Принципы устройства, основные элементы и характеристики блоков питания ПК

Содержание:

Введение

Разъемы

Делятся на:

• питание материнской платы
• питание процессора CPU
• питание графического адаптера GPU
• питание периферийных устройств HDD, SSD и др.

Питание материнской платы

Изначально блоки питания формата ATX имели 20-ти контактный разъем питания материнской платы. Он имел один контакт +12 V по которому возможно подача тока до 6 А (при использовании стандартных контактов Molex. Так же есть контакты Molex HCS — 9 А и Molex Plus HCS — 11 А. Кроме названия информации о них никакой не нашел. Какие контакты используются в современных комплектующих пока не известно). Этого вполне хватало до появления слотов PCI-E. В связи с этим основное питание было увеличено до 24 контактов. Добавили еще по одной линии +3.3 V, +5 V, +12 V и земля.

Рисунок Виды разьёмов

Последние 4 контакта 11,12,23 и 24 сделаны съемными и не используются при подключении к 20-ти контактной розетке материнской платы. Это сделано для совместимости. Так же можно подключить 20-ти контактный разъем блока питания к 24 контактному на материнской плате в случае новой платой и старого блока. В этом случае лучше обойтись встроенным в процессор видео, т.к. при использовании дискретного графического адаптера возможна нехватка питания для слота PCI-E со всеми вытекающими последствиями вплоть до возможности купить новый компьютер.

Рисунок Пример видов разъема

+3.3 V Sense (Коричневый) — контакт предназначенный для обратной связи. С помощью него блок питания регулирует напряжение +3.3 V.

-5 V (Белый) — в современных блоках питания не используется и исключен из 24-х контактного разъема. Использовался для обратной совместимости шины ISA.

Power ON (Зеленый) — контакт позволяющий современным операционным системам управлять блоком питания. При выключении компьютера через меню «Пуск» система с Power ON отключит блок питания. Системы без контакта Power ON способны лишь вывести сообщение, что компьютер можно выключить.

Power good (Серый) — имеет напряжение +5 V и может колебаться в допустимых пределах от +2,4 V до +6 V. При нажатии на кнопку POWER (включение компьютера)  блок питания включается и производит самотестирование и стабилизацию напряжений на выходе +3.3 V, +5 V и +12 V. Этот процесс занимает 0,1-0,5 с. После чего блок питания посылает материнской плате сигнал Power good. Этот сигнал принимает чип управления питанием процессора и запускает последний. При скачках или пропадании напряжения на входе блока питания материнская плата не получает сигнал Power good и останавливает процессор. При возобновлении питания на входе так же восстанавливается сигнал Power good и происходит запуск системы. Таким образом, благодаря сигналу Power good, компьютер гарантировано получит только качественное питание, что в свою очередь позволяет повысить надежность и работоспособность всей системы.

Питание процессора

Питание процессора осуществляется через устройство называемое Voltage Regulator Module (VRM). Модуль преобразует напряжение с +12 V до необходимого процессору и имеет коэффициент полезного действия (КПД) около 80%. Изначально, когда процессоры потребляли минимум энергии и питались от +5 V, достаточно было питания через материнскую плату. Было всего 12 контактов (2 по 6). С ростом производительности выросла и потребляемая мощность. Современные процессоры потребляют до 130 Вт и это без разгона. Задача стояла следующая, обеспечить питание процессора, не расплавив при этом контакты на материнской плате. Для этого перешли с +5 V на +12 V, т.к. это дало возможность снизить ток более чем на 50% сохраняя мощность. Через один контакт +12 V на материнской плате можно было передавать до 6 А (2-ая линия +12 V питает слоты PCI-E). Решение было позаимствовано как обычно из серверного сегмента. Для процессора сделали отдельный разъем напрямую от блока питания.

Рисунок 3 Voltage Regulator Module (VRM) (схема)

Разъем состоял из 4-х контактов 2-ва +12 V и 2 — земля. По спецификации имелась возможность подачи до 8 А на контакт.

Рисунок 4 Voltage Regulator Module (VRM)

Для  топовых процессоров использовалось несколько VRM модулей. Что бы лучше распределить нагрузку между ними было принято решение использовать два 4-х контактных разъема объединенных физически в один 8-ми контактный

Рисунок Разъем 4 линии +12v

Как видно из рисунка 3 разъем содержит 4 линии +12 V, что обеспечивает стабильным питанием самые мощные процессоры. Разъем может быть разделен на 2 по 4 контакта.

Рисунок Разъём разделенный на 2 по 4 контакта

Так же стоит отметить что особо мощные блоки питания (мне попадались от 1000 Вт и выше) имеют два 8-ми контактных разъема. Вероятно для питания систем включающих два процессора

Рисунок 8 контактный разъём

Питание графического адаптера

24-х контактный разъем питания материнской платы обеспечивает 75 Вт для слота PCI-E. Этого хватаем лишь для графических адаптеров начального уровня. Для более продвинутых решений используется дополнительный 6-ти контактный разъем

Рисунок Разъём для графического адаптера

 Этот разъем подводит дополнительно 75 Вт и в результате 150 Вт для графического адаптера.

