

Вот, например, фото такого блока. Очень бюджетно:

2) Выпрямление с помощью диодов Шоттки, раздельная стабилизация на магнитных усилителях. Внешне их можно отличить по наличию в выходных цепях трех крупных дросселей. Данная схема в современных БП не используется: ее вытеснили более производительные решения. Пик такой схемотехники — начало 2000-х годов.

3) Выпрямление канала 12 В с помощью диодов Шоттки. Напряжения 5 В и 3,3 В получают из 12 В с помощью преобразователей DC-DC. Развитие электроники позволило производить недорогие и эффективные преобразователи такого рода. БП будет ненамного эффективнее обычных с групповой стабилизацией (так как нагрузка на низковольтные каналы небольшая), но стабильность напряжений выше.

4) Канал 12 В — синхронный выпрямитель на MOSFET (полевой транзистор с изолированным затвором), остальные напряжения получают при помощи преобразователей DC-DC.

Это наиболее эффективная и точная, но и более сложная схемотехника. В соответствии с ней делают все топовые блоки питания. Отклонения выходных напряжений у таких блоков укладываются в один-два процента при допустимых 5 %.

Дежурный источник питания

Представляет из себя маломощный ИИП с напряжением на выходе 5 В. Он работает все время, пока БП подключен к сети. Обеспечивает питание микросхем внутри блока и питание логики на материнской плате, а также подает питание на порты USB при выключенном компьютере.

Супервизор

Микросхема обеспечивает функционирование основных защит в блоке (превышения выходных напряжений, превышение выходного тока и прочее), управляет включением и выключением блока по сигналам с материнской платы.

Теперь вы представляете, как обстоит дело со схемотехникой в наши дни. А что нас ждет в будущем? В мае 2020 года компания Интел выпустила новый ATX12VO (12 V Only) Desktop Power Supply Disign Guide в котором описывает совершенно новые БП: у блока осталось только одно напряжение — 12 В. Нужные напряжения будет преобразовывать материнская плата. Дежурный источник питания с напряжения 5 В перейдет на 12 В. При этом размеры блоков АТХ остаются такими же. Это сделано для того, чтобы сохранить совместимость со старыми корпусами. Правда, пока производители не торопятся переходить на этот формфактор.

Источник

Схемотехника и компоненты блока питания: за что мы переплачиваем

Содержание

Содержание

Все мы знаем, что блок питания — один из важных элементов компьютера. Некачественная модель может быстро выйти из строя, унеся за собой остальные компоненты. Давайте выясним, как применяемые в БП комплектующие влияют на надежность и стабильную работу ПК.

Схемотехника

При сборке некоторые пользователи не уделяют должного внимания выбору блока питания, а покупают его «на сдачу». Другие осознанно пытаются сэкономить и выбирают бюджетные модели даже для мощных компьютеров. Разберемся, чем это чревато.

Дорогие и дешевые БП отличаются не только качеством используемых радиокомпонентов, но и применяемой в них схемотехникой. То есть решениями, определяющими, по какому принципу будет происходить преобразование переменного сетевого напряжения в низкие постоянные выходные напряжения. А именно, как будет осуществляться их стабилизация и сглаживание, по какому алгоритму будут работать системы защиты от короткого замыкания, перегрузки по току, перегрева, превышения и понижения напряжения и другие.

Блок питания формирует напряжения для всех комплектующих ПК. Разница в схемотехнической реализации этого процесса в бюджетных и премиальных моделях заключается в принципе стабилизации формируемых напряжений.

Что же такое стабилизация? Это способность БП поддерживать выходное напряжение неизменным при воздействии различных дестабилизирующих факторов: при изменении тока потребления, температуры, напряжения сети и номинальных параметров радиокомпонентов (при их старении).

Бюджетные блоки имеют групповую стабилизацию напряжений — то есть, всего один стабилизатор для двух линий 5 и 12 В. Напряжения буквально связаны между собой. Это опасно тем, что при увеличении тока потребления по одной из линий, напряжение на ней начнет проседать, а БП для компенсации будет увеличивать напругу сразу на обеих. В результате на второй линии произойдет превышение сверх номинального значения.

Примечание. Линия 3,3 В имеет индивидуальную стабилизацию в любом случае.

Например, чем выше будет ток потребления по линии 5 В и чем больше просадка на ней, тем сильнее будет прирост напряжения на линии 12 В — до 13, а то и до 14 В. Получив от блока питания такой щедрый «заряд бодрости», комплектующие могут выйти из строя.

В дорогих БП используется раздельная стабилизация, при которой каждая из линий имеет собственный независимый преобразователь. Колебания нагрузки для какой-либо из линий не влияют на напряжение других.

В недорогих моделях реализованы не все необходимые защиты. Либо они есть, но работают неполноценно. Из-за объединения линий 5 и 12 В, у таких блоков питания общая мощностная защита по перегрузке. Последняя срабатывает не по заданным значениям максимального тока в линиях, как это сделано в дорогих БП, а по превышению общей мощности. Конкретно для линии 5 В ток срабатывания может быть слишком большим. Может возникнуть ситуация, когда фактически начнут выгорать компоненты, а БП посчитает это просто возросшей нагрузкой.

