Как устроен блок питания, который работает в каждом системнике / Хабр

⇡#дело не только в ваттах

Казалось бы, на этом можно закончить статью: рекомендуй всем блок питания мощностью в 500 честных ватт — и живи спокойно. Однако давайте проведем несколько дополнительных экспериментов, чтобы получить полную картину происходящего с вашим ПК.

На скриншоте выше мы видим, что блоки питания работают максимально эффективно при загрузке 50 %, то есть вполовину от заявленной мощности. Кому-то может показаться, что разница между устройством с базовым сертификатом 80 PLUS с эффективностью в пике порядка 85 % в сети 230 В и, скажем, «платиновым» БП с эффективностью порядка 94 % не так уж и велика, но это заблуждение.

В гиде по выбору блока питания за 2022 год мой коллега Дмитрий Васильев довольно точно указывает: «Источник энергии с КПД 85 % бесполезно тратит на нагрев окружающего воздуха 15 % мощности, а у «кормильца» с эффективностью 94 % в тепло переходит лишь 6 % мощности.

Получается, разница составляет не «какие-то там» 10 %, но х2,5». Очевидно, что в таких условиях более эффективный блок питания и работает тише (производителю нет смысла настраивать вентилятор устройства на максимальную частоту вращения), и греется меньше.

А вот и доказательства вышесказанных слов.

На графиках выше приведен КПД некоторых блоков питания, участвующих в тестах, а также частота вращения их вентиляторов при разной степени нагрузки. К сожалению, используемое оборудование не позволяет точно измерить уровень шума, но по количеству оборотов в минуту встроенных вентиляторов мы можем судить о том, насколько шумным окажется блок питания.

Практика, как видите, сходится с теорией. Блоки питания действительно работают максимально эффективно примерно при 50-процентной нагрузке. Причем в этом плане отмечу модель Corsair AX1000 — этот БП выходит на пик эффективности при мощности в 300 Вт, а дальше его КПД не опускается ниже 92 %. А вот другие блоки Corsair на графиках имеют вполне ожидаемый «горб».

При этом Corsair AX1000 может работать в полупассивном режиме. Только при нагрузке в 400 Вт его вентилятор начинает раскручиваться с частотой ~750 об/мин. Такой же характеристикой обладает и RM850x, но в нем крыльчатка начинает вращаться при мощности ~200 Вт.

А теперь взглянем на температуры. Для этого я разобрал все блоки питания. Вентиляторы с верхней крышки были сняты и установлены на самодельный штатив так, что расстояние между ним и остальной частью БП составило примерно 10 см. Уверен, в плане охлаждения работать устройство хуже не стало, но такая конструкция позволила мне сделать снимки тепловизором.

На графике выше параметр «Температура 1» относится к максимальной температуре блока питания внутри при работающем вентиляторе. «Температура 2» — это максимальный нагрев БП… без дополнительного охлаждения. Пожалуйста, не повторяйте такие эксперименты дома на своем оборудовании!

Нагрев модели CX450 до 117 градусов Цельсия — это вполне логичное явление, ведь этот блок питания при нагрузке в 400 Вт работает практически на максимуме, да еще и не охлаждается никак. То, что блок питания вообще прошел это испытание, — отличнейший знак. Перед вами качественная бюджетная модель.

Сравнивая результаты других блоков питания, можно прийти к выводу, что они кажутся вполне логичными: да, сильнее всех греется модель Corsair CX450, а меньше всех — RM850x. При этом разница в максимальных показателях нагрева составляет 42 градуса Цельсия.

Здесь важно дать определение понятию «честная мощность». Вот модель Corsair CX450 по 12-вольтовой линии может передать 449 Вт энергии. Именно на этот параметр и необходимо смотреть при выборе устройства, потому что есть модели, которые работают не так эффективно.

В более дешевых блоках схожей мощности по 12-вольтовой линии может передаваться заметно меньше ваттов. Доходит до того, что производитель заявляет о поддержке 450 Вт, а по факту речь идет только о 320-360 Вт. Так и запишем: при выборе блока питания надо смотреть в том числе на то, сколько ваттов устройство выдает по 12-вольтовой линии.

Давайте сравним модели Corsair TX650M и CX650, которые обладают одинаковой заявленной мощностью, но сертифицированы по разным стандартам 80PLUS: «золотому» и «бронзовому» соответственно. Думаю, снимки тепловизора, прикрепленные выше, говорят красноречивее любых слов.

Здесь важно отметить, что модель Corsair TX650M по 12-вольтовой линии передает до 612 Вт, а CX650 — до 648 Вт.

Выше на снимках вы можете сравнить нагрев моделей RM850x и AX1000, но уже при нагрузке в 600 Вт. Здесь тоже наблюдается очевидная разница в температурах. В целом мы видим, что блоки питания Corsair хорошо справляются с возложенной на них нагрузкой — да еще и в стрессовых ситуациях.

