Методика тестирования блоков питания

Введение

Вот уже продолжительное время наша лаборатория занимается тестированиями блоков питания стандарта ATX. Методика тестирования все это время непрерывно развивалась и совершенствовалась, преследуя сразу две цели – не только получить возможность объективно сравнивать различные блоки питания, но и делать это достаточно наглядно.

К сожалению, один из основных тестов нашей методики – измерение стабильности напряжений – никак не мог похвастаться наглядностью, ибо в нем практически для каждого блока использовались собственные паттерны нагрузок, что делало невозможным обсуждение и сравнение результатов разных блоков питания без постоянных ссылок на особенности примененных к ним паттернов. Иначе говоря, результаты каждого из блоков тащили за собой ворох условностей и оговорок – разумеется, сравнение в итоге было возможно, иначе бы вообще не было смысла проводить тестирование, однако прямое сравнение цифр или графиков, увы, этими оговорками весьма затруднялось.

Этой статьей я представляю Вам новую методику тестирования блоков питания, пришедшую на смену старому способу измерения стабильности напряжений и дающую крайне наглядный и при этом весьма точный и объективный результат, одинаково хорошо пригодный для сравнения разных блоков питания, как в конкретных цифрах, так и просто "на глаз", по внешнему виду получаемых графиков. За основу взята методика построения так называемых кросс-нагрузочных характеристик блоков питания, разработанная и примененная нашими коллегами из издания ITC Online, однако она была существенно доработана с целью еще большего повышения как информативности, так и наглядности.

Также в статье я более или менее подробно опишу различные аспекты работы компьютерных блоков питания, чтобы читателям, не разбирающимся в схемотехнике импульсных блоков питания, стало понятно, что означают и откуда берутся те или иные измеряемые в ходе тестирования параметры блоков питания. Те же из Вас, кто достаточно хорошо знаком с устройством и работой импульсных источников питания, могут сразу пролистать первые два раздела статьи до описания собственно используемого нами тестового оборудования и методики тестирования.
Линейные и импульсные источники питания

Как известно, электронный источник питания – это устройство, тем или иным способом решающее задачи изменения, управления или стабилизации поступающей в нагрузку электрической мощности.

Наиболее простым и до сих пор крайне широко применяющимся методом управления является поглощение избыточной мощности в управляющем устройстве, то есть банальное рассеивание ее в виде тепла. Источники питания, действующие по такому принципу, называются линейными.


Выше представлена схема подобного источника – линейного стабилизатора напряжения. Напряжение бытовой сети 220В понижается трансформатором T1 до необходимого уровня, после чего выпрямляется диодным мостом D1. Очевидно, что выпрямленное напряжение должно быть в любых условиях выше выходного напряжения стабилизатора – иначе говоря, необходима избыточная мощность; это следует из самого принципа работы линейного стабилизатора. В данном случае эта мощность выделяется в виде тепла на транзисторе Q1, который управляется некоторой схемой U1 так, чтобы выходное напряжение Uout находилось на требуемом уровне.

Такая схема имеет два существенных недостатка. Во-первых, низкая частота переменного тока в питающей сети (50 или 60Гц, в зависимости от страны) обуславливает большие габаритные размеры и массу понижающего трансформатора – трансформатор мощностью 200-300Вт будет весить несколько килограмм (не говоря уж о том, что в линейных стабилизаторах приходится применять трансформаторы на мощность вдвое большую, чем максимальная мощность нагрузки, ибо КПД линейного стабилизатора составляет около 50%, а трансформатор должен быть рассчитан на полную мощность, включая ту, что уйдет в тепло на самом стабилизаторе). Во-вторых, напряжение на выходе трансформатора должно во всех случаях превышать сумму выходного напряжения стабилизатора и минимального падения напряжения на регулирующем транзисторе; это означает, что в общем случае транзистору придется рассеивать весьма заметную избыточную мощность, что отрицательно скажется на КПД всего устройства.

Для преодоления этих недостатков были разработаны так называемые импульсные стабилизаторы напряжения, в которых управление мощностью происходит без рассеивания мощности в самом устройстве управления. В самом простейшем виде такое устройство можно представить как обычный ключ (роль которого может играть и транзистор), включенный последовательно с нагрузкой. В такой схеме средний протекающий через нагрузку ток зависит не только от сопротивления нагрузки и напряжения питания, но и от частоты переключению ключа – чем она больше, тем выше ток. Таким образом, меняя частоту переключения, мы можем регулировать средний ток через нагрузку, причем в идеале на самом ключе мощность не будет рассеиваться вообще – так как он пребывает только в двух состояниях: либо полностью открытом, либо полностью закрытым. В первом случае падение напряжения на нем равно нулю, во втором случае – нулю равен протекающий через него ток, а потом выделяемая на нем мощность, равная произведению тока на напряжение, также всегда равна нулю. В реальности, конечно, все немного иначе – в случае использования в качестве ключа транзисторов, во-первых, даже в открытом состоянии на них падает небольшое напряжение, во-вторых, процесс переключения происходит не мгновенно. Однако эти потери – следствие побочных явлений, и они намного меньше, чем выделяемая на устройстве управления линейного стабилизатора избыточная мощность.

Если сравнивать цифры, то КПД типичного линейного стабилизатора составляет 25...50%, в то время как КПД импульсного может превышать 90%.

Кроме того, если в импульсном стабилизаторе поставить ключ до понижающего трансформатора (очевидно, что, в общем-то, все равно, регулировать входное или выходное напряжение трансформатора – они неразрывно связаны друг с другом), то мы получаем возможность определять частоту работы трансформатора вне зависимости от частоты питающей сети. А так как габариты трансформатора уменьшаются с увеличением его рабочей частоты, то это позволяет использовать в импульсных стабилизаторах понижающие трансформаторы буквально игрушечных размеров по сравнению с их линейными аналогами, что дает колоссальный выигрыш в размерах готового устройства. Для примера, трансформатор на частоту 50Гц и мощность 100Вт весит чуть более двух килограмм, в то время как трансформатор на ту же мощность, но на частоту 35кГц весит всего лишь около 35 грамм. Это, разумеется, радикально влияет на габариты и массу всего источника питания - если посчитать отношение выходной мощности источника к его объему, то для импульсного источника питания, работающего на частоте в несколько десятков килогерц, оно составит примерно 4-5 Вт/куб. дюйм, в то время как для линейного стабилизатора этот показатель составляет всего лишь 0,3...1 Вт/куб. дюйм. Более того, с повышением частоты плотность мощности импульсного источника питания может доходить до 75 Вт/куб. дюйм, что совершенно недостижимо для линейных источников даже при водяном охлаждении (цифры даны по книге Ирвинга М. Готтлиба "Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы").

Кроме того, при таком исполнении импульсный стабилизатор значительно меньше зависит от величины входного напряжения – ведь чувствителен к этому в первую очередь понижающий трансформатор, а при включении ключа до него мы можем управлять напряжением и частотой его работы так, как надо нам. Соответственно, импульсные стабилизаторы абсолютно без особых проблем переносят уход напряжения питающей сети вплоть до 20% от номинала, в то время как у линейных добиться работы при пониженном напряжении сети можно лишь за счет дальнейшего снижения и без того невысокого КПД.

Помимо трансформатора, использование высокой частоты позволяет сильно (в десятки раз) уменьшить емкость и, соответственно, габариты сглаживающих конденсаторов (C1 и C2 на вышеприведенной схеме). Правда, это палка о двух концах – во-первых, далеко не все электролитические конденсаторы способны нормально работать на такой частоте, во-вторых, несмотря ни на что, в импульсном источнике питания технически весьма затруднительно получить размах пульсаций на выходе ниже 20 мВ, в то время как в линейных при необходимости без особых затрат уровень пульсаций может быть снижен до 5 мВ, и даже ниже.

