Один из них есть на каждом настольном ПК, консоли или ноутбуке. Это не увеличивает частоту кадров и не приводит к выбросу криптовалюты; в нем нет миллиардов транзисторов, и он не сделан с использованием новейшего полупроводникового технологического узла. Звучит скучно, правда? Нисколько! Это очень важно, потому что без него наши компьютеры ничего бы не сделали.
Блоки питания не критикуют заголовки, как новейшие процессоры, но они представляют собой потрясающие технологии. Итак, давайте наденем халаты, маски и перчатки и откроем скромный блок питания, разбив его различные части и посмотрим, что делает каждый из них.
Как называется игра?
Многие компоненты компьютера имеют названия, требующие некоторых технических знаний, чтобы понять, что именно он делает (например, твердотельный накопитель), но в случае блока питания это довольно очевидно. Это единица. Он подает питание!
Поскольку мы не можем просто отряхнуть руки и с гордостью сказать «статья сделана» с таким заявлением, нам лучше начать с одного. Мы используем Cooler Master G650M - это довольно общий дизайн со спецификациями, которые можно найти в десятках подобных, но он обладает одной особенностью, которая есть не у каждого блока питания.
Этот блок питания стандартного размера, и мы подразумеваем, что он соответствует форм-фактору ATX 12V v2.31 , поэтому он помещается во многие компьютерные корпуса.
Однако есть и другие форм-факторы: для небольших корпусов или уникальные для конкретных производителей. Не каждый блок соответствует точным размерам, установленным стандартными форм-факторами, они могут быть одинаковой ширины и высоты, но могут быть длиннее или короче.
Блок питания модели Cisco - специально разработан для серверов, устанавливаемых в стойку.
Они также обычно обозначаются максимальной мощностью, которую они могут предоставить; в случае Cooler Master он может обеспечить до 650 Вт электроэнергии. Мы увидим, что это на самом деле означает, в этой статье, но вы можете получить блоки питания, которые выдают лишь небольшое количество ватт, поскольку не все, что связано с компьютером, требует сотни ватт для работы. Однако большинство настольных ПК будут нормально работать в диапазоне от 400 до 600 Вт.
Такие блоки питания содержатся в металлической коробке, обычно черной или голой, поэтому они могут быть тяжелыми. У ноутбуков почти всегда есть блок питания, который находится снаружи компьютера и почти всегда пластиковый, но внутренняя часть очень похожа на то, что мы увидим в этом.
Большинство блоков питания для настольных ПК поставляются с переключателем для отключения электропитания и вентилятором, чтобы все было красиво и прохладно, но не все (или должны). Не у всех из них будет металлический корпус с дырками - они редко бывают у серверов.
Но, как вы можете видеть на картинке выше, мы уже использовали отвертку для нашего примера, поэтому давайте снимем крышку и запрыгнем внутрь.
Я снова в черном
Прежде чем мы начнем рыться во внутренностях блока питания, давайте задумаемся, зачем он вообще нужен. Почему мы не можем подключить компьютер напрямую к розетке? Ответ заключается в том, что современные компьютерные компоненты ожидают, что электрическая энергия будет подаваться в совершенно иной форме, чем та, которая предоставляется розеткой.
На приведенном ниже графике показано, каким должно быть электричество в сети (США = синяя и зеленая линии; Великобритания = красная линия). Х ось показывает время в миллисекундах , а у оси х показывает напряжение в вольтах . Лучший способ думать о напряжении - это мера разницы энергий между двумя точками.
Если напряжение приложено к проводящему материалу (например, к отрезку металлической проволоки), разница в энергии заставит электроны в материале перетекать с более высокого уровня энергии на более низкий. Это один из строительных блоков атомов, из которых состоит материал, а у металлов есть много электронов, которые могут свободно перемещаться. Этот поток электронов называется током и измеряется в амперах .
Хорошая аналогия для техно-говорящих: электричество можно представить как воду в шланге: напряжение сродни давлению, которое вы используете, скорость потока воды - это ток, а любые ограничения в трубе действуют. то же, что и электрическое сопротивление.
