Тестирование блоков питания ATX.

Введение

Как правило, при покупке нового компьютера внимание обращается на частоту процессора, объем памяти, размер жесткого диска... На обычный же компьютерный корпус внимание если и обращается, то разве что на его внешний вид - стоит ли купить обычную серую коробку или же разориться на модный ныне "пузатый" дизайн с цветными пластмассовыми вставками. В то же время вместе с корпусом мы покупаем такую важнейшую деталь, как блок питания - деталь, от которой зависит не только стабильная работа, но и собственно существование всего компьютера. Сравнительно мелкие недостатки блоков питания, к тому же, очень трудно диагностируются - сбои или нестабильная работа БП могут выглядеть как ошибки памяти, системной логики или операционной системы, в результате чего пользователь пытается менять память, прошивать новые BIOS'ы, переустанавливать драйвера... и все это без какого-либо положительного эффекта. Крупные же недостатки вообще могут привести к полному выходу из строя всего системного блока – что и нередко случается.
Чтобы избежать таких проблем, требуется лишь одно - покупать хорошие, качественные блоки питания. А какие же именно блоки являются хорошими - мы попытаемся выяснить ниже.

Принципы работы

Простейшая схема блока питания - так называемая линейная схема, в минимальном своем варианте известная всем еще со школьных уроков физики.
Сетевое напряжение 220В подается непосредственно на понижающий трансформатор, с его вторичной обмотки пониженное напряжение - на выпрямитель и стабилизатор. Такая схема имеет как достоинства - простота, высокая стабильность выходного напряжения, быстрая реакция на изменение нагрузки, так и существенные недостатки. В первую очередь, это неприемлемые массогабаритные показатели - люди, знакомые с электротехникой, легко могут представить себе трансформатор на мощность порядка 200-300Вт: масса его тянет на несколько килограмм, а размеры просто не позволяют упаковать в современный компактный блок питания компьютера. Во-вторых, это низкий КПД, порядка 50% - ведь линейный стабилизатор фактически представляет из себя саморегулирующийся резистор, включенный последовательно с нагрузкой, и весь избыток мощности будет выделяться на нем. Допустим, мы хотим сделать источник, способный выдавать напряжение 5В при токе до 20А: на вход стабилизатора подается напряжение около 10В (с запасом), на выходе же должно быть 5В - итого при максимальной нагрузке (ток 20А) на самом стабилизаторе будет выделяться мощность (10В-5В)*20А=100Вт, а КПД стабилизатора составит 50%. В-третьих, это сравнительно высокая чувствительность к параметрам входного напряжения - например, трансформаторы рассчитываются исходя из определенной частоты питающей сети, и для работы в сетях 50Гц и 60Гц потребуются два разных трансформатора.
По этим причинам в современной электронике крайне широко распространился другой тип блоков питания - импульсные. Здесь высокое входное напряжение подается непосредственно на выпрямитель, без понижающего трансформатора. Выпрямленное напряжение (порядка 310В постоянного тока) используется для питания мощного генератора, работающего на частотах в десятки килогерц и нагруженного на высокочастотный трансформатор, со вторичных обмоток которого и снимаются нужные нам напряжения. (На самом деле процесс несколько сложнее - энергия сначала накапливается в дросселе, а потом, уже с дросселя, отдается в нагрузку - но мы не будем здесь углубляться в технические тонкости.) В идеале при этом не происходит потерь энергии - транзистор генератора работает в так называемом ключевом режиме (он либо полностью открыт, либо полностью закрыт), и в любой момент времени либо ток через него равен нулю, либо напряжение на нем равно нулю (т.е. на этом транзисторе не выделяется мощности - в отличие от транзистора линейного стабилизатора, на котором в силу самого принципа работы всегда будет выделяться некоторая существенная мощность). В реальности, конечно, и транзистор не идеален, и в трансформаторе есть потери - поэтому КПД импульсного стабилизатора хоть и может превышать 95%, но все же 100% равен быть не может. Компьютерные же источники питания имеют КПД 65-80%.
Второй огромный плюс импульсных источников - это габариты. Высокочастотный трансформатор имеет столь скромные размеры, что человек, знакомый только с классическими линейными источниками, его и за трансформатор-то не примет (для сравнения: низкочастотный трансформатор 50Гц 220В и мощностью 160Вт только-только влезает в кубик со стороной 10см, а высокочастотный трансформатор от 145Вт блока питания имеет размеры всего лишь 2х3.5х4см). Если прибавим к этому сравнительно низкую, выделяемую на ключевых транзисторах, мощность (по причине высокого КПД), то, следовательно, отпадет необходимость в громоздких радиаторах и уж тем более в принудительном охлаждении каждого из транзисторов в отдельности - тогда и получим современный компактный и легкий блок питания.
Третий плюс, получившийся как бы сам собой: вся электроника блока работает на частотах, не зависящих от частоты питающей сети, то есть один и тот же блок можно легко использовать как в сетях 50Гц, так и в сетях 60Гц. Более того, импульсный блок питания малочувствителен и к входному напряжению - в результате он может легко работать при его изменении на 20%, т.е. в диапазоне 175-265В (в реальности же действительно хороший импульсный блок питания запускается уже при напряжении 140-150В), без применения каких-либо дополнительных устройств (наверное, многие еще помнят громоздкие феррорезонансные стабилизаторы сетевого напряжения, распространенные в эпоху ламповых телевизоров, или чуть менее громоздкие, но зато требующие присмотра ЛАТРы).
Если в линейном стабилизаторе для регулирования напряжения изменяется сопротивление транзистора, то в импульсных, как правило, применяется изменение ширины импульсов, вырабатываемых генератором – так называемая широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Стабилизатор сравнивает присутствующее на его выходе напряжение с образцовым и регулирует ширину вырабатываемых импульсов так, чтобы эти два напряжения совпадали (если напряжение оказывается ниже нормы, то импульсы становятся шире, если выше нормы - уже). Однако блок питания ATX в основном рабочем режиме вырабатывает пять выходных напряжений: +5В, -5В, +12В, -12В, +3.3В - и делать на каждое из них по отдельному импульсному стабилизатору слишком дорого для бытового устройства. Поэтому применяется только один импульсный стабилизатор, имеющий только одну линию обратной связи, идущую с выхода +5В. Ну а чтобы и на прочих выходах уложиться в заданные рамки - все выходные линии проходят через общий дроссель. В результате мы получаем хорошо стабилизированные +5В и не очень хорошо, но все же стабилизированные (благодаря дросселю) остальные четыре напряжения. Если же требуется более высокое качество стабилизации маломощных источников (-5В, -12В), то на них ставятся обычные линейные стабилизаторы.
Обязательная принадлежность ATX блока питания, отсутствующая в блоках питания стандарта AT - дежурный стабилизатор, вырабатывающий напряжение +5В (линия +5VSB, “Stand-By”), необходимое для “пробуждения'' компьютера и для поддержки функций типа Suspend-to-RAM. В первых блоках питания стандарта ATX этот стабилизатор выполнялся по классической линейной схеме. Сейчас он делается как отдельный маломощный (по спецификациям, достаточно тока 720мА, на практике максимальный выходной ток обычно бывает в пределах от 1А до 2А) импульсный стабилизатор.