Очевидно, что работающий на частоте в несколько десятков килогерц преобразователь является источником помех не только в собственную нагрузку, но и в питающую сеть, а также просто в радиоэфир. Поэтому, при проектировании импульсных источников питания необходимо уделять внимание как фильтру на его входе (вопреки распространенному мнению, он не столько защищает блок питания от внешних помех, сколько защищает другие устройства от помех, создаваемых этим блоком питания), так и электромагнитной экранировке самого блока питания, что в случае мощных блоков означает использование стального корпуса. Линейные блоки питания, как я отмечал выше, хоть и более чувствительны к внешним помехам, но сами никаких помех не создают, а потому не требуют никаких особых мер по защите окружающего оборудования.

Кроме того, импульсные источники питания требуют существенно более сложной (и, соответственно, дорогой) электроники, нежели их линейные собратья. Ценовое преимущество импульсных блоков очевидно для достаточно мощных изделий, где цена в первую очередь определяется стоимостью силового трансформатора и необходимого теплоотвода, а потому линейные источники с их большими габаритами и низким КПД оказываются в заведомом проигрыше; однако по мере удешевления компонентов импульсных блоков питания они все больше и больше теснят и маломощные линейные источники – так, уже не являются редкостью импульсные блоки питания мощностью в единицы ватт (например, зарядные устройства мобильных телефонов), хотя еще несколько лет назад на таких мощностях преимущества линейных источников были очевидны.

Если же говорить о задачах, в которых определяющим параметром являются габариты, то тут импульсные источники питания находятся вне конкуренции – при всех конструкторских ухищрениях, получить от линейного источника ту же плотность мощности, что и от импульсного, просто невозможно.
Блоки питания компьютеров

В настоящее время все используемые в компьютерах источники питания – импульсные. Обусловлено это тем, что для обеспечения разумных габаритов и тепловыделения необходимы плотность мощности и КПД, принципиально недостижимые для линейных блоков питания такой мощности – так, плотность мощности обычного ATX блока питания составляет 2...5 Вт/куб. дюйм (в зависимости от его выходной мощности), а КПД – не менее 68% при работе с максимальной нагрузкой.


Выше на рисунке приведена несколько упрощенная блок-схема типичного компьютерного блока питания. Ниже на примере блока Macropower MP-300AR показано типичное расположение компонентов в реальном блоке питания (в большинстве блоков других моделей никаких существенных отличий не будет):


Питающее напряжение 220В проходит через двух- или трехзвенный фильтр, защищающий другие включенные в сеть устройства от создаваемых блоком питания помех. После фильтра напряжение поступает на выпрямитель D1, а с него – на необязательную (но все чаще встречающуюся в новых блоках) схему коррекции фактора мощности (PFC – Power Factor Correction). Подробнее о том, что такое PFC, и зачем он нужен, будет сказано ниже, сейчас мне хотелось бы подробнее остановиться на фильтре, ибо с ним связана пара вопросов, часто задаваемых пользователями.


Выше представлена схема классического двухзвенного фильтра, используемого в большинстве блоков питания. Как известно, помехи бывают двух видов – дифференциальные, когда ток помехи в проводах питания течет в разные стороны, и синфазные, когда ток помехи в проводах течет в одну сторону. Также можно сказать, что дифференциальная помеха – это помеха между двумя проводами питания, а синфазная – между проводами питания и землей.

Дифференциальные помехи в этой схеме достаточно легко подавляются дросселями Ld и конденсатором Cx – при прохождении высокочастотной помехи сопротивление первых для нее велико, а второго – наоборот, мало. Хуже дело обстоит с синфазными помехами – отчасти их гасит дроссель Lc, обмотки которого намотаны так, что дроссель образует большое сопротивление для синфазных помех, однако этого недостаточно, и для действительно эффективного подавления синфазных помех устанавливаются два конденсатора Cy, точка соединения которых подключается к корпусу блока питания – и к заземлению, если таковое присутствует.

Именно с этими конденсаторами и связаны основные вопросы пользователей. Очевидно, если корпус компьютера не заземлен, то благодаря конденсаторам на нем будет присутствовать половина сетевого напряжения, то есть 110В. Взявшись одной рукой за любой заземленный предмет (например, за батарею отопления), а другой – за корпус компьютера, можно почувствовать легкое щекотание током. Впрочем, емкость этих конденсаторов весьма мала, а потому максимальный протекающий ток ничтожен – и не представляет для человека ровным счетом никакой опасности. Некоторую опасность он представляет для различной периферии – если при подключении, скажем, LPT-принтера к незаземленному компьютеру последний не выключен из розетки, то может оказаться так, что на сигнальных контактах LPT-разъема принтера окажутся те самые 110В, а это уже может привести к выходу LPT-порта принтера или компьютера из строя. Впрочем, для борьбы с этим необязательно все заземлять – достаточно будет того, чтобы были надежно электрически соединены корпуса всех устройств, а это достигается, например, включением их в один удлинитель с трехконтактными розетками – именно через "земляной" контакт розеток они и окажутся соединены, а тогда портам ничто не грозит. Также ничто не угрожает и портам, рассчитанным на "горячее" подключение (например, FireWire и USB) – конструкция их разъемов такова, что "земляные" контакты в них всегда замыкаются первыми, обеспечивая надежное соединение корпусов устройств.

Другой вопрос связан с возможностью пробоя одного из этих конденсаторов – ведь в таком случае на корпусе компьютера появится полное напряжение 220В. Тут я также могу полностью успокоить читателей – в подобных схемах используются специальные высоковольтные конденсаторы Y-класса, напряжение пробоя которых составляет не менее 5 кВ (в случае класса Y2, применяемого в бытовой технике) – как Вы понимаете, вероятность пробоя такого конденсатора в обычной сети 220В нулевая.

Единственный случай, когда заземление действительно оказывается необходимым – это когда Ваш компьютер создает помехи, действующие на окружающее оборудование (например, на радиоприемник, телевизор или подключенный к тому же компьютеру модем), ибо, как я уже говорил, полностью избавиться от синфазных помех без заземления практически невозможно. Не помогут в этом случае и внешние сетевые фильтры – их схема совершенно аналогична приведенной выше, а потому без заземления не работают и они. В случае, если у Вас в квартире трехпроводная электропроводка с земляным проводом, для организации заземления достаточно использовать соответствующие шнуры питания; если же у Вас старая двухпроводная проводка, то я настоятельно советую обратиться за помощью к квалифицированным электрикам – самостоятельное обустройство заземления не только небезопасно (например, иногда встречается грубейшая ошибка – подключение "земли" компьютера к нулевому проводу в розетке: это абсолютно недопустимо), но и может не дать ожидаемого эффекта, ибо для эффективного подавления помех заземление должно обладать как можно более низким сопротивлением.

Также в районе сетевого фильтра в блоке питания обычно располагается плавкий предохранитель и включенные параллельно конденсаторам входного выпрямителя варисторы (нелинейные резисторы, сопротивление которых резко уменьшается при превышении порогового напряжения). С предохранителем связано часто встречающееся заблуждение, заключающееся в том, что он предохраняет блок питания от выхода из строя. Это совершенно не так, на самом деле предохранитель импульсного блока питания сгорает только после того, как вышли из строя ключевые транзисторы этого блока, то есть на самом деле он защищает не блок от выхода из строя, а электрическую сеть – от последствий этого сгорания. Влияние же его на процессы внутри блока заключается разве что в том, что он не дает короткому замыканию перейти в полноценный пожар – но сам факт короткого замыкания предотвратить никак не может. С варисторами же связано не менее распространенное заблуждение, что они способны защитить блок в случае сильного превышения напряжения сети над номиналом – это опять же не так, на самом деле варисторы способны поглотить только достаточно кратковременные всплески напряжения, возникающие, например, в результате близкого удара молнии или подобных факторов. Если же Вам нужна защита именно от долговременного превышения напряжения, могущего возникнуть при замыканиях проводов воздушной проводки (что достаточно характерно для сельской местности) или же в результате ошибки электриков (что крайне редко, но все же случается), то стоит обратить внимание на специализированные устройства, для которых такая защита явно заявлена производителем, например, на стабилизаторы APC Line-R и подобные. Никакой встроенной защиты от долговременного превышения сетевого напряжения, я напомню, в блоке питания нет – без внешнего защитного устройства в такой ситуации он просто выйдет из строя.