Обдумывая полученные результаты, можно заметить, что совершенно незазорно будет использовать в системе блок питания мощностью, вдвое превышающей максимальную мощность самого ПК. В таком режиме работы БП меньше греется и шумит — это факты, которые мы только что в очередной раз доказали.

Получается, для стартовой сборки подойдет БП честной мощностью 450 Вт, для базовой — 500 Вт, для оптимальной — 500 Вт, для продвинутой — 600 Вт, для максимальной — 800 Вт, а для экстремальной — 1000 Вт. Плюс в первой части статьи мы выяснили, что не такая уж и большая разница в цене между блоками питания, заявленная мощность которых различается на 100-200 Вт.

Однако давайте не будем спешить с окончательными выводами.

⇡#как менялось энергопотребление игровых комплектующих

Перед началом разбора основных и вторичных параметров любого компьютерного блока питания, на мой взгляд, необходимо разобраться, какие компоненты ПК влияют на уровень энергопотребления. Точнее, понятно, что стахановцами в этом вопросе являются центральный процессор и дискретная видеокарта, но насколько это железо влияет на потребляемую мощность?

Давайте поступим просто. Ниже на графиках приведены параметры всех процессоров и видеокарт, которые лаборатория 3DNews тестировала за последние пять лет и которые, по мнению автора этого материала, можно хотя бы условно отнести к разряду игровых решений (с учетом актуальности в определенный период времени, конечно же).

Компания Intel считает, что расчетная тепловая мощность (TDP) — это параметр, который «указывает на среднее значение производительности в ваттах, когда мощность процессора рассеивается (при работе с базовой частотой, когда все ядра задействованы) в условиях сложной нагрузки, определенной Intel».

Мы видим, что уровень TDP современных — и не очень современных — центральных процессоров меняется в довольно большом диапазоне. Статистика, собранная мной, говорит о чипах с расчетной мощностью от 35 и до 250 Вт соответственно. Если же рассмотреть наиболее популярные в свои годы устройства, то мы увидим, что в основном в игровые компьютеры устанавливаются чипы с TDP в диапазоне от 65 до 105 Вт.

И здесь мы сразу же наблюдаем определенный подвох. Бесспорно, центральный процессор и видеокарта являются главными потребителями энергии в любой компьютерной системе. На первый взгляд может показаться, что подобрать блок питания необходимой мощности очень просто:

складываем TDP процессора с TDP ускорителя графики плюс учитываем, что в любом системном блоке присутствуют и другие комплектующие (накопители, материнская плата и железо с вентиляторами). Только вот, оперирую определением Intel, мы видим, что расчетная тепловая мощность — это среднее значение производительности в ваттах, когда ЦП работает на базовой частоте.

Приведу простой пример. Выше размещен скриншот, который наглядно демонстрирует, как работает центральный процессор Core i5-8400 под нагрузкой в виде программы Prime95. Согласно техническим характеристикам, базовая частота этого 6-ядерного чипа составляет 2,8 ГГц, а расчетная мощность — 65 Вт.

Только вот в программе, использующей AVX-инструкции, все ядра трудятся на частоте 3,8 ГГц — так работает технология Turbo Boost. Наши измерения показали, что процессор потребляет более 95 Вт, то есть он явно выходит за пределы, определенные Intel в спецификации.

А еще мы совсем недавно узнали, что 8-ядерный Ryzen 7 3700X при аналогичном уровне TDP — 65 Вт — работает в схожем ключе. Согласно нашим исследованиям, частота чипа меняется в диапазоне от 4,1 до 4,4 ГГц при базовом значении 3,6 ГГц.

Естественно, ни о каких 65 Вт речи не идет: при серьезной нагрузке процессор устанавливает совсем другую планку энергопотребления — 100 Вт. Опять же речь идет о работе системы в режиме по умолчанию, без ручного разгона или повышения напряжения, то есть производитель специально делает так, что реальная потребляемая мощность значительно превосходит заявленный уровень TDP. Как видите, оба чипмейкера в последнее время действуют одинаково.

Похожая ситуация наблюдается и среди видеокарт. Вот и самая производительная на сегодняшний день игровая модель GeForce RTX 2080 Ti при заявленном TDP в 260 Вт при максимальной нагрузке потребляет все 360 Вт.

В этом и заключается подвох. Нельзя просто взять и сложить расчетную мощность основных компонентов системы. Так, сумма TDP Core i9-9900K и GeForce RTX 2080 Ti составляет 345 Вт. Еще сколько-то «съедят» другие компоненты системы. Однако, забегая вперед, скажу, что мне удалось нагрузить систему так, что она потребляла больше 450 Вт.

И еще не надо забывать про разгон. О его пользе с точки зрения, к примеру, получения дополнительных FPS в играх вы можете судить по нашим обзорам — 3DNews не пропускает интересные и популярные модели центральных процессоров и видеокарт. А вот как меняется энергопотребление системы после оверклокинга, вы узнаете во второй части статьи.