Мы видим, что электричество в сети меняется со временем, и это известно как источник переменного тока, или просто переменного тока, для краткости. В США сетевое напряжение меняется 60 раз в секунду, достигая пика в 340 или 170 В, в зависимости от местоположения и источника питания. Великобритания достигает немного более низкого пика и тоже меняется немного медленнее. Почти во всех странах мира есть такие напряжения в розетках, и лишь в некоторых из них пиковое напряжение ниже или выше.
Потребность в блоке питания заключается в том, что компьютеры не работают с переменным током: им нужно постоянное напряжение, которое никогда не меняется, и оно также должно быть гораздо более низкого уровня. При тех же масштабах графика это выглядит примерно так:
Он настолько ниже, что его едва видно, но требования современного компьютера не к одному постоянному напряжению, а к четырем, а именно +12 В, -12 В, +5 В и +3,3 В. И поскольку эти значения постоянны, их называют постоянным током или, для краткости, постоянным током . Таким образом, большая часть того, что делает блок питания, - это преобразование переменного тока в постоянный (например, гитары ...). Пора открыть прибор и посмотреть, как он это делает!
... большая часть того, что делает блок питания, - это преобразование переменного тока в постоянный (например, гитары ...). Пора открыть устройство и посмотреть, как он это делает!
На этом этапе мы должны предупредить вас не пробовать это, если вы не знаете, что делаете. Возиться с внутренними частями блока питания может быть очень опасно. Внутри каждого устройства есть компоненты, которые накапливают электрическую энергию, а некоторые накапливают много .
Компоновка этого блока питания похожа на многие другие, и хотя производитель и модель различных деталей, используемых внутри, будут отличаться, в основном они делают то же самое.
Подключение сетевой розетки к блоку питания находится в верхнем левом углу изображения, а источник питания, по существу, движется по часовой стрелке вокруг изображения, пока не достигнет выхода блока питания (большой пучок цветных проводов, нижний левый угол).
Если мы перевернем печатную плату, мы увидим, что по сравнению с соединениями на материнской плате они широкие и глубокие - они предназначены для протекания через них большого тока. Что-то еще, что сразу бросается в глаза, - это большая пропасть, идущая посередине, как река, пересекающая путь в поле.
Это подчеркивает тот факт, что все блоки питания имеют два четко определенных раздела: первичный и вторичный . Первый заключается в настройке входного напряжения так, чтобы его можно было эффективно изменить по сравнению с уровнем сетевого питания; во втором - все об этом изменении и последующих процессах.
Он ловкий оператор
Самое первое, что блок питания делает с электросетью, - это не изменение его с переменного на постоянный или падение напряжения - вместо этого все сводится к сглаживанию входного напряжения. Поскольку у нас есть много электрических устройств в наших домах, офисах и на работе, которые включаются и выключаются, а также излучают электромагнитные сигналы, переменный переменный ток часто бывает неровным и с периодическими всплесками (длина колебаний также не постоянна. ). Это не только усложняет настройку блока питания в сети, но и может повредить некоторые компоненты внутри него.
Этот блок питания имеет два каскада так называемых переходных фильтров , первый из которых подключается непосредственно к входному разъему, и для этого используются 3 компонента, называемые конденсаторами . Думайте об этом как о « лежачем полицейском» при резких изменениях входного напряжения.
Второй этап фильтрации в этом БП более сложен, но по сути делает то же самое.
Желтые блоки - это скорее конденсаторы, а зеленые кольца, обернутые медным проводом, - это индукторы (хотя при таком использовании их обычно называют дросселями ). Индукторы накапливают электрическую энергию в магнитном поле, но это поле также «отталкивает» напряжение, поставляющее энергию, поэтому внезапный всплеск напряжения приводит к внезапному откату от магнитного поля, чтобы подавить его.
Два маленьких синих диска - это еще больше конденсаторов, а прямо под ними (спрятанный под черной пластиковой крышкой) находится металлооксидный варистор (MOV). Они также используются для противодействия скачкам и скачкам входного напряжения; вы можете прочитать больше о различных типах схем переходных фильтров здесь .
Этот раздел блока питания часто является первым признаком того, где были сокращены расходы, чтобы обеспечить соответствие модели определенному бюджету. Более дешевые будут иметь меньшую фильтрацию, а самые дешевые вообще не будут иметь никакой фильтрации (а это не то, что вам нужно!).
Теперь, когда мы все спокойны и спокойны, давайте приступим к повседневной работе блока питания: изменению напряжения.
