Блок питания PC

Блок питания PC обеспечивает напряжениями постоянного тока системный блок со всеми его сложными и часто привередливыми устройствами. С самых первых моделей PC здесь применяется двухтактная схема преобразователя с бестрансформаторным входом, без особых изменений дошедшая и до наших дней. Импульсный преобразователь является регулирующим элементом стабилизатора напряжения: управляя шириной импульса, можно изменять величину энергии, поступающей через трансформатор в выпрямитель, и, следовательно, регулировать (стабилизировать) его выходное напряжение. Блок питания должен вырабатывать несколько выходных напряжений, но преобразователь может стабилизировать лишь одно из них. Обычно для стабилизации выбирают основное питающее напряжение - цепь +5 В. Остальные напряжения могут быть стабилизированы дополнительными выходными стабилизаторами, но часто их оставляют и нестабилизированными. При этом появляется не сразу очевидная связь: чем больше нагрузка по основной (стабилизированной) цепи, тем выше напряжения на остальных шинах. Убедиться в этом просто - понаблюдайте за вентилятором процессора, который питается от цепи +12 В, изменяя нагрузку по цепи +5В - например, с подключенной системной платой и без нее. При подключении нагрузки скорость вращения вентилятора повышается. Это происходит потому, что с повышением тока нагрузки преобразователь вырабатывает более широкие импульсы, а выходное напряжение нестабилизированных выпрямителей (при постоянной нагрузке) будет пропорционально их ширине. По этой причине уровни напряжения на неосновных выходах большинства блоков питания будут соответствовать номиналам лишь при номинальной (и сбалансированной) нагрузке. Но, как правило, потребители этих напряжений не требуют особой точности напряжения, а стабильность обеспечивается относительным постоянством нагрузки основной цепи.
Двухтактные блоки питания PC строятся на основе управляющей микросхемы TL494CN или ее аналогов. Эта микросхема содержит встроенный генератор и управляет ключами выходных транзисторов, воспринимая сигнал обратной связи из цепи +5 В и сигнал отключения по токовой перегрузке. Интересная особенность блоков питания, построенных на ней, заключается в идеологии управления выходными ключами. Вопреки ожиданиям, связанным с эксплуатацией импульсных блоков питания наример, ЕС ЭВМ, эта микросхема управляет запиранием выходных ключей, а не активным отпиранием. Благодаря такому подходу упрощается процесс запуска источника (в тех же блоках ЕС для запуска применялся источник служебного напряжения). При включении блока питания PC симметричный мультивибратор, образованный выходными транзисторами совместно с трансформатором, начинает плавно возбуждаться. Когда выходное напряжение цепи +12 В, от которого питается и управляющая микросхема, достигает уровня нескольких вольт, микросхема приступает к исполнению своих сдерживающих регулировочных обязанностей и блок выходит в рабочий режим, управляемый генератором микросхемы. Заметим, что некоторые блоки не запускаются без нагрузки.
Импульсные блоки питания не критичны к частоте сети (50 или 60 Гц) и могут работать даже от сети постоянного тока. Относительно старые блоки питания имеют переключатели диапазона входного напряжения. Переключение диапазона входного напряжения легко осуществляется переключателем, который преобразует мостовую схему выпрямителя в схему выпрямителя с удвоением для питания от сети 110...127 В. При включении блока, предназначенного для работы при напряжении 110 В в сеть 220 В часто выходят из строя ключевые транзисторы или диоды. Современные блоки, у которых указано свойство Autoswitching Power Supply, имеют компоненты с большим запасом по допустимому напряжению и не требуют переключения номинал входного питающего напряжения - они работают в диапазоне 110...230 В. Такие блоки применяются в большинстве современных мониторов.
Наличие выпрямителя и накопительного конденсатора на входе бестрансформаторного блока питание обуславливает ярко выраженную динамическую нелинейность входной цепи. Пока мгновенное значение напряжения ниже напряжения на накопительном конденсаторе выпрямителя, ток практически не потребляется. На верхушках синусоиды питающего напряжения ток резко возрастает, так что в его спектре очень сильно выражена 3-я гармоника. Для питающей сети такой характер нагрузки нежелателен. Традиционные электросети рассчитаны на более или менее линейную нагрузку, у которой в спектре тока основная мощность приходится на 1-ю гармонику. В трехфазной сети с равномерно распределенной по фазам линейной нагрузке в идеале через нейтральный провод ток практически не течет, поскольку токи от нагрузок всех трех фаз компенсируют друг друга. Учитывая это свойство, в большинстве четырехпроводных силовых кабелей сечение проводника для нейтрали существенно меньше, чем сечение фазных проводников. При нелинейной симметричной нагрузки фаз при большом уровне 3-й гармоники тока взаимной компенсации токов не происходит, и действующее значение тока в нулевом проводе оказывается даже больше, чем в каждом из фазных. Таким образом, при подключении большого числа компьютеров к традиционной 4-х проводной трехфазной проводке происходит перегрузка нулевого провода. Эта перегрузка приводит к следствиям разной степени тяжести - от "набегания" помехи переменного тока на нулевом проводе до перегорания нулевого провода, который никогда не защищают от перегрузки - все автоматы защиты ставятся только в фазных проводах. Во избежании перегрузки нулевого провода и в случае питания от трехфазной сети силовую разводку к розеткам от распределительного щита следует вести трехпроводным кабелем (фаза, нуль и земля). Перегрузки нулевого провода подводящего силового кабеля можно избежать, установив в распределительном щите развязывающий трехфазный трансформатор 380/220 В. К этому трансформатору входное напряжение подводится по схеме "треугольника", а выходные обмотки соединяют по схеме "звезда".
Блок питания PC обычно имеет стандартный конструктив и набор жгутов с разъемами питания системной платы и периферийных устройств. На задней стенке блока устанавливается входной разъем питающего кабеля, а также транзитный выходной разъем для питания монитора. В некоторых типах блоков питания, предназначенных для малогабаритных корпусов, транзитный разъем может и отсутствовать. При этом монитор включают в дополнительную розетку, и хорошо, если при этом соблюдают правила заземления. На задней стенке устанавливается и переключатель диапазона питающего напряжения, если таковой присутствует в блоке. Выключатель питания в старых конструктивах располагался на боковой или задней стенке блока питания. Позже его вынесли с блока питания на лицевую панель корпуса и стали присоединять к блоку кабелем со съемными контактами. К этому кабелю, проходящему через весь системный блок, следует относиться с вниманием, поскольку он является источником и опасности, и помех. В конструктиве ATX главный выключатель питания вернулся на блок питания, а с передней панели блоком питания управляют с помощью кнопки. Таким образом, провода с напряжением питающей сети удалось убрать из корпуса компьютера, и теперь высокое напряжение присутствует только внутри корпуса блока питания.
Мощность блока питания зависит от состава внутренних устройств и лежит в диапазоне от 100-150 Вт для обычных компьютеров до 350-500 Вт для мощных серверов. Для блоков с транзитным разъемом питания монитора потребляемая мощность (коммутируемая выключателем питания) иногда указывается с учетом дополнительных 100 Вт, потребляемых монитором.
Блок вырабатывает основное стабилизированное напряжение +5 В при токе до 10-50 A; +12 В при токе 3.5-15 А для питания двигателей устройств и интерфейсных цепей; -12 В при токе 0.3-1 A для питания интерфейсных цепей; -5 В при токе 0.3-0.5 A (обычно не используется, присутствует только для соблюдения стандарта ISA-Bus). Как говорилось выше, уровни напряжений +12 В, -12 В, -5 В обычно пропорциональны нагрузке цепи +5 В. Если старые системные платы хорошо себя чувствовали при номинале питания 5.0-5.1 В, то современные платы иногда лучше себя чувствуют при напряжении питания 4.9-4.95 В. Для регулировки выходного напряжения обычно имеется подстроечный резистор, хотя для доступа к нему может потребоваться и разборка блока питания.
Кроме питающих напряжений, блок вырабатывает сигнал P.G. (Power Good) - питание в норме. Этот сигнал с уровнем в 3-6 В вырабатывается через 0.1-0.5 с после включения питания при нормальных выходных напряжениях блока. При отсутствии этого сигнала на системной плате непрерывно вырабатывается сигнал аппаратного сброса процессора, появление сигнала "выпускает" систему в нормальную работу. Этот сигнал должен сброситься раньше, чем пропадет напряжение +5 В при отключении блока. Отсутствие должной задержки сигнала при включении и запаздывание при выключении может приводить к потере информации в CMOS и ошибкам при загрузке по включению питания. Нажатие кнопки "RESET" по действию эквивалентно замыканию P.G. на "схемную землю".
Выходные цепи блоков питания выводятся гибкими жгутами проводов со стандартным набором разъемов (рис. 1). Разъемы для питания накопителей имеют ключи, исключающие возможность неправильного соединения. Однако иногда встречаются блоки с ошибочно собранными разъемами, в результате чего на шину питания +5 В попадает +12 В, что устройства, обычно, не выдерживают. Такая ошибка, например, привела к выходу из строя подряд двух 3" дисководов - ошибку в питании стали искать лишь после обнаружения неработоспособности второго дисковода. Традиционные разъемы питания системной платы PS-8, PS-9 всегда устанавливаются рядом так, чтобы четыре черных провода GND шли подряд. Их ключи весьма условны, а ошибка подключения чревата выгоранием системной платы. Цвета проводов в жгутах стандартизованы:
GND - черный;
-12V - коричневый;
+5V - красный;
-5V - голубой;
+12V - желтый;
P.G. - белый (питание в норме).