Премиальные блоки питания, помимо защиты от превышения мощности, имеют также защиту перегрузки по току (OCP). Причем по каждой линии устанавливается индивидуальное значение срабатывания. По международным стандартам, один проводник электрического тока (провод от блока питания к комплектующим) не должен передавать мощность более 240 Вт. Поскольку самая мощная линия (12 В) может многократно превышать этот порог, производители делят каждую линию на несколько групп. Все они должны быть снабжены своей защитой перегрузки по току. Но некоторые вендоры идут на хитрость — используют только одну схему защиты, но с увеличенным порогом срабатывания, подключая к ней выводы всех групп.

Поскольку речь зашла о защитах, давайте кратко перечислим основные.

В дешевых БП, как правило, используются только четыре защиты из шести, приведенных выше — это OPP, OVP/UVP и SCP.

Радиокомпоненты

Надежность работы блока питания и качество формируемых напряжений напрямую зависит от компонентов, применяемых в конструкции. Самые распространенные радиоэлементы в БП — это, конечно, конденсаторы. В бюджетных моделях ставят алюминиевые электролитические. Их отличительные черты: невысокая стоимость, низкая надежность, малый срок службы и довольно средние эксплуатационные характеристики.

В более дорогих БП используются полимерные конденсаторы. Но не везде, а лишь в критически важных участках электрической схемы. У «полимеров» все гораздо лучше с надежностью, а эксплуатационные параметры значительно превосходят «электролиты».

Наступил момент, чтобы разобраться в устройстве конденсаторов более подробно. Давайте выясним, как их качество влияет на формирование питающих напряжений.

Устройство конденсаторов

Алюминиевый электролитический конденсатор обладает большой емкостью при относительно малых размерах. Себестоимость производства небольшая, поэтому такой тип недорог и очень популярен.

Конструктивно он состоит из двух лент алюминиевой фольги, между которыми размещена бумага, пропитанная электролитом. Вся конструкция свернута в плотный рулон и упакована в герметичный металлический корпус. Диэлектриком является окись алюминия на поверхности фольги, которая исполняет роль положительной обкладки (анода). Окись образовывается путем взаимодействия электролита с поверхностью при протекании электрического тока, поэтому ее толщина очень мала — за счет этого и достигается большая емкость конденсатора. Катодом является электролит, который имеет электрический контакт со всей поверхностью неоксидированной обкладки, соединенной с отрицательным выводом.

Кроме алюминиевых, существуют и другие виды электролитических конденсаторов — например, танталовые и ниобиевые. Диэлектрический слой в них образован окислом этих металлов, поэтому они дороже в производстве.

Конструкция полимерных конденсаторов аналогична алюминиевым электролитическим. Отличие состоит в том, что в качестве электролита в них применяются токопроводящие полимеры. Последние находятся в твердом состоянии: диэлектрический оксидный слой создается не на обкладке, а на поверхности токопроводящего полимерного слоя.

Жидкий электролит может сочетаться с твердыми токопроводящими полимерами — такие конденсаторы называются гибридными.

Сейчас выпускаются четыре вида полимерных конденсаторов, три из которых (SP-Cap, POSCAP, OS-CON) имеют в качестве электролита твердый токопроводящий полимер и отличаются друг от друга только материалом обкладок. Четвертый вид — гибридный (Hybrid).

Любой полимерный конденсатор по эксплуатационным характеристикам лучше, чем даже самый качественный электролитический. Более подробно поговорим об этом в следующем разделе.

Говоря о терминологии, стоит отметить, что неправильно отделять полимерные и гибридные конденсаторы от алюминиевых электролитических. По сути, все они относятся к одной группе — электролитических. Но в техническом жаргоне есть традиционное разделение на «электролиты» и «полимеры», им и будем пользоваться для удобства.

Рассмотрим основные параметры, по которым различаются конденсаторы.

Электрическая емкость — это способность обкладок конденсатора накапливать электрический заряд. Измеряется в Фарадах (Ф) или долях (мкФ, нФ, пФ). Величина обычно указывается на корпусе.

Номинальное напряжение — величина, при которой рабочие параметры конденсатора сохраняются на протяжении всего срока службы.

Максимально допустимая рабочая температура также обычно указывается на корпусе.

Повышение температуры конденсатора на каждые 10°С (свыше 40°С) уменьшает срок его службы вдвое, а то и в трое, в зависимости от типа:

ESR (Equivalen Series Resistance, в переводе «эквивалентное последовательное сопротивление») состоит из суммы активных сопротивлений обкладок, выводов, электролита и контактных соединений обкладок с выводами. Оно является паразитным, то есть — вредным. Наибольшее влияние на величину ESR оказывает электролит. Реальный конденсатор схематически можно представить как последовательное соединение паразитного сопротивления R и идеального конденсатора C:

Это сопротивление приводит к потерям как при заряде, так и разряде конденсатора. Таким образом, ухудшается качество сглаживания напряжений, формируемых БП. Помимо этого, при прохождении тока выделяется тепло, то есть происходит нагрев конденсатора. Делаем вывод: чем меньше ESR, тем лучше конденсатор.

