По стандарту ATX отклонение напряжений блока питания не должно превышать 5%. Теоретически это безопасно для всех компонентов компьютера, но не соответствует действительности. Например, падение напряжения канала +12 В ниже 11,75 В практически гарантирует быстрый выход из строя винчестера. Также у других винчестеров срок эксплуатации станет гораздо меньше. С «просевшими» напряжениями не обеспечивается нормальная работа процессора и видеокарты.

Диапазон стандартных (базовых) напряжений для компьютерного блока питания выглядит следующим образом:

3,3 В: (3,20…3,45 В)

5 В: (4,85…5,30 В)

12 В: (11,80…12,5 В)

При таких значениях можно гарантировать стабильную работу компьютера и хорошую производительность. При этом мощность блока питания должна на 30-40% процентов превышать выделяемую в виде тепла мощность всех компонентов.

Современные блоки питания становятся все мощнее, а провода в розетках не меняются. Это приводит к возникновению импульсных помех – блок питания, как и процессор, потребляет энергию импульсами. Чем сильнее и неравномернее нагрузка на блок, тем больше помех он выдаст обратно в электрическую сеть. Поэтому, для борьбы с этим явлением разработан модуль коррекции коэффициента мощности ( Power Factor Correction). Он представляет собой мощный дроссель, устанавливаемый после выпрямителя до фильтрующих конденсаторов.

Первая функция, которую он выполняет, это ограничение тока заряда фильтрующих фильтров. При включении в сеть блока без PFC очень часто слышен характерный щелчок – потребляемый ток в первые миллисекунды может в несколько раз превышать паспортный и это приводит к искрению в выключателе. В процессе работы компьютера модуль PFC гасит такие же импульсы от заряда разнообразных конденсаторов внутри компьютера и раскрутки моторов винчестеров.

Встречаются два варианта исполнения модулей – пассивный и активный.

Второй отличается наличием управляющей схемы, связанной с вторичным (низковольтным) каскадом блока питания. Это позволяет быстрее реагировать на помехи и лучше их сглаживать. При работе без модуля PFC блок питания компьютера вносит в электросеть искажения высокой частоты и этим уменьшает коэффициент мощности.

Модуль регулятора напряжения

Современные блоки питания выдают 3 базовых напряжения: +3,3 В, +5 В и +12 В.

 +3,3 В служит для питания выходных каскадов системной логики.

 +5 В питает логические элементы почти всех PCI- и IDE-устройств.

 +12 В, в свою очередь, в совсем новых стандартах является базовым напряжением для питания процессора и ядра видеокарты. Пару лет назад данную функцию выполняла линия +5 В, но повышение напряжения позволяет уменьшить потери и помехи (по магистральным линиям электроэнергия передается с напряжением 600 тыс. В ради снижения потерь).

 Поэтому нельзя обойтись без Voltage Regulation Module (VRM) - блока регулировки напряжения. Служит для формирования нужных напряжений питания процессора. Разработан для того, чтобы существующие системные платы могли поддерживать новые типы процессоров, которые появятся в будущем. На платах, которые поддерживают VRM, для него есть специальный двухрядный разъем с пластмассовым обрамлением (Рис. 2), расположенный обычно рядом с процессором или его стабилизатором питания.

Рис. 2. Блок регулировки напряжения (VRM)

Анализ структурной схемы

На примере блока Macropower MP-300AR (рис.3) показано расположение компонентов в реальном блоке питания.

Рис. 3. Блок питания Macropower MP-300AR

На рис.4 приведена упрощенная схема типичного компьютерного блока питания. Питающее напряжение 220В поступает на двух- или трехзвенный фильтр, защищающий другие включенные в сеть устройства от создаваемых блоком питания помех. После фильтра напряжение через выпрямитель D1 подается на схему коррекции фактора мощности (PFC – Power Factor Correction).

Рис. 4. Упрощенная схема компьютерного блока питания

Далее после схемы коррекции фактора мощности (или, в случае ее отсутствия непосредственно 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), то теоретически необходимо реализовать шесть стабилизаторов. На практике же расположить в ограниченном объеме блока питания даже два раздельных мощных стабилизатора (например, для +5В и +3,3В), при этом существенно увеличив его стоимость, практически невозможно. Поэтому во всех современных блоках используется лишь один импульсный стабилизатор (хотя фактически их 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).

Таким образом, все выходные напряжения, кроме +5В дежурного режима, снимаются с одного и того же трансформатора T1 (на блок-схеме для простоты показаны только два напряжения). Следует отметить, что во всех современных блоках при управлении ключами используется не частотная модуляция, а широтно-импульсная, когда при неизменной частоте следования импульсов меняется их ширина. Чем больше ширина импульса, тем больше энергии поступает 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 начнут повышаться. Для борьбы с этим эффектом используется сразу несколько решений.

1) Сигнал обратной связи снимается сразу с двух наиболее нагруженных выходных линий – с +12В и +5В, через резисторный делитель. Поэтому 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.

2) 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 формируется с тех же обмоток трансформатора, что и +5В.

3) 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 практически исчезли.

4) 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 выросли – хотя 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.