Под словосочетанием «другие компоненты системы», естественно, подразумеваются такое железо, как материнская плата, оперативная память, прочие дискретные устройства (помимо видеокарты), а также компоненты систем охлаждения (вентиляторы кулера и корпуса, помпа СЖО и так далее).

*На графике выше указан уровень энергопотребления всей системы (описание — ниже), а не только ОЗУ

Давайте разберемся с оперативной памятью. К сожалению, я не знаю такого метода, который довольно точно позволит измерить энергопотребление отдельно модулей ОЗУ. Поэтому я взял два модуля Samsung M378A1G43EB-CRC общим объемом 16 Гбайт и установил их в систему с процессором Ryzen 5 1600 и материнской платой ASUS ROG STRIX B450-I GAMING.

Мы знаем, что этот комплект спокойно разгоняется до 3200 МГц при сохранении задержек, но небольшом увеличении напряжения. Для нагрузки я использовал программу Prime95 29.8 с включенным тестом Large FFT, который по максимуму нагружает ОЗУ. Что ж, разница между DDR4-2400 и DDR4-3200 составила всего 14 Вт, если сравнивать пиковые значения энергопотребления.

Нет особого смысла измерять и энергопотребление накопителей, потому что на фоне тех же процессоров и видеокарт оно крайне мало. Например, на нашем сайте вышел обзор жестких дисков объемом 14-16 Тбайт — и оказалось, что эти монстры в режиме чтения не потребляют больше 9,5 Вт, а ведь в таких накопителях установлено 7-9 пластин.

Получается, серьезно повлиять на энергопотребление ПК может только связка из нескольких HDD/SSD, да и то надо учитывать, что запоминающие устройства должны работать одновременно, а это для десктопов не очень характерно. Обычно, если речь заходит о домашнем ПК, в системе используется 1-2 SSD и столько же механических накопителей.

Примерно так же дела с энергопотреблением обстоят и у вентиляторов — на их корпусе часто указывают такие параметры, как сила тока, напряжение и мощность. Стандартные крыльчатки, пригодные для использования в настольных ПК, редко потребляют больше 5 Вт.

Собственно говоря, мы приходим к тому, с чего начали. Основные энергозатраты в любом системном блоке приходятся на центральный процессор и видеокарту. Мы уже выяснили, что верить паспортным характеристикам CPU и GPU нельзя и выбирать блок по сумме TDP компонентов — не лучшая затея. Как же понять, какой блок нужен — мы расскажем во второй части.

Все вышесказанное позволяет сделать еще один вывод: мы видим, что энергопотребление компьютерной техники год от года не сильно меняется и находится в определенных рамках. То есть купленный сейчас блок питания прослужит долго и верно и пригодится при сборке следующей системы, а может, и двух. В таком ключе покупка заведомо хорошего БП выглядит весьма рациональной затеей.

⇡#о кабель-менеджменте системного блока

Продолжая тему выбора блока питания определенной мощности, обязательно надо рассказать про кабель-менеджмент в современных ПК. Дело в том, что здесь работает одно важное правило: чем больше мощность БП — тем больше у него кабелей. Если говорить об игровых системах, то в современных реалиях от источника питания может потребоваться минимум два провода, которые будут подключены к матплате. В среднем же использованными оказываются четыре-пять кабелей. Но у блоков питания их чаще всего намного больше.

Начнем с видеокарт, ведь в большинстве геймерских ПК именно они требуют больше всего электроэнергии. Как известно, слот PCI Express x16 материнской платы способен передать дискретному устройству до 75 Вт электроэнергии (на самом деле чуть больше, но стандарт описывает именно такое значение).

Например, такого питания достаточно большинству видеокарт уровня GeForce GTX 1650, которые смело можно отнести к разряду игровых. Но на более мощных видеокартах часто можно встретить 6- и 8-контактные разъемы питания. В первом случае передается до 75 Вт энергии, во втором — до 150 Вт.

Видеокарты среднего ценового диапазона (с TDP не выше 200 Вт), как правило, оснащаются одним 6- или 8-контактным разъёмом. В более мощных видеокартах обычно встречается пара коннекторов.

Например, модель ASUS ROG Strix GeForce RTX 2080 Ti OC, обзор которой выходил на нашем сайте, оснащена сразу двумя 8-штырьковыми коннекторами. TDP этой модели находится на уровне 260 Вт, но мы видим, что максимальное энергопотребление этой видеокарты может достичь 75 150 150=375 Вт — по факту наличие у ASUS ROG Strix GeForce RTX 2080 Ti OC такого энергетического запаса оказывается далеко не лишним, ведь многие энтузиасты используют эту видеокарту в том числе и для экстремального разгона.