Однако давайте вернемся к функционированию самого блока. После схемы коррекции фактора мощности (или, в случае отсутствия таковой, напрямую с диодного моста) выпрямленное напряжение поступает на сглаживающие конденсаторы C1 и C2, а с них – на ключ (обычно он представляет собой два транзистора), управляющий силовым трансформатором T1. Типичная частота работы ключа в компьютерном блоке питания – 30-35 кГц.

Так как блок питания имеет до шести выходных напряжений (+12В, +5В, +3,3В, -5В, -12В и +5В дежурного режима), то в идеале необходимо реализовать шесть стабилизаторов. На практике же расположить в ограниченном объеме блока питания даже два раздельных мощных стабилизатора (скажем, для +5В и +3,3В), при этом, не подняв его стоимость в область астрономических величин, практически невозможно. Поэтому во всех современных блоках используется лишь один импульсный стабилизатор (на самом деле, вообще говоря, два – источник +5В дежурного режима представляет из себя совершенно независимый маломощный стабилизатор, но благодаря малой мощности (всего 10 Вт), его реализация особой сложности не представляет).

Итак, все выходные напряжения, кроме +5В дежурного режима, снимаются с одного и того же трансформатора T1 (на блок-схеме для простоты показаны только два напряжения). Отмечу, что во всех современных блоках при управлении ключами используется не частотная модуляция (когда, как я мимоходом говорил выше, меняется частота переключения ключей), а широтно-импульсная, когда при неизменной частоте следования импульсов меняется их ширина. Чем больше ширина импульса, тем больше энергии закачивается в трансформатор за каждый период, и тем больше напряжение на его выходе.

Однако, если просто снимать сигнал обратной связи с одного из выходных напряжений, то блок будет стабилизировать только его. Например, пусть это будет +5В. Тогда при росте нагрузки на +5В напряжение на этом выходе начнет проседать, ШИМ-контроллер увеличит ширину импульсов, вытягивая его обратно на заданный уровень... и все остальные напряжения также пойдут вверх. Для борьбы с этим эффектом используется сразу несколько решений.

Во-первых, сигнал обратной связи снимается сразу с двух наиболее нагруженных выходных линий – с +12В и +5В, через резисторный делитель. Таким образом, качество стабилизации каждого из напряжений по отдельности ухудшается, однако стабилизатор блока питания реагирует на изменение нагрузки не по одному, а сразу по двум напряжениям – и в результате блок питания нормально работает при различных распределениях нагрузки между этими двумя шинами.

Во-вторых, третья сильноточная шина, +3,3В, в большинстве блоков питания имеет собственный вспомогательный стабилизатор – так называемую схему на насыщаемом дросселе (также встречаются названия "магнитный стабилизатор" и "магнитный усилитель"). Стабилизаторы на насыщаемом дросселе отличаются достаточно высоким КПД и при этом сравнительно неплохим коэффициентом стабилизации, являясь разновидностью импульсных. Напряжение +3,3В получается с тех же обмоток трансформатора, что и +5В. Впрочем, встречаются и блоки питания, в которых производитель пожелал сэкономить на вспомогательном стабилизаторе, намотав на силовом трансформаторе отдельную обмотку под напряжение 3,3В. Так как обратная связь на стабилизатор с этого напряжения не заводится, то его стабильность в таких блоках оставляет желать лучшего.

В-третьих, слаботочные шины, то есть -12В и -5В, иногда снабжают обычными линейными стабилизаторами – благодаря маленьким токам нагрузки по этим шинам невысокий КПД таких стабилизаторов в общий КПД блока питания вклада почти не вносит. Впрочем, так чаще стабилизируется только -5В – ради экономии на обмотках трансформатора оно получается из -12В с помощью линейного стабилизатора, а так как в современных блоках питания это напряжение уже не требуется, то и линейные стабилизаторы из блоков исчезли совсем.

И, наконец, в четвертых, все выходные напряжения проходят через разные обмотки так называемого дросселя групповой стабилизации L1. Допустим, увеличилось потребление по +5В, ШИМ-стабилизатор отреагировал на это увеличением ширины импульсов, напряжение +5В вернулось в норму, но остальные напряжения, нагрузка по которым не увеличилась, слегка подросли – хоть для них и применяются описанные выше дополнительные меры по стабилизации, все же основное внимание уделяется напряжению +5В. Однако дроссель групповой стабилизации сконструирован так, что при увеличении тока через одну из обмоток напряжение, наведенное этим током в остальных обмотках, вычитается из соответствующих выходных напряжений. Поэтому в рассматриваемом случае за счет увеличившегося тока через обмотку, соответствующую +5В, в обмотках, соответствующих +12В и +3,3В, возникнут отрицательные напряжения – и эти напряжения увеличатся не так сильно, как увеличились бы в отсутствие дросселя групповой стабилизации.

Все эти меры приводят к тому, что блок обеспечивает не столь идеальную, как было бы в случае раздельных стабилизаторов на каждое напряжение, но в общем и целом приемлемую для работы в широком диапазоне нагрузок стабилизацию всех выходных напряжений. Однако назвать ее более чем "приемлемой" не удается, и отсюда проистекает одна из распространенных проблем блоков питания – проблема перекоса выходных напряжений. Если нагрузка блока питания распределяется по его шинам менее равномерно, чем предполагали его разработчики (например, система потребляет большой ток по +5В и маленький по +12В, что характерно для многих систем на старших процессорах Athlon XP), то стабилизатору не удается удержать все напряжения в заданных рамках – и более нагруженные шины изрядно проседают, в то время как на слабо нагруженных напряжения наоборот оказываются завышенными. Отсюда же проистекает и невозможность раздельной регулировки выходных напряжений блока питания – их соотношение жестко задано параметрами силового трансформатора и дросселя групповой стабилизации, а регулировками ШИМ можно лишь поднять или опустить их все одновременно.

В последнее время в дорогих блоках питания – например, производства OCZ или Antec – стал встречаться интересный вариант решения этой проблемы: вспомогательные стабилизаторы на насыщаемых дросселях устанавливаются не только на шину +3,3В, но также и на +12В и +5В. Это позволяет не только достичь очень хорошего (по меркам компьютерных блоков питания) коэффициента стабилизации всех выходных напряжений, но и при необходимости регулировать каждое из напряжений независимо от остальных, меняя параметры его собственного вспомогательного стабилизатора. Впрочем, я вынужден еще раз отметить, что такая конструкция – пока что прерогатива лишь наиболее дорогих блоков питания, а для блоков средней ценовой категории зависимость всех выходных напряжений от нагрузки на каждую из шин является неотъемлемой чертой.

После дросселя групповой стабилизации на выходе блока питания стоят электролитические конденсаторы большой емкости (C3...C6 по приведенной выше схеме) и фильтрующие дроссели – и те, и другие призваны сглаживать пульсации выходного напряжения на частоте работы ШИМ-стабилизатора и, соответственно, силового трансформатора. Несмотря на наличие дросселя групповой стабилизации, раздельные дроссели все же необходимы – благодаря маленьким габаритам и, соответственно, маленькой паразитной емкости они хорошо подавляют высокочастотные помехи, которые дроссель групповой стабилизации, имеющий довольно паразитную емкость, пропускает.