В 2008 году ввели 8-ми контактный разъем питания видеокарт

Рисунок 8-ми контактный разъем питания видеокарт

Сие обеспечивает  дополнительно 150 Вт, что в сумме дает 225 Вт. Оба разъема обратно совместимы. Это значит, что 6-ти контактный разъем питания можно подключить к 8-ми контактному на графическом адаптере сдвинув его  в сторону. И наоборот 8-ми контактный разъем блока питания компьютера можно подключить к 6-ти контактному на графическом адаптере. Конструкция разъема исключает некорректное подключение.

Рисунок 6-ти контактный разъём

Кроме линий +12 V и земли на обоих разъемах присутствуют контакты Sense. Графический адаптер использует их для определения какой (6-ти или 8-ми контактный) разъем подключен к видеоадаптеру и подключен ли вообще разъем. Если разъем не подключен система на запустится. Если вместо 8-ми контактного разъема подключен 6-ти контактный в зависимости от прошивки графической карты система может не запуститься вообще либо запуститься с ограниченной функциональностью

Рисунок «PCI-Express»

8-ми контактный разъем питания графического адаптера и 8-ми контактное питание процессора имеют разные ключи благодаря чему вы не имеете возможности подключить разъемы не корректно. Так же эти разъемы по разному разделены: для питания графического адаптера 6+2, для питания процессора 4+4 или слитно 8 контактов.

В некоторых блоках питания разъемы PCI-E, для лучшей идентификации, маркируются наклейкой с надписью «PCI-Express»

Важно! Все разъемы блока питания подключаются без особого усилия!

У графических адаптеров среднего и высшего ценового сегмента присутствуют сразу два разъема. В зависимости от мощности: 2х6, 1х6 и 1х8,  2х8.

Бывают случаи когда блок питания не имеет достаточно разъемов питания PCI-E. В таких ситуациях используют Y-образные переходники

Рисунок Y-образные переходники

Переходник использует два «молекcа» для подключения периферии, т.к. необходимо две линии +12 V для одного 6-ти контактного разъема.

Рисунок Пример подключения Y-образных переходников

При подключении графического адаптера через переходник убедитесь что линия +12 V выдержит. То есть, найдите в обзорах или на официальном сайте информацию по энергопотреблению видеокарты. После посмотрите характеристику блока питания (на наклейке БП или на сайте производителе) по линии +12 V

Рисунок Характеристика блока питания

Сложите максимальную мощность графических адаптеров и TDP процессора, полученную сумму я умножаю на 1.5 и сравниваю с цифрой в характеристике блока питания. Если полученное значение мощности больше приведенного в характеристике, то возможны проблемы, если меньше — можно пробовать. Если же у вас современный блок питания и цифра получается впритык или даже чуть меньше чем в характеристике, то можно пробовать видеокарту в своих приложениях. Маловероятно, что вы загрузите ее на 100%. Если же у вас старый блок питания, лучше не рисковать.

Питание периферийных устройств

Практически все периферийные устройства питаются от следующий разъемов:

• питание периферийных устройств
• питание флоппи-дисковода
• питание Serial ATA

Питание периферийный устройств. Обычно называется Molex так как производится фирмой с одноименным названием

Рисунок Питание периферийного устройства Molex (схема)

Имеет 4 контакта: +5 V, +12 V и 2 земля. Рассчитан на ток 11 А на контакт. Используется для подключения старых жестких дисков, оптических приводов, вентиляторов и других устройств использующих питание +5 V или +12 V

Рисунок Питание периферийного устройства Molex

Конструкция вилки предусматривает ключи (срезанные углы) препятствующие некорректному подключению периферийный устройств. Некоторые производители (Sirtec в частности) изготавливают данный разъем со специальными полукруглыми приспособлениями для более легкого отсоединения от устройств.

Питание флоппи-дисковода. Питание менее мощных периферийных устройств. Имеет так же 4 контакта. Расстояние между контактами, по сравнению с предыдущим разъемом уменьшено в 2 раза и составляет 2.5 мм

Рисунок Питание флоппи-дисковода (схема)

Каждый контакт рассчитан на ток 2 А, что определят максимальную мощность разъема в 34 Вт

Рисунок Питание флоппи-дисковода

В отличии от вилки для питания периферийных устройств в этом контакты +5 V и +12 V перевернуты. Флоппи-дисковод можно подключать «на ходу». Для этого сначала необходимо подключить кабель данных, а затем кабель питания. Отключение происходит в обратной последовательности. Убедитесь, что не используете FDD-дисковод, отключите питание затем шнур данных. Вилка флоппи-дисковода содержит ключ для корректного подключения, но при соединении необходимо быть внимательным (особенно на «ходу»), можно легко сместить контакты при подключении.