Допустим (я специально не привожу точных данных, чтобы было интересно читать вторую часть статьи), система с видеокартой уровня Radeon VII и процессором уровня Ryzen 7 2700X потребляет в играх около 350 Вт. Вроде бы очевидно, что для такого системного блока вполне будет достаточно блока питания мощностью 450 Вт.

Только вот к «Радеону» необходимо подключить два 8-контактных кабеля питания PCI-E 6 2. Изучение недорогих блоков питания, доступных на нашем рынке, показывает, что большинство моделей мощностью до 600 Вт второго PCI-E-провода не имеет, и этот пример с Radeon VII я привожу, как наглядное доказательство тому, что кабель-менеджмент тоже влияет на выбор блока питания определенной мощности.

Кстати, модель Corsair CX450, которая использовалась в сегодняшнем тестировании, имеет два неотстегиваемых кабеля PCI-E 6 2. Это значит, что владелец такого блока питания со временем без проблем сможет произвести в своем ПК апгрейд видеокарты — примеры, приведенные выше, наглядно показывают, что видеокарты с TDP порядка 200 Вт очень часто используют два разъема питания.

В продаже можно встретить монстров, оснащенных тремя 8-пиновыми разъёмами питания PCI-E, — получается, такой видеокарте можно предать до 525 (!) Вт электроэнергии. Тут уже далеко не каждый блок питания мощностью 600-650 Вт обладает нужным набором проводов.

Материнская плата, как правило, требует подключения всего двух проводов, хотя и здесь хватает частных случаев. Так, недорогие платы вроде ASUS PRIME H310M-R R2.0 оснащены одним 24-контактным разъемом ATX и одним 4-контактным EPS, необходимым для питания CPU.

В большинстве же случаев используется 8-штырьковый EPS-разъем. Но есть и материнские платы, которые имеют схему подключения EPS 8 4 и даже EPS 8 8, то есть им нужно по два дополнительных разъёма питания. Плюс в продаже можно встретить устройства с дополнительным питанием PCI Express-портов, которое реализовано либо в виде 6-пинового разъема PCI-E, либо в виде стандартного MOLEX, распаянного непосредственно на плате.

В сегодняшнем тестировании приняли участие такие платы, как ASUS ROG CROSSHAIR VIII FORMULA и ASUS ROG MAXIMUS XI FORMULA. Первая предназначена для процессоров AMD Ryzen и базируется на платформе AM4 (чипсет — X570), вторая является флагманским решением для платформы LGA1151-v2 (чипсет — Z390 Express).

Подробно про ROG MAXIMUS XI FORMULA я писал в статье «На что способен самый быстрый игровой ПК 2022 года. Тестируем систему с двумя GeForce RTX 2080 Ti в 8K-разрешении» — для такого системника требовалось продвинутое решение, способное обеспечить стабильную работу Core i9-9900K на частоте 5,2 ГГц. В принципе, одной этой характеристики достаточно для того, чтобы вынести одобрительный вердикт этой плате.

Модель ROG Crosshair VIII Formula — птица схожего полета, только в данном случае речь идет о платформе AMD. Модель получила, по данным производителя, 16-фазный конвертер питания. Элементы VRM-цепи охлаждаются массивным радиатором, который к тому же может служить водоблоком — этот элемент СЖО разработан совместно с известной словенской компанией EKWB.

Обе «Формулы» оснащены разъемами EPS 8 4. Один только 4-пиновый разъем позволяет передать центральному процессору через стандартные контакты блока питания 192 Вт энергии (при использовании других контактов этот параметр может быть увеличен до 288 Вт), а в этих платах их, по сути, три.

На данный момент очень немногие блоки питания оснащены сразу двумя кабелями EPS. Вот ребята из Corsair для написания этой статьи предоставили мне модели TX650M и CX650 — довольно популярные в России БП, поддерживающие стандарты 80 PLUS Gold и Bronze соответственно.

В первом случае речь идет о частично модульном БП (основные провода с 24-контактным ATX и 8-контактным EPS — неотстегиваемые), во втором — о «хвостатом» устройстве, в котором нельзя отсоединить ни один кабель. Мощности таких блоков — чуть забежим вперед — оказывается вполне достаточно для сборки, например, с процессором Core i7-9700K и видеокартой класса GeForce RTX 2080 Super.

Естественно, чип можно разогнать, а раз так, то велика вероятность, что в пару к таким производительным комплектующим будет куплена качественная материнская плата — да хоть та же ROG MAXIMUS XI FORMULA. Но оба блока питания Corsair имеют всего по одному 8-пиновому EPS-кабелю. И что, они не подходят для сборки?

Чтобы проверить этот момент, я взял ROG MAXIMUS XI FORMULA и установил на эту плату Core i9-9900K. Отмечу, что мне достался весьма удачный экземпляр, который при использовании суперкулера или двухсекционной «водянки» спокойно разгоняется до 5 ГГц и стабильно работает на такой частоте даже в программах уровня LinX и Prime95.