Таким образом, двумя неотъемлемыми проблемами любого компьютерного блока питания являются зависимость каждого из выходных напряжений от нагрузки не только на соответствующую ему шину, но и на все остальные шины, а также наличие на выходе блока пульсаций с удвоенной частотой работы ШИМ-стабилизатора, то есть, обычно, около 60 кГц.

К этому, разумеется, производители блоков питания – как правило, нижней ценовой категории – добавляют свои собственные "особенности", перечислять которые можно долго. В первую очередь страдают номиналы деталей – так, в качестве диодных сборок на выходе силового трансформатора могут устанавливаться не только сборки, рассчитанные на ток меньше указанного на этикетке блока, но даже дискретные слаботочные диоды, максимальный ток через которые составляет всего 3...5А. Это зачастую приводит к тому, что при работе под полной нагрузкой блок питания просто выходит из строя в течение нескольких минут, тем более что обычно производитель заодно экономит и на размере радиаторов, на которые эти диоды устанавливаются.

Точно так же страдают и номиналы конденсаторов, и это тоже сказывается на работе блока питания при большой нагрузке – уменьшение емкостей входных конденсаторов приводит к ухудшению реакции блока на небольшие провалы входного напряжения, уменьшение емкости выходных – к увеличению размаха пульсаций на выходе блока питания.

Одновременно с уменьшением номиналов деталей внутри блока проявляются и внешние признаки удешевления – уменьшается количество выходных разъемов блока, а провода, на которых они расположены, уменьшаются в сечении с положенных 18 AWG до 20 AWG (чем больше цифра в системе маркировки AWG – тем меньше сечение провода). Последнее приводит к увеличению падения напряжения на проводах – и, следовательно, увеличению пульсаций напряжения непосредственно на разъемах питания потребителей, а также, в случае большой нагрузки, даже к заметному нагреву проводов.

До последнего держатся фильтрующие дроссели – уменьшение их размеров не дает серьезной экономии в цене, поэтому до тех пор, пока производитель не посчитает их вообще лишними, дроссели в блоке присутствуют. Замена же их на перемычки приводит к увеличению уровня пульсаций на выходе блока питания (если это были выходные дроссели) или же к увеличению уровня помех, выдаваемых блоком питания в сеть 220В (если это были дроссели входного фильтра).

Одним же из наиболее запомнившихся пользователям методов удешевления блоков питания нижнего ценового диапазона, вне всякого сомнения, стало исполнение источника дежурного питания +5В в виде блокинг-генератора с электролитическим конденсатором в цепи обратной связи. В такой схеме, представляющей собой импульсный источник питания на базе блокинг-генератора, выходное напряжение определяется частотой импульсов, а она, в свою очередь, обратно пропорциональна емкости конденсатора в цепи обратной связи. Использование же дешевых конденсаторов, рассчитанных на работу при температуре до 85 градусов, плюс очень тяжелый температурный режим работы "дежурки" (она работает непрерывно, в то время как охлаждающий блок питания вентилятор – только когда компьютер включен), характерный для наиболее дешевых блоков питания, приводили к тому, что примерно через полтора года эксплуатации БП конденсатор начинал высыхать, а емкость его – соответственно, уменьшаться. Одновременно с уменьшением емкости начинало расти выходное напряжение дежурного источника, а так как от него запитывается основной стабилизатор блока питания, то в один прекрасный момент это приводило к выходу основного стабилизатора из строя в момент включения компьютера, причем выход этот сопровождался выдачей по всем шинам питания завышенных в два-три раза напряжений. Разумеется, компьютер после такого фактически полностью выгорал, вплоть до визуально обнаруживаемого прогорания микросхем на материнской плате, в винчестере и так далее... Некоторые шансы сохранялись разве что у процессора и памяти – если выдерживали их собственные стабилизаторы, расположенные на материнской плате.

Конечно, со временем производители одумались и стали устанавливать в "дежурку" практически вечные пленочные конденсаторы вместо электролитических, благо емкость там требовалась небольшая – однако к этому моменту было выпущено уже достаточное количество таких "бомб замедленного действия", чтобы служить очень серьезным аргументом в пользу покупки более дорогих и качественных блоков питания, в которых столь сомнительные схемотехнические решения не применялись.
Коррекция фактора мощности

В цепях переменного тока принято различать четыре вида мощности. Во-первых, это мгновенная мощность – произведение тока на напряжение в данный момент времени. Во-вторых, это так называемая активная мощность – мощность, выделяющаяся на чисто резистивной нагрузке, измеряется она в ваттах - Вт. Активная мощность целиком идет на полезную работу (нагрев, механическое движение), и обычно именно ее понимают под потребляемой мощностью.

Так как реальная нагрузка обычно имеет еще индуктивную и емкостную составляющие, то к активной мощности добавляется реактивная, измеряемая в вольт-амперах реактивных – ВАР. Нагрузкой реактивная мощность не потребляется – полученная в течение одного полупериода сетевого напряжения, она полностью отдается обратно в сеть в течение следующего полупериода, лишь зря нагружая питающие провода. Таким образом, реактивная мощность совершенно бесполезна, и с ней по возможности борются, применяя различные корректирующие устройства.

Фактором, или коэффициентом мощности называется отношение активной мощности к полной, то есть к векторной сумме активной и реактивной мощностей.

Импульсный блок питания без каких-либо дополнительных цепей коррекции представляет собой мощную емкостную нагрузку – ведь, как видно из приведенной ранее схемы, сразу после диодного моста D1 расположены два конденсатора, причем сравнительно большой емкости, с которых уже снимается напряжение питания импульсного стабилизатора. При включении блока питания в сеть первой четвертьволной сетевого напряжения конденсаторы заряжаются до трехсот с небольшим вольт, потом сетевое напряжение начинает быстро спадать (вторая четвертьволна), в то время как конденсаторы значительно медленнее разряжаются в нагрузку (то есть в импульсный стабилизатор) – в результате в момент начала роста сетевого напряжения (третья четвертьволна) напряжение на не успевших до конца разрядиться конденсаторах будет порядка 250В, и пока напряжение в сети меньше – ток заряда будет равен нулю (диоды выпрямителя заперты приложенным к ним обратным напряжением, равным разности напряжений на конденсаторах и в сети). На последней трети четвертьволны (разумеется, все численные оценки я даю весьма приблизительно – в реальности они зависят от величины нагрузки и емкости конденсаторов) напряжение в сети превысит напряжение на конденсаторах – и потечет ток заряда. Заряд прекратится, как только напряжение в сети снова станет меньше, чем на конденсаторах – это произойдет в первой половине четвертой четвертьволны. В результате блок питания потребляет мощность от сети питания короткими импульсами, приблизительно совпадающими с пиками синусоиды сетевого напряжения:


Блок питания без PFC

На приведенной выше осциллограмме зеленый "луч" – сетевое напряжение, а желтый – потребляемый блоком питания от сети ток. При такой картине фактор мощности получается равен приблизительно 0,7 – то есть почти треть мощности лишь бестолку нагревает провода, не производя никакой полезной работы. И если для частных пользователей эта цифра не имеет большого значения, ибо квартирные электросчетчики учитывают лишь активную мощность, то для крупных офисов и вообще любых помещений, где одновременно работает множество компьютеров, низкий коэффициент мощности представляет собой заметную проблему, ибо вся электропроводка и сопутствующее оборудование должно рассчитываться исходя именно из полной мощности – иначе говоря, при коэффициенте мощности 0,7 оно должно быть на треть мощнее, чем могло бы быть, не потребляй блок питания реактивную мощность. Также сказывается низкий коэффициент мощности и при выборе источников бесперебойного питания – для них ограничением является опять же полная, а не активная мощность.

Соответственно, в последнее время все большую популярность приобретают устройства коррекции коэффициента мощности (PFC). Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC, представляющий собой обычный дроссель сравнительно большой индуктивности, включенный в сеть последовательно с блоком питания.