Тестирование

Всего были протестированы полтора десятка блоков питания, продающихся как отдельно, так и в составе корпусов мощностью от 235 до 300Вт.
При осмотре блоков питания снаружи внимание обращалось на количество выходных разъемов для питания винчестеров и CD-приводов (желательно, чтобы их было не менее четырех - меньшее количество уже может причинить неудобства); на наличие выключателя питания 220В на задней стенке (такой выключатель очень удобен, ибо кнопкой на лицевой панели системного блока ATX блок питания не выключается, а лишь "усыпляется", и при любых манипуляциях внутри компьютера его обязательно надо выключать из сети 220В). Однако наличие выходного разъема 220В за серьезное достоинство уже принять трудно - в отличие от AT блоков питания, этот выход при выключении системного блока от сети не отключается, а посему превращается не более чем в еще одну розетку.
Но это все влияет лишь на удобство использования блока питания, а вот под его крышкой скрываются, пожалуй, более интересные вещи. Одна из самых заметных - входной фильтр, задача которого подавлять любые помехи как приходящие извне, так и идущие из самого блока питания наружу, в сеть 220В. Будучи выполненным в полном объеме - а это несколько конденсаторов и два дросселя - - такой фильтр способен побороть как импульсные помехи, так и кратковременое пропадание напряжения (такое бывает, например, при включении мощной индуктивной нагрузки - скажем, пылесоса). Более того, сам импульсный блок питания и питаемый им компьютер являются источниками целого спектра помех, и правильно сделанный фильтр не даст им попасть в сеть. Однако на практике картина не всегда бывает столь радужной - производители блоков питания зачастую экономят на дросселях, а иногда и на конденсаторах. Сравните две фотографии: на первой из них качественно выполненный фильтр блока питания, на второй же - пустая плата с перемычками вместо дросселей.Помимо фильтра, многие Noname производители любят экономить на емкости конденсаторов, на размерах радиаторов, устанавливают менее мощные транзисторы и диоды, чем следовало бы. Последнее вообще является очень частой причиной выхода БП из строя - транзисторы не выдерживают нагрузки, перегреваются, горят. Однако, к сожалению, у нас нет технической возможности проверять на тестируемых блоках питания типы электронных компонентов, поэтому об их качестве придется судить лишь по косвенным признакам (как Вы думаете, может ли производитель, выкинувший из БП все детали, без которых он хоть как-то работает, поставить дорогие транзисторы с большим запасом мощности? ;-) )
И, наконец, собственно тестирование. Сначала снимались статические характеристики блока, то есть, попросту говоря, цифровым мультиметром измерялись значения выходных напряжений при различной нагрузке. Роль последней играли три блока мощных резисторов: два из них создавали нагрузку по 50Вт каждый на шине +5В (т.е. нагрузка по этой шине могла меняться ступенчато - ток 10А или ток 20А), третий нагружал шину +12В током 8А (мощность 96Вт). Два критических режима - полная нагрузка по +5В при отсутствии нагрузки +12В и полная нагрузка по обеим шинам. В первом случае до максимума вырастает напряжение +12В (в силу схемотехнических особенностей блоков, ведь реально стабилизируется только +5В), во втором - вырастают напряжения -5В и -12В. Согласно требованиям Intel, максимально допустимые отклонения напряжений отличаются для спецификаций ATX 2.01 и ATX 2.03 и не должны превышать:



Как Вы видите, требования спецификации ATX 2.03 немного более мягкие. Однако тестирование показало, что и в них удалось вписаться не всем.
Второй этап тестирования - снятие осциллограмм выходного напряжения (использовался выход +12В) при различных вариантах нагрузки. Нагрузкой выступали или только два блока резисторов, подключенных к шине +5В (суммарная нагрузка 100Вт), или эти же два блока плюс еще три обычных вентилятора, подключенных, как им и положено, к шине +12В. Как выяснилось, вентиляторы представляют из себя довольно заметную пульсирующую нагрузку, влияние которой хорошо видно на осциллографе. На каждый из вариантов нагрузки снимались по две осциллограммы - одна при развертке 4мсек/дел (на ней хорошо видны низкочастотные пульсации напряжения, в том числе и возникающие и по вине вентиляторов), другая при развертке 4мксек/дел (на ней видны уже высокочастотные пульсации, возникающие при переключении ключевых транзисторов блока питания на частотах в десятки килогерц). Во всех случаях чувствительность осциллографа составляла 50мВ/дел.
Для снятия осциллограмм использовался "виртуальный осциллограф" Актаком ACK-3101 (полоса пропускания аналоговой части 100МГц, частота оцифровки случайного сигнала 20МГц, периодического сигнала - до 2ГГц), для измерения напряжения - цифровой мультиметр DT-9206 (в использовавшемся диапазоне погрешность не более +/- 0.5% от измеренного значения +/- 0.01В)

Участники тестирования

Genius, 235Вт модель AM607BS-235WS - блок питания из корпуса Genius Venus.
L&C Technology Inc., 235Вт модель LC-235ATX - он попал к нам в двух экземплярах: один продавался отдельно, другой был установлен в корпусе minitower 917J.
L&C Technology Inc., 250Вт модель LC-250ATX - корпус miditower E-Star 8870J.
fki, 250Вт модель ATX-250W - эти блоки питания устанавливаются в корпуса, в прайс-листах как правило именуемые "ASUS". Однако на самом деле компания ASUSTeK к ним отношения не имеет - производителем корпусов является все та же fki.
fki, 250Вт модель FV-250N20 - этот блок стандарта ATX 2.03 попал к нам из корпуса FKI FK-600 (как было сказано выше, часто ошибочно называемого "ASUS").
PowerMan, 250Вт модель FSP250-60GTA - эти блоки питания устанавливаются в корпуса InWin (S500, A500, A700 и т. д.).
Samsung, 250Вт модель SPS250W PSCD 231605D - один такой блок встретился нам в корпусе Space K-1 производства Samsung, другой - в корпусе Elle.
Power One, 250Вт модель ATX8-1 250W - был изъят из корпуса miditower Chenbro Opal 6562.
Key Mouse Electronics (KME), 250Вт модель PX-250W - отдельно продающийся блок питания, также встречающийся под маркой MaxUs (в последнем случае на этикетке присутствуют обе надписи - как "MaxUs", так и "Key Mouse Electronics").
KME (MaxUs), 300Вт модель PX-300W.
MEC, 250Вт модель MEC-126 ATX-250W - этот блок установлен в корпусе MEC HR 302.
High Power, 250Вт модели HPS-250-101 и HPS-250-102 - первый из этих двух почти одинаковых блоков питания был установлен в корпусе ViewStation E602, второй - в корпусе от SuperMicro.
High Power, 300Вт модель HPS-300-101 - блок питания из корпусов SuperMicro.
Jou Jye Electronic Co., Ltd., 300Вт модель JJ-300-A - эти блоки питания, очень часто встречающиеся в продаже, куда более известны под именем PowerMaster.

Ниже в одну таблицу собраны максимальные токи нагрузки блоков так, как они заявлены их производителями:



Даже из официальных данных уже складывается интересная картина. Так, 235Вт блок от Genius по максимальным токам вполне может поспорить с некоторыми более мощными изделиями; у блоков от MEC и Samsung обращают на себя внимание, напротив, неожиданно низкие токи - у первого по шине +3.3В, у второго по шине +12В. Однако давайте посмотрим, как поведут себя эти блоки в деле – может и не стоит ругать их заранее?