Сначала в стенде использовался блок питания Corsair TX650M. Я увеличил напряжение VCore до 1,345 В и выставил пятый уровень Load-Line Calibration — блок питания легко справился со своей задачей. В «Прайме» максимальный уровень энергопотребления стенда составил 319 Вт.

Затем TX650M был заменен на модель RM850x, которая, в отличие от 650-ваттников, имеет дополнительный EPS-шнур. Результат разгона остался тем же — 5 ГГц в программе Prime95 с включенным тестом Small FFT, который максимально нагружает вычислительные ядра процессора и его кеш.

Вполне очевидно, что в случае с ROG CROSSHAIR VIII FORMULA и ROG MAXIMUS XI FORMULA дополнительные порты для питания CPU необходимы для экстремального разгона этих чипов. Я как-то участвовал в суровых опытах над 18-ядерным Core i9-7980XE с использованием жидкого азота и лично видел, что на частоте 5,7 ГГц один только чип в пике потреблял до 700 Вт электроэнергии. Надо сказать, что плата ASUS ROG RAMPAGE VI APEX достойно справлялась с такой нешуточной нагрузкой.

В случае же с домашним оверклокингом — при использовании воздушной системы охлаждения, неразборной или кастомной «водянки» — можно смело ограничиваться одним 8-пиновым EPS-проводом блока питания. Отсюда делаем вывод: не все разъемы на материнской плате есть смысл использовать.

А вот питать чипы уровня Core i7-9700K и Core i9-9900K, а также их аналоги от AMD от одного 4-пинового разъёма я бы не рискнул. Вот и в списке ЦП, поддерживаемых матплатой ASUS PRIME H310M-R R2.0, о которой говорилось ранее, такие модели не значатся.

Продолжая тему кабель-менеджмента, можно с уверенностью сказать, что в ряде случаев другие кабели БП вообще могут не понадобиться. Например, если вы используете в системе накопители форм-фактора M.2 и не устанавливаете различную периферию (например, оптический привод).

Тем не менее любой блок питания обеспечит подключение минимум четырех SATA-устройств. А еще в комплекте идут провода MOLEX, которые сейчас мало где используются. В дешевых корпусах от них могут запитываться, например, вентиляторы. В принципе, через переходники от MOLEX можно запитывать и видеокарты (но делать этого в случае с дорогими 3D-ускорителями я категорически не советую!).

В особо запущенных случаях, когда необходимо подключить большое количество проводов, лучше взять частично или полностью модульный БП. Такой подход заметно облегчит жизнь при сборке системы. Забавно, но если от блока питания требуется всего три-четыре провода, то в таком случае тоже лучше использовать устройство с модульным кабель-менеджментом — чтобы лишний «хвост» не торчал и не мешался.

И все же в эстетическом плане сборка системы с немодульным блоком питания — не трагедия. Лишние провода легко прячутся под корзиной для жестких дисков. А еще сейчас даже самые недорогие корпуса оснащают шторкой (металлической или пластиковой) на днище. За ней прячутся как сам блок питания, так и ворох неиспользуемых шнуров.

Полностью модульный блок питания будет нужен, если вы хотите не просто собрать аккуратный ПК, но сделать это красиво — с использованием оплетки, например. У того же Corsair продаются комплекты оплетенных проводов, а можно оплетку сделать и самому.

Небольшой анонс: более подробно про кабель-менеджмент я расскажу (и покажу) в другой статье, которая скоро выйдет на нашем сайте.

Длина кабелей — ещё один важный эксплуатационный параметр любого блока питания. Конечно, здесь многое зависит и от компьютерного корпуса. Но для большинства Midi-Tower-моделей высотой от 400 до 500 мм с нижним расположением БП достаточно, чтобы 4/8-пиновый провод питания CPU имел длину в 500-550 мм.

Для Full/Ultra Tower высотой 600-800 мм — нужно минимум 600 мм. Получается довольно простое правило: EPS-шнур по длине должен быть равен высоте корпуса, если речь идет о нижнем расположении БП. Тогда никаких сюрпризов при сборке не случится.

Длина других кабелей блока питания в случае с Tower-корпусами нас, в общем-то, мало интересует. В некоторых моделях длина шнура с 24-пиновым портом достигает 700 мм — в таком случае нормально уложить его за шасси кейса оказывается даже проблематичнее.

Внимательный читатель наверняка обратил внимание, что я никоим образом не затрагивал форм-фактор самих БП — они бывают разные, иногда компьютерный корпус позволяет использовать только модели типоразмера SFX. Но эта статья привязана к рубрике «Компьютер месяца», а в ней сборки рекомендуются в классических Tower-корпусах. Обещаю, что сборке компактных геймерских ПК я посвящу отдельную подробную статью.