Питание Serial ATA. Все современные накопители как HDD так и SSD подключаются этим разъемом

Рисунок Питание Serial ATA (схема)

Это 15 контактная вилка для подключения периферии где на каждую линию питания приходится по 3 контакта

Рисунок Питание Serial ATA

Обеспечивает такую же мощность как и стандартный разъем для периферии. Так же  на одной стороне присутствует ключ препятствующий некорректному подключению. Для устаревших блоков питания применяются переходники следующего типа, позволяющие подключить одно или два устройства SATA

Рисунок Разъёмы для устаревших блоков питания

 В переходниках отсутствует линия питания +3.3 V, т. к. современные HDD и SSD ее не используют.

КПД

Любое устройство питающееся от сети переменного тока имеет свой коэффициент полезного действия (КПД). Блоки питания компьютера не исключение. КПД — это то количество энергии которое выполняет полезную функцию (питание компьютера). Все остальное преобразуется в тепло. На данный момент существуют уровни эффективности представленные в таблице ниже

Рисунок Уровни эффективности

Преимущества высокого КПД блока питания:

• меньшее потребление энергии в сравнении с блоком питания без соответствующей сертификации. Например блок питания 500 Вт с сертификацией 80 Plus Gold (КПД 90%) и без сертификации (КПД порядка 75%). При нагрузке в 50% (250 Вт) сертифицированный блок питания будет расходовать от сети 277 Вт, не сертифицированный — 333 Вт.
• меньший нагрев так как значительно меньше тепла необходимо рассеять
• более продолжительный срок работы блока питания за счет более низких температур
• меньше шум, так как для отвода небольшого количества тепла требуется вентилятор работающий на более низких оборотах
• более качественное питание для комплектующих, следовательно более надежная и стабильная работа всего компьютера
• минимальное искажение характеристик сети питания. Каждое устройство питающееся от сети переменного тока вносит свои помехи. В сертифицированных блоках питания применяется специальное устройство APFC (Active Power Factor Correction) повышающее КПД и практически исключающее помехи от блока питания компьютера.

Недостаток один — цена, с лихвой компенсируется преимуществами.

Устройство и принцип работы

Коротко опишем принцип работы компьютерного блока питания

Рисунок Короткое описание принцип работы компьютерного блока питания

На вход подается питание 220 V / 50 Гц (в идеальном случае). В противном случае работает фильтр (1) который убирает пульсации и помехи сети. После питание подается на инвертор сетевого напряжения (2), который увеличивает частоту с 50 Гц до 100 Кгц и выше. Благодаря чему имеется возможность использовать дешевые трансформаторы (3) малых габаритов. Этот трансформатор благодаря высокой частоте может передать огромную мощность при преобразовании высоковольтного напряжения в низковольтное. Рядом с основным трансформатором располагается так же трансформатор дежурного напряжения. Последнее присутствует всегда при подаче питания к блоку. Далее в работу вступают диодные сборки (5), которые вместе с конденсаторами и дросселями сглаживают высокочастотные пульсации и выдают постоянные напряжения подающиеся непосредственно компонентам компьютера.

Основной дроссель групповой стабилизации (6). Применяется в блоках питания среднего ценового диапазона и отвечает за стабилизацию всех выходных напряжений. Если нагрузка на одном из каналов резко увеличивается — напряжение проседает. При такой схеме блок питания повышает напряжения сразу на всех линиях. Качественные, дорогие блоки питания, имеют полностью независимые линии питания, благодаря чему этого эффекта не возникает.

Схема управления частотой вращения вентилятора (7). Позволяет регулировать обороты «карлсона». Так же присутствует плата контроля напряжения и  потребляемого тока. Она отвечает за защиту блока от коротких замыканий и перегрузки.

Блоки питания высокого уровня преимущественно изготавливают с модульным подключением кабелей. В этом случае присутствует плата с силовыми разъемами (8) куда непосредственно подключаются провода.

Модульное подключение позволяет использовать только необходимые кабеля. В  следствии чего возможно добиться более качественного распределения кабелей в корпусе, что в свою очередь положительно скажется на охлаждении компьютера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И в заключение хочется сказать, что, качественный блок питания - основа стабильной работы всей системы. Блок питания также является важной составляющей вентиляции.

Для производителей блоков питания главной целью должно являться не создание самых мощных моделей, а увеличение эффективности. Конечно, есть пользователи, кому действительно нужны 600-ваттные блоки питания, но их доля очень мала. В общем, если знать кое-что о блоках питания и уметь выполнять несложные подсчёты, то можно сэкономить деньги, как при покупке, так и при дальнейшем использовании.

Из всего вышесказанного ясно, что блок питания является очень важной частью системного блока, без которого функционирование компьютера практически невозможно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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