Блок питания с пассивным PFC

Как видно из этой осциллограммы, пассивный PFC несколько сглаживает импульсы тока, растягивая их во времени – однако индуктивности дросселя, габариты которого позволяют установить его внутри компьютерного блока питания, для серьезного влияния на коэффициент мощности явно недостаточно, и коэффициент мощности блоков с пассивным PFC составляет всего лишь около 0,75.

Увеличить индуктивность дросселя не позволяют не только габариты, но и влияние этого дросселя на работу блока питания – включенная последовательно с блоком питания большая индуктивность увеличивает выходное сопротивление высоковольтного выпрямителя.

Отчасти дроссель PFC может служить для подавления различных помех, однако и в этом польза от него невелика – из-за большой паразитной емкости он эффективно давит только низкочастотные помехи, свободно пропуская высокочастотные.

Таким образом, роль пассивного PFC в общем неоднозначна – коэффициент мощности он увеличивает крайне мало, да при этом еще увеличивает выходное сопротивление выпрямителя, что ухудшает реакцию блока питания на стабильно пониженное напряжение сети или на его кратковременные провалы. Поэтому, если Вы стоите перед выбором между двумя блоками питания – с пассивным PFC и без оного – то рассматривать наличие PFC как однозначное преимущество не стоит, и лучше будет делать свой выбор на основе других параметров блоков.

В отличие от пассивного, активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение. Активный PFC включается между сетью 220В и основным стабилизатором, обеспечивая на входе последнего постоянное напряжение порядка 380...400В. В отличие от основного импульсного стабилизатора, активный PFC сконструирован так, что ему на входе не требуется сглаженное напряжение, следовательно, не требуются и конденсаторы – а потому импульсный источник питания активного PFC не создает емкостной нагрузки на сеть и, соответственно, имеет близкий к единице коэффициент мощности.


Блок питания с активным PFC

Как Вы видите, форма тока, потребляемого блоком питания с активным PFC, очень мало отличается от потребления обычной резистивной нагрузки – результирующий коэффициент мощности такого блока может достигать 0,95...0,98 при работе с полной нагрузкой. Правда, по мере снижения нагрузки коэффициент мощности уменьшается, в минимуме опускаясь примерно до 0,7...0,75 – то есть до уровня блоков с пассивным PFC. Впрочем, надо заметить, что пиковые значения тока потребления у блоков с активным PFC все равно даже на малой мощности оказываются заметно меньше, чем у всех прочих блоков.

Ниже на графике приведены результат экспериментального измерения зависимости коэффициента мощности от нагрузки на блок питания для трех блоков – без PFC вообще, с пассивным PFC и, наконец, с активным PFC.


Мало того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания. Во-первых, он дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока – мало того, что блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению, так еще и при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110...230В, не требующие ручного переключения напряжения сети. Во-вторых, использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения – в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя C1 и C2, а эта энергия пропорциональна квадрату напряжения на них; как я отмечал выше, при использовании активного PFC это напряжение достигает 400В против обычных 310В – следовательно, эффективность использования конденсаторов увеличивается более чем в два раза (из-за того, что запасенная в конденсаторах энергия вычерпывается далеко неполностью, эффективность растет еще быстрее, чем квадрат напряжения на конденсаторах).

Фактически, у активного PFC только два недостатка – во-первых, как и вообще любое усложнение конструкции, он снижает надежность блока питания, во-вторых, он также имеет КПД, отличный от 100%, а потому требует охлаждения (впрочем, с другой стороны, активный PFC несколько снижает потери во входном фильтре и в самом инверторе, так что общего падения КПД блока не происходит). Тем не менее, преимущества от использования активного PFC в абсолютном большинстве случаев перевешивают эти недостатки.

Итак, если Вы нуждаетесь в блоке с коррекцией фактора мощности, то обращать внимание надо в первую очередь на модели с активным PFC – только они обеспечивают действительно хороший коэффициент мощности, при этом еще и заметно улучшая прочие характеристики блока питания. С точки зрения домашних пользователей блоки с активным PFC окажутся полезными для владельцев маломощных UPS'ов: допустим, у Вас уже стоит UPS мощностью 500 ВА, из которых 50 ВА потребляет ЖК-монитор, а 450 ВА остаются на системный блок, и Вы собираетесь проапгрейдить последний до современного уровня – а достаточно серьезная современная конфигурация вполне может потреблять от блока питания при максимальной загрузке до 300 Вт. В таком случае, на блоке питания с коэффициентом мощности 0,7 и КПД 80% (это достаточно типичная цифра для хорошего блока) мы получим полную потребляемую от сети мощность 300/(0,75*0,8) = 500 ВА, а на таком же блоке с коэффициентом мощности 0,95 – соответственно, 300/(0,95*0,8) = 395 ВА. Как видите, в случае с блоком питания без PFC замена UPS'а на более мощный неминуема, иначе в случае отключения электричества в неподходящий момент нынешний просто не справится с нагрузкой, а в случае с блоком с активным PFC даже еще остается небольшой запас в 55 ВА. По-хорошему, конечно, в этом расчете надо учитывать еще и то, что на выходе недорогих UPS напряжение имеет не синусоидальную, а трапециевидную форму – однако при этом изменятся лишь абсолютные полученные цифры, преимущество же блока питания с активным PFC сохранится.

И в заключение этого раздела хотелось бы развеять один миф, связанный с PFC: многие пользователи путают коэффициент мощности и коэффициент полезного действия, в то время как это совершенно различные величины. КПД по определению равен отношению выходной мощности блока питания к потребляемой им от сети активной мощности, в то время как коэффициент мощности – отношению потребляемой от сети активной мощности к потребляемой от сети полной. Установка в блок питания схемы PFC влияет на потребляемую им активную мощность лишь опосредованно – за счет того, что сам PFC потребляет некоторую мощность, плюс изменяется входное напряжение основного стабилизатора; основной задачей PFC является уменьшение потребляемой блоком реактивной мощности, которая в расчете КПД никак не учитывается. Поэтому непосредственной связи между КПД и коэффициентом мощности – нет.
Стенд для тестирования блоков питания

Основной стенда для тестирования блоков питания в нашей лаборатории является полуавтоматическая установка, позволяющая устанавливать требуемую нагрузку на шины +5В, +12В, +3,3В и +5В дежурного режима испытуемого блока, одновременно измеряя соответствующие выходные напряжения.


Аппаратная часть установки базируется на 4-канальном ЦАП Maxim MX7226, к выходам которого подключены источники тока. Последние выполнены на операционных усилителях LM324D и мощных полевых транзисторах IRFP064N, установленных на радиаторы с принудительным воздушным охлаждением.


Каждый из транзисторов имеет предельную рассеиваемую мощность 200 Вт, а так как в каждом из наиболее мощных каналов нагрузки (+5В и +12В) используется по три таких транзистора, то установка позволяет тестировать любые существующие на данный момент ATX блоки питания, вплоть до самых мощных – даже с учетом снижения допустимой мощности рассеяния транзисторов по мере роста их температуры допустимая мощность нагрузки по каждому из каналов составляет не менее 400 Вт.

Для измерения установленных токов нагрузки и выходных напряжений тестируемого блока в установке используются два 4-канальных АЦП Maxim MX7824 – один АЦП отвечает за токи, другой – за напряжения.

Все управление установкой, начиная от включения тестируемого блока питания и заканчивая проведением всех возможных тестов, а также регистрация и обработка их результатов, осуществляется с компьютера по порту LPT. Специально для этих целей была написана программа, позволяющая как вручную устанавливать ток нагрузки независимо по каждой из шин, так и выполнять некоторые стандартные тесты блоков питания (например, построение кросс-нагрузочной характеристики, о чем будет сказано ниже) в полностью автоматическом режиме.