И все же перед покупкой убедитесь, что ваш блок питания влезает по длине в корпус. Например, перечисленные ранее модели БП Corsair поместятся 99 % Midi-Tower-кейсов. А вот для какого-нибудь Corsair AX1200i длиной 225 мм (а ведь еще и подключенные провода займут 50-100 мм) придется подыскивать компьютерное «жилище» попросторнее.

Виды расположения блока питания в корпусе компьютера

Блок питания в компьютере всегда крепится у тыловой стенки корпуса. Это связано с необходимостью выброса нагретого воздуха за пределы компьютера. Раньше источник располагался в верхней части ПК и на своей тыльной части имел вытяжной вентилятор, который совмещался с вентиляционными отверстиями в стенке компьютера. Таким способом производился отвод нагретого воздуха наружу.

С развитием компьютерной техники энергопотребление ПК увеличилось, блоки питания стали мощнее. Разработчики стали искать более эффективные способы отвода тепла. Сейчас оптимальным считается расположение БП в нижней части корпуса – в наиболее холодной локации.

Изменилось и расположение вентилятора. Теперь его ставят на вертикальной стенке корпуса БП и, вместо вытяжной, он выполняет приточную функцию – засасывает воздух из внутреннего пространства ПК. Потом воздушный поток обтекает внутренние элементы источника напряжения и уносит тепло за пределы корпуса.

Здесь возможны два варианта установки БП – вентилятором вниз и вентилятором вверх. Оба способа имеют свои преимущества и недостатки,

Основной минус установки БП крыльчаткой вверх в том, что в блок питания засасывается воздух, уже нагретый другими компонентами компьютера. Поэтому большинство специалистов склоняются к монтажу вентилятором вниз. В этом случае воздух поступает снаружи, через вентиляционные отверстия в корпусе. Если таких отверстий нет, значит, этот вариант установки неприемлем.

Также следует упомянуть о блоках питания с полуактивной и пассивной системами охлаждения, пока не получившими широкого распространения. Они имеют выносной радиатор, при монтаже располагающийся вне системного блока. При покупке надо учесть возможность установки такого устройства в имеющийся корпус компьютера.

Вторичная сторона

Теперь можно посмотреть на вторую, низковольтную часть БП. Вторичная схема производит четыре выходных напряжения: 5, 12, ?12 и 3,3 вольта. Для каждого выходного напряжения отдельная обмотка трансформатора и отдельная схема для получения этого тока. Силовые диоды (ниже) преобразуют выходы трансформатора в постоянный ток.

Затем индукторы и конденсаторы фильтруют выход от всплесков напряжения. БП должен регулировать выходное напряжение, чтобы поддерживать его на должном уровне даже при увеличении или уменьшении нагрузки. Интересно, что в БП используется несколько различных методов регулирования.

Крупным планом показаны выходные диоды. Слева вертикально установлены цилиндрические диоды. В центре — пары прямоугольных силовых диодов Шоттки, в каждом корпусе по два диода. Эти диоды прикреплены к радиатору для охлаждения. Справа обратите внимание на два медных провода в форме скоб. Они используются в качестве резисторов для измерения тока

Основными являются выходы 5 и 12 В. Они регулируются одной микросхемой контроллера на основной стороне. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов, пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной стороне БП.

А если напряжение слишком высокое, чип уменьшает ширину импульса. Примечание: одна и та же схема обратной связи управляет выходами на 5 и 12 В, поэтому нагрузка на одном выходе может изменять напряжение на другом. В более качественных БП два выхода регулируются по отдельности5.

Нижняя сторона печатной платы. Обратите внимание на большое расстояние между цепями основной и вторичной сторон БП. Также обратите внимание, какие широкие металлические дорожки на основной стороне БП для тока высокого напряжения и какие тонкие дорожки для схем управления

Вы можете задать вопрос, как микросхема контроллера на основной стороне получает обратную связь об уровнях напряжения на вторичной стороне, поскольку между ними нет электрического соединения (на фотографии виден широкий зазор). Трюк в использовании хитроумной микросхемы под названием оптоизолятор.

Внутри чипа на одной стороне чипа инфракрасный светодиод, на другой светочувствительный фототранзистор. Сигнал обратной связи подаётся на LED и детектируется фототранзистором на другой стороне. Таким образом оптоизолятор обеспечивает мост между вторичной и первичной сторонами, передавая информацию светом, а не электричеством6.

Источник питания также обеспечивает отрицательное выходное напряжение (?12 В). Это напряжение в основном устарело, но использовалось для питания последовательных портов и слотов PCI. Регулирование питания ?12 В кардинально отличается от регулирования 5 и 12 В. Выход ?

12 В управляется стабилитроном (диодом Зенера) — это специальный тип диода, который блокирует обратный ток до определённого уровня напряжения, а затем начинает проводить его. Избыточное напряжение рассеивается в виде тепла через силовой резистор (розовый) под управлением транзистора и стабилитрона (поскольку этот подход расходует энергию впустую, современные высокоэффективные БП не используют такой метод регулирования).