ESI или ESL (Equivalen Series Inductance, в переводе «эквивалентная последовательная индуктивность») тоже является также паразитной. Она возникает из-за неидеальной конструкции конденсаторов и состоит из суммы индуктивностей обкладок и выводов.

Большое значение ESI (ESL) имеют конденсаторы со спиральной намоткой обкладок. При рассмотрении этого параметра реальный конденсатор представим как последовательное соединение паразитной индуктивности L и идеального конденсатора C:

При небольшой частоте импульсного тока, проходящего через конденсатор, индуктивное сопротивление будет очень мало и на работу не повлияет. Но при увеличении частоты, будет увеличиваться и индуктивное сопротивление. На частотах свыше нескольких сотен килогерц электролитический конденсатор и вовсе перестанет выполнять свои функции.

Таким образом, эквивалентная схема конденсатора с учетом всех физических несовершенств конструкции выглядит следующим образом:

Помимо вышеуказанных параметров, добавилось паразитное сопротивление R leakage. Оно характеризует ток утечки между обкладками конденсатора из-за несовершенства диэлектрического материала.

Описав эквивалентную схему суммой сопротивлений всех ее активных и реактивных элементов, получаем комплексное сопротивление Z, также называемое импедансом. Чем ниже импеданс конденсатора, тем он лучше.

Из графика видно, что импеданс в области низких частот определяется емкостным сопротивлением идеального конденсатора, в области средних частот ограничивается паразитным ESR, а по мере дальнейшего увеличения частоты, на импеданс все больше влияния начинает оказывать влияние индуктивное сопротивление паразитной ESL.

ТКЕ (температурный коэффициент емкости) характеризует относительное изменение емкости при изменении температуры. Это вредное явление, к нему особенно критичны частотозадающие цепи. При изменении температуры работающего устройства или окружающей среды, меняется и температура конденсатора, а частота начинает «плыть».

DC-bias (эффект смещения при постоянном напряжении) характеризует зависимость емкости от приложенного напряжения. Например, при увеличении напряжения на конденсаторе MLCC (см. график ниже) до максимального значения, емкость может снизиться на 65% от номинальной величины.

Каждый уважающий себя конденсатор должен поддерживать емкость неизменной. Как видим, полимерные справляются с этой задачей на отлично.

Преимущества полимерных конденсаторов

С устройством мы разобрались, теперь давайте выясним, что все это значит на практике.

Полимерные конденсаторы по сравнению с обычными электролитическими обладают более низким ESR, соответственно, и более низким импедансом. При использовании первых в сглаживающем фильтре БП заряд, накапливаемый от источника и отдаваемый в нагрузку, будет больше, сглаживание пульсаций выходного напряжения — лучше, а нагрев — гораздо меньше.

Надежность полимерных конденсаторов на порядок выше, чем алюминиевых электролитических. У последних частенько высыхает жидкий электролит, особенно, если они неправильно размещены в устройстве. Например, в непосредственной близости от горячих радиаторов охлаждения. Повышенная температура не только способствует ускоренному высыханию, но и уменьшает срок службы электролитов. Также она приводит к вздутию — нарушению герметичности корпуса путем разрыва предохранительных насечек.

Эффект высыхания приводит к уменьшению емкости конденсатора и увеличению ESR. Блок питания за это точно не скажет спасибо, зато отправить комплектующие на небеса — может запросто.

В полимерных конденсаторах высыхания быть не может — в них используется твердый токопроводящий слой. Но эксплуатация при повышенном напряжении также может привести к вздутию и разрыву корпуса.

«Полимеры» способны к самовосстановлению при локальном пробое оксидного слоя. При воздействии большого тока короткого замыкания, в локальной точке происходит сильный нагрев токопроводящего полимера. Молекулярная цепочка в зоне дефекта разрушается. В результате формируется диэлектрический слой, изолирующий место пробоя.

В алюминиевых электролитических конденсаторах подобный пробой будет лавинообразно разрастаться. Это приведет к разрыву корпуса и выходу из строя всего блока питания.

Подытоживая, давайте сравним эксплуатационные параметры рассматриваемых типов конденсаторов.

Выводы

Выбирайте блок питания так же тщательно, как и другие важные компоненты компьютера: процессор, видеокарту или материнскую плату. Обязательно обращайте внимание на наличие всех видов защит, производители указывают их в описании.

Перед покупкой изучите обзоры, по ним можно определить, какой тип конденсаторов применяется в конкретном блоке. Применение полимеров, пусть и частично, положительно сказывается на надежности и долговечности БП.

Повторяем в очередной раз — экономить на блоке питания не стоит. Как говорил барон Ротшильд: «Мы не настолько богаты, чтобы покупать дешевые вещи».

Источник