Помимо основной установки, для тестирования блоков также используются два вспомогательных приспособления. Во-первых, это генератор прямоугольных импульсов с частотой, дискретно изменяемой от 60 Гц до 40 кГц:


Генератор подключается к тестируемому блоку питания в виде нагрузки – с помощью переключателя можно выбирать, будет ли он подключен к шине +12В или же к +5В, в обоих случаях пиковый ток создаваемой им нагрузки составляет около 1,3 А. Это позволяет оценить, насколько хорошо тестируемый блок питания реагирует на сравнительно мощные импульсы нагрузки прямоугольной формы, следующие с частотами от десятков герц до десятков килогерц.

Во-вторых, для снятия осциллограмм потребляемого блоком питания тока и, одновременно, питающего сетевого напряжения используется обычный шунт на мощных проволочных резисторах суммарным сопротивлением около 0,61 Ом:


К этой плате при тестировании блока питания подключаются щупы цифрового двухканального осциллографа – один его канал фиксирует осциллограмму сетевого напряжения, а другой – осциллограмму потребляемого блоком питания тока. Далее полученные осциллограммы обрабатываются специально написанной для этого небольшой программой, сразу рассчитывающей все интересующие нас параметры – потребляемую им активную, реактивную и полную мощности и, соответственно, коэффициент мощности и КПД блока питания.


Для снятия осциллограмм используется цифровой двухканальный "виртуальный" осциллограф (виртуальность в данном случае означает, что этот осциллограф представляет собой устанавливаемую в компьютер плату и без компьютера, в отличие от обычных осциллографов, работать не может, ибо не обладает собственными аппаратными средствами управления и отображения информации) M221 производства словацкой компании ETC. Осциллограф имеет полосу пропускания аналоговой части 100 МГц, максимальную скорость оцифровки произвольного сигнала 20 млн. сэмплов в секунду и чувствительность от 50 мВ/дел до 10 В/дел. Помимо измерений КПД и коэффициента мощности тестируемых блоков питания, осциллограф используется для оценки размаха, формы и частотного состава пульсаций выходных напряжений блоков питания.


Для быстрой оценки токов и напряжений в процессе тестирования, а также для периодической проверки другого измерительного оборудования, в нашей лаборатории используется мультиметр Uni-Trend UT70D, позволяющий с очень хорошей точностью измерять токи и напряжения, в том числе и несинусоидальной формы, что очень важно при тестировании блоков питания без коррекции фактора мощности – многие измерительные приборы, не имеющие пометки "TrueRMS", не способны адекватно измерять переменные токи и напряжения, чья форма отличается от синусоиды.


Для измерения температуры внутри блока питания нами используется цифровой термометр Fluke 54 Series II с термопарами 80PK-1 и 80PK-3A (наименования всех моделей даны по каталогу Fluke). К сожалению, имеющийся у нас бесконтактный инфракрасный цифровой термометр показал неудовлетворительную точность измерений на блестящих металлических поверхностях (например, на алюминиевых радиаторах блоков питания), что и вынудило нас перейти на использование термопарного термометра.


Для измерения скоростей вентиляторов блоков питания используется оптический тахометр Velleman DTO2234. Он позволяет без малейших проблем проводить измерения скорости вентилятора в закрытом блоке питания, то есть без нарушения его естественного теплового режима – достаточно лишь наклеить на одну из лопастей вентилятора тоненькую полоску отражающего материала.


И, наконец, для обеспечения всех блоков питания одинаковым сетевым напряжением, вне зависимости от его суточных колебаний, а также для обеспечения возможности тестирования блоков при повышенном или пониженном напряжении питания они подключаются к сети через лабораторный автотрансформатор Wusley TDGC2-2000 с допустимой мощностью нагрузки до 2 кВт и пределами регулировки напряжения от 0 до 250В.
Методика тестирования блоков питания

Первым и наиболее важным тестом для любого блока питания является построение так называемой кросс-нагрузочной характеристики. Как я уже говорил в теоретической части статьи, каждое выходное напряжение блока питания зависит от нагрузки не только на соответствующую ему шину, но и от нагрузок на все остальные шины.

Стандартом ATX предусмотрены максимальные допустимые отклонения выходных напряжений от номинала – это 5% для всех положительных выходных напряжений (+12В, +5В и +3,3В) и 10% для отрицательных выходных напряжений (-5В и -12В, из которых, впрочем, в современных блоках осталось только последнее). Кросс-нагрузочной же характеристикой (КНХ) блока называется та область сочетаний нагрузок, при которой ни одно из выходных напряжений не выходит за допустимые рамки.

Строится КНХ в виде области на плоскости, где по горизонтальной оси координат отложена нагрузка на шину +12В, а по вертикальной – суммарная нагрузка на шину +5В и +3,3В. При построении КНХ установка для тестирования блоков питания в полностью автоматическом режиме меняет нагрузку на эти шины с шагом в 5 Вт и, если все выходные напряжения блока на данном шаге уложились в заданные рамки, ставит на плоскости точку, цвет которой – от зеленого до красного – соответствует отклонению каждого из напряжений в данной точке от номинала. Так как используемая нами установка контролирует три основных выходных напряжения, то для каждого блока питания получаются, соответственно, три графика (для каждого из напряжений), на которых одна и та же область будет закрашена разными цветами. Форма области на всех трех одинакова, так как она определяется не для каждого из напряжений в отдельности, а для всех вместе, и выход за допустимые границы любого из напряжений означает, что соответствующей точки не будет на графиках для всех напряжений; закраска же области различна потому, что строится индивидуально для каждого из напряжений. Ниже приведен пример КНХ для блока Macropower MP-360AR Ver. 2, раскрашенная в соответствии с отклонениями напряжения +12В (в статьях я буду приводить анимированные картинки, в которых по очереди будут показываться все три напряжения, текущее напряжение указывается в верхнем правом углу графика, над цветовой шкалой):


На этом графике каждая точка строго соответствует одному шагу измерений, причем для удобства в процессе измерений точки, в которых напряжения вышли за допустимые рамки, обозначаются серым цветом и меньшим размером – это необходимо для удобства экспериментатора, наблюдающего за ходом измерений в реальном времени. После окончания измерений полученные данные обрабатываются с помощью билинейной интерполяции – так вместо отдельных точек получается более удобная для восприятия закрашенная область с четкими краями:


Итак, что мы видим на этом графике? Протестированный блок питания замечательно справляется с нагрузкой по шине +12В – он способен выдавать положенные напряжения при максимальной нагрузке по этой шине и всего лишь 5Вт по шине +5В (5Вт – это типичное начальное значение при наших измерениях; для мощных блоков, нестабильно работающих при столь незначительных нагрузках, оно увеличивается до 15 Вт или 25 Вт).

Ровная вертикальная граница в правой нижней части графика означает, что здесь блок дошел до предела мощности шины +12В (для данного блока она составляет 300Вт), и установка не стала увеличивать ток нагрузки дальше во избежание выхода блока питания из строя. Выше вертикальная граница переходит в наклонную (правый верхний угол графика) – это область, где установка дошла до предельной мощности блока питания (в данном случае она составляет 340Вт), а потому по мере увеличения нагрузки на +5В вынуждена была снижать нагрузку на +12В, чтобы опять же предотвратить выход блока питания из строя или срабатывание его защиты.

Продолжаем обходить контур против часовой стрелки. В верхней части графика наклонная линия переходит в ровную горизонтальную – это область, где установка достигла предельно допустимой нагрузки по +5В, а потом не стала более увеличивать мощность по этой шине, хотя блок питания выдавал напряжения в пределах нормы.

И, наконец, в левой верхней части графика мы видим неровную наклонную линию, которая явно не объясняется пределом по мощности – ведь нагрузка по +12В в этой области слишком мала. Зато эта линия прекрасно объясняется красным цветом графика – при большой нагрузке по +5В и малой по +12В напряжение по шине +12В достигло 5% отклонения, тем самым обозначив границу КНХ.