Питание ?12 В регулируется крошечным стабилитроном ZD6 длиной около 3,6 мм на нижней стороне печатной платы. Соответствующий силовой резистор и транзистор A1015 находятся на верхней стороне платы

Пожалуй, наиболее интересной схемой регулирования является выход 3,3 В, который регулируется магнитным усилителем. Магнитный усилитель — это индуктор с особыми магнитными свойствами, которые заставляют его работать как ключ (переключатель). Когда ток подаётся в индуктор магнитного усилителя, то сначала он почти полностью блокирует ток, поскольку индуктор намагничивается и магнитное поле увеличивается.

Когда индуктор достигает полной намагниченности (то есть насыщается), его поведение внезапно меняется — и индуктор позволяет частицам течь беспрепятственно. Магнитный усилитель в БП получает импульсы от трансформатора. Индуктор блокирует переменную часть импульса. Выход 3,3 В регулируется изменением ширины импульса7.

Магнитный усилитель представляет собой кольцо из ферритового материала с особыми магнитными свойствами. Вокруг кольца намотано несколько витков проволоки

К накопительным дискам и прочему оборудованию

Для питания остального оборудования, включая накопительные устройства выпуска прошлых лет, применяются разъемы Molex.

Такие разъемы содержат два провода нулевой шины и два напряжения 5 VDC и 12 VDC. Расположение пинов указано в таблице.

Этот коннектор содержит три напряжения (дополнительно 3,3 В). Группы контактов одного уровня разбиты группами нулевых проводников. Распиновка указана в таблице.

Подсоединить блок питания к компьютеру несложно. Для подключения потребителей в компьютере применяются различные типы коннекторов. Они не позволяют подключить их неверно (без применения излишних усилий), поэтому об этом моменте беспокоиться не надо. Главное – не забыть подключить все питаемые устройства.

В завершении для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.

Подключение питания к материнской плате

Самый толстый жгут с самым большим разъемом подключается к материнской плате. Бывают терминалы с 20 или с 24 контактами. В целом они совместимы – дополнительные 4 контакта служат для питания линии PCI. Если она не используется, то 4 лишних пина можно не применять.

Но если PCI в имеющейся конфигурации должны быть запитаны обязательно, то требуется терминал только в 24 контакта. А в остальном оба типа практически взаимозаменяемы и во многих случаях без проблем подключаются друг к другу. Для удобства многие 24-проводные коннекторы выпускаются со съемным 4-контактным дополнением.

Назначение выводов понятно из рисунка. На разъеме присутствуют напряжения всех каналов блока питания компьютера. Каждое напряжение подводится проводом с соответствующим цветом изоляции – таков принят стандарт маркировки.

Преобразование ac/dc

Переменный ток с частотой 60 герц в сети меняет своё направление 60 раз в секунду (AC), но компьютеру нужен постоянный ток в одном направлении (DC).

на фотографии ниже преобразует переменный ток в постоянный. Выходы постоянного тока на выпрямителе отмечены знаками

?

, а переменный ток входит через два центральных контакта, которые

. Внутри выпрямителя — четыре диода. Диод позволяет току проходить в одном направлении и блокирует его в другом направлении, поэтому в результате переменный ток преобразуется в постоянный ток, протекающий в нужном направлении.

На мостовом выпрямителе видна маркировка GBU606. Цепь фильтра находится слева от выпрямителя. Большой чёрный конденсатор справа — один из удвоителей напряжения. Маленький жёлтый конденсатор — это специальный керамический Y-конденсатор, который защищает от всплесков напряжения

Ниже — две схемы, как работает мостовой выпрямитель. На первой схеме у верхнего входа переменного тока положительная полярность. Диоды пропускают поток на выход DC. На второй схеме входы переменного тока поменяли полярность, как это происходит постоянно в AC.

На двух схемах показан поток тока при колебаниях входного сигнала AC. Четыре диода заставляют ток течь в направлении по стрелке

Современные БП принимают «универсальное» входное напряжение от 85 до 264 вольт переменного тока, поэтому могут использоваться в разных странах независимо от напряжения в местной сети. Однако схема этого старого БП не могла справиться с таким широким диапазоном. Поэтому предусмотрен переключатель для выбора 115 или 230 В.

Переключатель 115/230 В

Переключатель использует умную схему с удвоителем напряжения. Идея в том, что при закрытом переключателе (на 115 В) вход AC обходит два нижних диода в мостовом выпрямителе, а вместо этого подключается непосредственно к двум конденсаторам.

Когда «плюс» на верхнем входе AC, полное напряжение получает верхний конденсатор. А когда «плюс» снизу, то нижний. Поскольку выход DC идёт с обоих конденсаторов, на выходе всегда получается двойное напряжение. Дело в том, что остальная часть БП получает одинаковое напряжение независимо от того, на входе 115 или 230 В, что упрощает его конструкцию.