Спуститесь к электрическому проспекту
Помните, что блоку питания необходимо изменить напряжение переменного тока, которое может составлять в среднем 120 вольт (технически это среднеквадратическое значение 120 вольт, но это точно не сошло с языка) и взломать это до напряжений постоянного тока 12, 5 и 3,3 вольта.
Первое, что делается, - это преобразование переменного тока в постоянный, и этот блок питания использует компонент, называемый мостовым выпрямителем . На картинке ниже это плоский черный объект, приклеенный к куску металла (который действует как радиатор).
Опять же, это еще одна область, в которой производитель блоков питания может сократить расходы, поскольку более дешевые компоненты хуже справляются с преобразованием переменного тока в постоянный (например, выделяют больше тепла). Теперь, если входное напряжение достигает пика 170 вольт (что имеет место для сети 120 В), то мостовой выпрямитель будет выдавать 170 вольт постоянного тока.
Это получает передается на следующую стадию БПА и в одном мы смотрим на, это называется коррекция активного коэффициента мощности преобразователь (APFC). Эта схема регулирует ток в устройстве с учетом того, что он заполнен компонентами, которые накапливают и выделяют энергию сложным образом; это может привести к тому, что фактическая выходная мощность устройства будет меньше той, которую вы должны получить.
В других блоках питания используются пассивные преобразователи, которые, по сути, выполняют ту же работу. Они менее эффективны, но подходят для блоков с низким энергопотреблением - они также дешевле, поэтому вы можете догадаться, в каких блоках питания они есть, а в действительности их не должно быть!
APFC можно увидеть на изображении выше - эти большие цилиндры слева являются конденсаторами и хранят отрегулированный ток, прежде чем отправлять их на следующий этап в цепочке процессов блока питания.
Эта секция, спрятанная за APFC, называется схемой широтно-импульсной модуляции (сокращенно ШИМ). Его задача - принимать постоянное напряжение и использовать несколько полевых транзисторов для включения и выключения напряжения с очень высокой скоростью - по сути, он преобразует постоянное напряжение обратно в переменное. Это происходит потому, что часть блока питания, которая понижает напряжение сети до 12 вольт, является трансформатором . Эти устройства используют электромагнитную индукцию и набор из двух катушек провода (в одной из которых больше витков, чем в другой) для понижения напряжения; однако трансформаторы работают только с переменным напряжением.
Частота напряжения переменного тока (скорость , с которой она изменяется, измеренная в герцах, Гц) существенно влияет , насколько эффективно трансформатор - выше , тем лучше - именно поэтому подача 50/60 Гц сети получает превращается в один , который изменяется примерно на 50/60 тысяч Гц. Чем эффективнее трансформатор, тем он может быть меньше. Это сверхбыстрое переключение постоянного напряжения является источником названия для этого типа устройств: импульсный источник питания (SMPS).
На картинке ниже вы можете увидеть 3 трансформатора - самый большой генерирует только выходное напряжение 12 В; в других блоках питания большой трансформатор может обеспечивать все напряжения. Следующий, более крупный, создает единственный выход 5 вольт, о котором мы поговорим чуть позже, а самый маленький из них действует как изолятор для схемы ШИМ, защищая ее от повреждений, а также не позволяя создавать помехи другим напряжениям в цепи. БП.
Различные блоки питания будут иметь разные способы создания необходимых напряжений, изоляции цепи ШИМ и так далее. Все будет зависеть от бюджетных ограничений и от того, сколько мощности должно предложить устройство. Тем не менее, всем им нужно будет снять выходной сигнал с трансформатора и снова превратить его в постоянный ток.
На изображении ниже большой кусок металла является радиатором для мостовых выпрямителей, выполняющих это преобразование. Мы также можем видеть в этом конкретном блоке питания, печатная плата в середине изображения соответствует группе модулей регулирования напряжения (VRM), которые создают выходы 5 и 3,3 вольт.
На этом этапе стоит поговорить о том, что называется рябью .
В идеальном мире с идеальными блоками питания переменное напряжение переменного тока будет преобразовано в постоянное, никогда не колеблющееся напряжение постоянного тока. На самом деле, это не на 100% точно, и напряжения постоянного тока действительно немного различаются.