Таким образом, по этому графику можно сказать, что данный блок питания хорошо держит уровень выходных напряжений и позволяет без проблем получить от него заявленную мощность, но будет предпочтителен для наиболее современных систем с питанием как процессора, так и видеокарты от +12В, ибо перекос нагрузки в сторону этой шины воспринимает лучше, нежели перекос в сторону шины +5В.

Для сравнения давайте посмотрим на КНХ существенно более дешевого блока питания – L&C LC-B300ATX с заявленной мощностью 300Вт. График в данном случае опять же построен только для напряжения +12В:


Отличия от MP-360AR сразу же бросаются в глаза. Во-первых, нижняя линия контура уже не горизонтальная – в правой части она начинает уходить вверх, причем по красному цвету видно, что это было вызвано не только выходом за пределы напряжения +5В (что бывает достаточно часто при большой нагрузке по +12В), но и проседанием напряжения +12В. Во-вторых, на контуре нет верхней горизонтальной "полки", верхняя точка графика соответствует нагрузке по +5В около 150Вт – а это означает, что обещанные производителем по этой шине максимальные 180Вт на практике получить невозможно в принципе, ни при каких комбинациях нагрузок. В-третьих, несмотря на более высокую заявленную мощность по шинам +5В и +3,3В по сравнению с MP-360AR (180Вт против 130Вт), хорошо видно, что наклонная линия в левой верхней части графика у MP-360AR начиналась на мощности нагрузки по +5В более 80 Вт, в то время как у LC-B300 – всего лишь около 50 Вт. Это означает, что, несмотря на формально заявленную большую мощность по шине +5В у LC-B300 по сравнению с MP-360AR, на практике во многих случаях получить большую реальную мощность по этой шине удастся как раз от блока производства Macropower.

Думаю, внимательные читатели уже заметили, что, если построить оба графика в одинаковом масштабе, КНХ блока от Macropower окажется по сравнению с КНХ блока от L&C сильно вытянута вдоль оси +12В. Объясняется это тем, что эти два блока относятся к разным версиям стандарта ATX/ATX12V Power Supply, в которых предпочтительным считалось разное распределение нагрузки между шинами блока питания. Для сравнения ниже на рисунке нанесены КНХ, которыми, по мнению Intel (как составителя всего семейства стандартов ATX) в разные годы должны были обладать блоки питания:


Как видите, изначально стандарт ATX предполагал потребление в основном от шин +5В и +3,3В – и действительно, практически вся начинка компьютера питалась от этих напряжений, на +12В заметную нагрузку создавала разве что механика винчестеров и оптических приводов.

Однако со временем ситуация стала меняться – процессоры становились все мощнее, и питание их от +5В создавало целый ряд проблем для разработчиков материнских плат. Во-первых, на тот момент уже было ясно, что рост энергопотребления процессоров продолжится и дальше, что приведет к большому потребляемому току по +5В, а потому возникнет проблема с подведением таких токов к материнской плате – стандартный разъем может просто не справиться. Во-вторых, разъем питания материнской платы придется либо втискивать рядом с VRM процессора, либо же тащить от него через всю плату к VRM шину, рассчитанную на большие токи, что опять же затруднительно...

В связи с этим Intel предложил стандарт ATX12V, согласно которому процессор должен питаться от шины +12В – очевидно, что при той же мощности потребления это означает в 2,4 раза меньший ток. Однако, так как в основном разъеме ATX всего один провод +12В, пришлось ввести дополнительный 4-контактный разъем ATX12V... впрочем, этим Intel убил сразу двух зайцев – не только заранее решил проблему обгорания контактов разъема из-за слишком больших токов нагрузки, но и упростил для производителей материнских плат дизайн PCB, ибо расположить маленький 4-контактный разъем непосредственно рядом с VRM намного проще, чем больше 20-контактный.

К сожалению, компания AMD не поддержала инициативу Intel, а потому многие владельцы материнских плат под Socket A, из которых даже среди имеющихся в продаже в данный момент 20-25% все еще не имеют разъема ATX12V, в полном объеме испытали проблемы, о которых Intel говорил еще четыре года назад – с появлением мощных процессоров под эту платформу появились и первые сообщения и об обгорающих контактах блока питания, и о сильном перекосе его выходных напряжений (как Вы видите из приведенных выше КНХ, даже дешевые блоки лучше справляются с нагрузкой по +12В)...

Фактически единственный технический минус от внедрения ATX12V – некоторое уменьшение КПД VRM, ибо КПД любого импульсного преобразователя с увеличением разницы между входным и выходным напряжениями уменьшается. Впрочем, это с лихвой компенсировалось увеличением КПД собственно блока питания – как и для разработчиков материнских плат, для разработчиков блоков питания решение ориентироваться на основное потребление по шине +12В сильно упростило дизайн блоков.

Как Вы видите из графиков, версии ATX12V до 1.2 включительно отличались от обычного ATX лишь увеличенным допустимым потреблением по шине +12В. Более серьезные изменения произошли в версии 1.3 – в ней впервые за все время развития компьютерных блоков питания требуемая допустимая нагрузка по шине +5В уменьшилась, при этом нагрузка по шине +12В увеличилась еще больше – фактически началась адаптация блоков питания к наиболее современным системам, в которых все меньше потребителей остается на шине +5В (процессоры давно уже питаются от +12В, а сейчас за ними последовали и видеокарты). В отличие от предыдущих моделей, ATX12V 1.3 блок питания уже не обязан поддерживать стабильные напряжения при большой нагрузке на +5В и малой – на +12В.

И, наконец, последней версией на сегодняшний день является ATX12V 2.0. Как нетрудно заметить, в ней мощность блока питания по шине +5В уменьшилась еще сильнее – теперь она составляет всего 130Вт; зато сильно выросла допустимая мощность нагрузки по +12В. Кроме этого, блоки ATX12V 2.0 приобрели 24-контактный разъем питания материнской платы вместо старого 20-контактного – если четыре года назад старого разъема перестало хватать для питания процессора, в связи с чем был придуман ATX12V, то теперь допустимого тока разъема не хватает уже для питания PCI Express карт. Также в блоках ATX12V появилось два источника +12В, но на самом деле внутри блока они являются одним источником, раздельные лишь ограничения тока срабатывания защиты – согласно требованиям безопасности по стандарту IEC-60950, на шине +12В не допустимы токи более 20А, поэтому и приходится разбивать эту шину на две части. Впрочем, производители в случаях, когда соответствие этому стандарту не требуется, могут просто не устанавливать соответствующую схему – тогда ATX12V 2.0 блок питания с токами по шинам +12В, скажем, 10А и 15А, можно спокойно рассматривать как блок питания с одной шиной +12В с током 25А.

Итак, если возвращаться к рассмотренным выше блокам, то можно сказать, что MP-360AR Ver. 2 соответствует стандарту ATX12V 2.0, а LC-B300 – стандарту ATX12V 1.2, отсюда и такая разница в их КНХ. Впрочем, причина, конечно, не только в формальном соответствии разным версиям стандарта – вспомните, как я сетовал на то, что от LC-B300 на практике невозможно получить заявленную мощность по +5В... а теперь давайте наложим на его график рекомендуемую Intel КНХ для 300-ваттных ATX12V 1.2 блоков:


Как Вы видите, блок попросту не вписывается в требования стандарта для 300-ваттных моделей по допустимой нагрузке на +5В, поэтому рассматривать его как 300-ваттный можно разве что с оговоркой, что ватты эти не слишком честные. Для сравнения можно посмотреть на график того же MP-360AR, но уже с рекомендуемой КНХ для 350-ваттных ATX12V 2.0 блоков:


Как Вы видите, соответствие практически идеальное. Думаю, комментарии относительно сравнительного качества этих двух блоков излишни.