Схема удвоителя напряжения. Каждый конденсатор получает полный вольтаж, поэтому на выходе DC двойное напряжение. Серые диоды не используются в работе удвоителя

Примечания и ссылки

¹

Intel представила стандарт ATX для персональных компьютеров в 1995 году. Стандарт ATX (с некоторыми обновлениями) по-прежнему определяет конфигурацию материнской платы, корпуса и блока питания большинства настольных компьютеров. Здесь мы изучаем блок питания 2005 года, а современные БП более продвинутые и эффективные.

Этикетка на блоке питания

На этикетке БП указано, что он изготовлен компанией Bestec для настольного компьютера Hewlett-Packard Dx5150. Этот БП слегка не соответствует формату ATX, он более вытянут в длину. [вернуться]

2 Вы можете задать вопрос, почему AC напряжением 230 В преобразуется в постоянный ток 320 В. Причина в том, что напряжение переменного тока обычно измеряется как среднеквадратичное, которое в каком-то смысле усредняет изменяющуюся форму волны.

3 Силовой транзистор представляет собой силовой МОП-транзистор FQA9N90C. Он выдерживает 9 ампер и 900 вольт. [вернуться]

4 Интегральная схема питается от отдельной обмотки на трансформаторе, которая выдаёт 34 вольта для её работы. Налицо проблема курицы и яйца: управляющая микросхема создаёт импульсы для трансформатора, но трансформатор питает управляющую микросхему.

Решение — специальная цепь запуска с резистором 100 kΩ между микросхемой и высоковольтным током. Она обеспечивает небольшой ток для запуска микросхемы. Как только чип начинает отправлять импульсы на трансформатор, то питается уже от него. [вернуться]

5 Метод использования одного контура регулирования для двух выходов называется перекрёстным регулированием. Если нагрузка на одном выходе намного выше другого, напряжения могут отклоняться от своих значений. Поэтому во многих БП есть минимальные требования к нагрузке на каждом выходе.

Более продвинутые БП используют DC/DC преобразователи для всех выходов, чтобы контролировать точность напряжения. Дополнительные сведения о перекрёстном регулировании см. в этихдвух презентациях. Один из обсуждаемых методов — многоуровневая укладка выходных обмоток, как в нашем БП.

6 Оптоизоляторы представляют собой компоненты PC817, которые обеспечивают 5000 вольт изоляции между сторонами БП (то есть между высокой и низкой сторонами). Обратите внимание на прорезь в печатной плате под оптоизоляторами. Это дополнительная мера безопасности: она гарантирует, что ток высокого напряжения не пройдёт между двумя сторонами оптоизолятора вдоль поверхности печатной платы, например, при наличии загрязнения или конденсата (в частности, прорезь увеличивает расстояние утечки). [вернуться]

7 Ширина импульса через магнитный усилитель устанавливается простой схемой управления. В обратной части каждого импульса индуктор частично размагничивается. Схема управления регулирует напряжение размагничивания. Более высокий вольтаж усиливает размагничивание.

Тогда индуктору требуется больше времени для повторного намагничивания, и, таким образом, он дольше блокирует входной импульс. При более коротком импульсе в цепи выходное напряжение уменьшается. И наоборот, более низкое напряжение размагничивания приводит к меньшему размагничиванию, поэтому входной импульс блокируется не так долго.

В итоге выходное напряжение регулируется изменением напряжения размагничивания. Обратите внимание, что ширина импульса в магнитном усилителе регулируется управляющей микросхемой. Магнитный усилитель сокращает эти импульсы по мере необходимости при регулировании выходного напряжения 3,3 В. [вернуться]

8 Плата управления содержит несколько микросхем, включая операционный усилитель LM358NA, чип супервизора/сброса TPS3510P, четырёхканальный дифференциальный компаратор LM339N и прецизионный эталон AZ431. Чип супервизора интересный — он специально разработан для БП и контролирует выходное напряжение, чтобы оно было не слишком высоким и не слишком низким.

9 Источник резервного питания использует другую конфигурацию — обратноходовой трансформатор. Здесь установлена управляющая микросхема A6151 с переключающим транзистором, что упрощает конструкцию.

Схема БП с использованием A6151. Она взята из справочника, поэтому не идентична схеме нашего БП, хотя близка к ней
[вернуться]

10 Если хотите изучить подробные схемы различных БП формата ATX, рекомендую сайт Дэна Мельника. Удивительно, сколько существует реализаций БП: различные топологии (полумостовые или прямые), наличие или отсутствие преобразования коэффициента мощности (PFC), разнообразные системы управления, регулирования и мониторинга. Наш БП довольно похож на БП с прямой топологией без PFC, внизу той странички на сайте Дэна. [вернуться]