Рис. 1. Выходные разъемы блока питания.

Вентилятор блока питается от цепи +12 В и обеспечивает охлаждение всего системного блока. В современных качественных блоках питания устанавливают так называемый Fan Processor, регулирующий скорость вращения вентилятора в зависимости от температуры. Это позволяет увеличить ресурс вентилятора и снижает шум при нормальной температуре окружающего воздуха.
Блок питания в стандарте ATX предусматривает наличие дополнительного источника напряжением +3.3 В для питания процессора и средства программного отключения питания. Все питающие и сигнальные провода к системной плате подключаются одним разъемом с надежным ключем. Габаритные размеры ATX-блока питания отличаются от обычных. Блок питания имеет "дежурный" маломощный источник +5V Standby для питания цепей управления потреблением и устройств, активных и в спящем режиме (например, факс-модема, способного по поступлению входящего звонка "разбудить" машину). В интерфейс блока питания введен управляющий сигнал PS-ON, позволяющий отключать источники +5, +3.3, +12, -12 и -5 В. Напряжение от этих источников поступает на выход блока только при удержании сигнала PS-ON на низком логическом уровне. При высоком уровне или свободном состоянии сигнала выходные напряжения этих источников поддерживаются около нулевого уровня. Расширенная спецификация блока питания ATX предусматривает и передачу информации от датчиков вентилятора на системную плату, что обеспечивает контроль скорости вращения и температуры воздуха.

Михаил Гук (Mgook@stu.neva.ru)
Опубликовано в газете "КомпьютерИнфо" (СПб.) 1998/7.
Публикация в печатных изданиях только с разрешения автора, ссылка обязательна.

Михаил Гук	Блок питания персонального компьютера

Книги \| Статьи