Вообще говоря, соответствовать весьма жестким требованиям Intel к КНХ достаточно непросто – есть не столь много блоков, которые могут этим похвастаться, однако и столь грубое нарушение рекомендаций, как в случае с LC-B300, встречается нечасто.

Относительно же расцветки КНХ можно сказать, что идеалом, конечно, является равномерный зеленый цвет... впрочем, идеал, как известно, обычно недостижим. Достаточно нормальна ситуация, когда каждое напряжение, кроме достаточно стабильного +3,3В, проходит весь диапазон от зеленого или желто-зеленого цвета у одного края графика до красного у другого, бывает также, что зеленого цвета на КНХ нет вообще – это означает, что напряжение было изначально завышено. Самое же плохой является ситуация, когда какое-либо напряжение проходит весь диапазон цветов дважды – от красного у одного края через зеленый в середине до красного у другого края КНХ. Такая ситуация, например, видна у рассмотренного выше LC-B300 и означает, что на одном краю КНХ напряжение сильно просело (очевидно, что при маленькой нагрузке на +5В и большой на +12В последнее может только просесть), а на другом краю – наоборот, сильно выросло; иначе говоря, его стабильность очень сильно оставляет желать лучшего...

И, под завершение описания КНХ, приведу пример идеального блока питания. Выше я уже мимоходом упоминал о блоках питания Antec и OCZ с раздельными вспомогательными стабилизаторами на каждой из основных шин, ниже я предлагаю Вашему вниманию экспериментально измеренную КНХ блока OCZ Technology PowerStream OCZ-470ADJ (это уже полноценная картинка со всеми тремя напряжениями, период смены кадров – 5 сек.):


Как Вы видите, мало того, что весь контур КНХ определяется только допустимой максимальной нагрузкой блока питания, так ни одно напряжение даже не приблизилось к 5-процентному отклонению. К сожалению, пока что такие блоки питания сравнительно дороги...

Разумеется, построением КНХ испытания блоков питания не заканчиваются. Во-первых, все блоки проверяются на стабильность работы при постоянной нагрузке от нуля до максимальной с шагом 75 Вт. Таким образом выясняется, способен ли блок вообще выдержать полную нагрузку.
Во-вторых, по мере увеличения нагрузки измеряется температура диодных сборок блока и скорость вращения вентилятора, которая практически во всех современных блоках питания так или иначе зависит от температуры.

К результатам измерений температуры, впрочем, стоит относиться с некоторым скепсисом – у большинства блоков питания разные конструкции радиаторов и расположение диодных сборок на них, а потому измерения температуры имеют довольно большую погрешность. Тем не менее, в критических случаях, когда блок питания оказывается на грани смерти от перегрева (а такое иногда случается в наиболее дешевых моделях), показания термометра могут оказаться интересными – так, в моей практике были блоки, в которых под полной нагрузкой радиаторы разогревались выше сотни градусов.

Более интересны измерения скорости вращения вентиляторов – несмотря на то, что все производители заявляют их температурную регулировку, практическая реализация может очень сильно отличаться. Как правило, для блоков нижнего ценового диапазона начальная скорость вентилятора уже составляет порядка 2000...2200 об./мин. и по мере прогрева меняется лишь на 10...15%, в то время как для качественных блоков начальная скорость может составлять всего лишь 1000...1400 об./мин., при прогреве на полной мощности увеличиваясь в два раза. Очевидно, что если в первом случае блок питания будет шумным всегда, то во втором пользователи не слишком мощных систем, слабо нагружающих блок питания, могут рассчитывать на тишину.

Также при работе блока питания на полной мощности проводятся измерения размаха пульсаций его выходных напряжений. Напомню, что, согласно стандарту, размах пульсаций в диапазоне до 10 МГц не должен превышать 50 мВ для шины +5В и 120 мВ для шины +12В. На практике на выходе блока могут присутствовать заметные пульсации двух частот – около 60 кГц и 100 Гц. Первая является результатом работы ШИМ-стабилизатора блока (обычно его частота около 60 кГц) и присутствует в той или иной мере на всех блоках питания. Ниже приведена осциллограмма достаточно типичных пульсаций на частоте работы ШИМ, зеленым цветом – шина +5В, желтым – +12В:


Как Вы видите, здесь именно тот случай, когда пульсации на шине +5В вышли за допустимые пределы в 50 мВ. На осциллограмме видна именно классическая форма таких пульсаций – треугольная, хотя в более дорогих блоках питания моменты переключения обычно сглаживаются стоящими на выходе дросселями.

Вторая же частота – это удвоенная частота питающей сети (50 Гц), проникающая на выход обычно из-за недостаточной емкости конденсаторов высоковольтного выпрямителя, ошибок в схемотехнике или же неудачного дизайна силового трансформатора или печатной платы блока. Как правило, эти колебания (в статьях они приводятся с временной разверткой 4 мс/дел) наблюдаются у многих блоков нижнего ценового диапазона и достаточно редко встречаются у моделей среднего класса. Размах этих пульсаций растет пропорционально нагрузке на блок питания и в максимуме также иногда может выходить за допустимые рамки.

Также к блоку питания при нагрузке 150 Вт подключается уже упоминавшийся выше в предыдущем разделе статьи генератор прямоугольных импульсов, после чего с помощью осциллографа измеряется амплитуда импульсов на другом проводе блока питания, то есть не на том, к которому подключен генератор. Таким образом проверяется общая реакция блока на подобную импульсную нагрузку, и, в частности, то, насколько хорошо он будет подавлять помехи от каждого из подключенных к нему устройств. Впрочем, из-за наличия резких всплесков напряжения в моменты переключения генератора точность измерения не слишком высока, однако иногда и из этих измерений можно сделать интересные выводы.

И, наконец, измерения КПД и коэффициента мощности блоков. Пожалуй, это наименее важный и интересный раздел – как показал опыт, эти параметры достаточно близки для различных блоков, а так как для абсолютного большинства пользователей они не имеют никакого значения, так как небольшие их колебания не оказывают никакого влияния на работу компьютера (а больших колебаний среди разных моделей однотипных блоков не наблюдается), то измерения проводятся только в достаточно редких случаях. Так, коэффициент мощности измеряется для блоков, для которых заявлена его коррекция, а КПД – либо заодно с коэффициентом мощности (фактически значение КПД получается автоматически, для этого не требуется дополнительных измерений), либо если по той или иной причине возникают подозрения, что у данного блока он выходит за допустимые рамки, что бывает крайне редко.

Хотелось бы также под конец сказать о том, что я не измеряю и измерять не буду, несмотря на наличие потенциальной возможности. Я весьма негативно отношусь к тестам, в которых измеряется абсолютно максимальная выдаваемая блоком питания мощность – когда в ходе теста нагрузка на блок повышается до момента срабатывания защиты или же просто сгорания блока. Такие тесты дают слишком сильный разброс результатов не только в зависимости от конкретного экземпляра блока, но и в зависимости от того, как именно экспериментатор его нагружает – то есть как распределяется нагрузка по шинам блока. Кроме того, для нормального функционирования компьютера нужна не некая номинальная способность блока питания держать такую-то мощность, а способность выдавать напряжения и пульсации в пределах установленного стандартом допуска, на что в таких тестах, к сожалению, внимание обычно не обращается. Поэтому получаемые в подобных тестах цифры хоть и весьма красивы, но, увы, имеют не слишком много отношения к реальности.

Итак, разработанная нами на данный момент методика тестирования блоков питания позволяет не только весьма детально исследовать поведение блока питания, но и наглядно сравнить различные блоки питания – и особенно наглядным это стало благодаря построению кросс-нагрузочных характеристик, по которым можно весьма объективно и без дополнительных оговорок сказать, что из себя представляет тот или иной блок.