Это изменение называется пульсационным напряжением, и для блока питания вы хотите, чтобы оно было как можно меньшим. Cooler Master не указывает размер пульсаций напряжения в спецификациях для этой модели блока питания, поэтому мы обратились к подробному обзору, чтобы найти их. Один из таких анализов был проведен JonnyGuru.com, и они обнаружили, что линия +12 В в их тестах имела пик напряжения пульсации на уровне 0,042 вольт (42 милливольта).
На изображении ниже показано, как это соотносится с тем, что требуется. Красная линия - это целевая постоянная +12 В постоянного тока, переменная синяя линия - это то, что мы на самом деле получаем (хотя сама пульсация не постоянна).
Качество конденсаторов, используемых в БП, играет важную роль. Чем меньше и дешевле, тем больше будет пульсация, чего мы не хотим. Если он слишком большой, тогда сложная электронная схема в остальной части компьютера может работать нестабильно. К счастью, в нашем примере 40 с лишним милливольт - это нормально: неплохо, но неплохо.
Независимо от того, что используется для создания выходных напряжений и обеспечения того, чтобы они имели форму постоянного тока, необходимо еще несколько элементов схемы, прежде чем мы начнем размахивать кабелями. Все это связано с управлением выходами блока питания, гарантируя, что, если высокий спрос на мощность имеет место на одном конкретном напряжении, то другие не будут преуменьшены в процессе.
Чип, который вы видите здесь, называется супервизором и контролирует выходы, проверяя, не выдают ли они слишком много или слишком мало напряжения и тока. Однако это не очень сложно, поскольку все, что он делает, отключает блок питания, если возникает какая-либо из этих проблем.
Более дорогие блоки питания используют процессоры цифровых сигналов (DSP) для отслеживания происходящего, и они также могут регулировать напряжения, если это необходимо, а также отправлять сведения о состоянии блока питания на компьютер, использующий его. Не слишком полезно для обычного пользователя ПК, но для компьютеров, используемых в качестве серверов, вычислительных машин и т. Д., Это часто желательная функция.
Подключи ребенка
Все блоки питания идут с длинными пучками проводов, выходящими из их спины. Количество комплектов и то, как они подключаются к основному блоку, будет отличаться в широком спектре доступных моделей, но все они будут обеспечивать некоторые стандартные подключения.
Поскольку напряжение является мерой разницы , для данного выхода должно быть два провода: один для указанного напряжения (например, положительный 12 В или +12 В для короткого замыкания) и эталонный провод, по которому измеряется разница. Этот провод называется заземлением или общей линией, и два образуют петлю: от блока питания к устройству, нуждающемуся в питании, а затем обратно к блоку.
Поток тока проходит по этим проводам контура, но поскольку в некоторых контурах будет протекать только небольшое количество тока, несколько проводов заземления могут использоваться разными контурами.
Первым из них является обязательное 24-контактное соединение ATX12V версии 2.4 - он предлагает несколько проводов для различных напряжений, а также несколько специальных.
Важным является резервный провод + 5В - пока блок питания включен и подключен, этот провод всегда находится под напряжением. Это потому, что компьютер на самом деле не выключается, когда вы приказываете операционной системе выключиться. Материнская плата привлекает власть он должен оставаться активными от ожидания соединения.
Также будет еще один 8-контактный разъем для материнской платы, который обеспечивает два набора проводов +12 В и заземления, и большинство блоков питания также будут иметь по крайней мере один 6- или 8-контактный разъем PCI Express.
Видеокарты могут потреблять максимум 75 Вт от слота PCI Express материнской платы, поэтому этот разъем обеспечивает дополнительную мощность для сегодняшних чудовищных графических процессоров.
Этот конкретный блок питания фактически имеет два разъема питания PCI Express, подключенных к одним и тем же проводам, по соображениям стоимости, поэтому, если у вас есть действительно мощная видеокарта в компьютере, было бы лучше использовать отдельный пучок проводов.
Разница между 6-ти и 8-ми контактным разъемом PCI Express заключается в дополнительных двух проводах заземления. Это позволяет более высокому уровню тока течь по проводам +12 В, помогая питать более голодные графические процессоры.
За последние несколько лет мы стали свидетелями увеличения числа блоков питания, которые гордо носят в своем описании ярлык «модульный». Все это означает, что некоторые разъемы питания подключены к другому разъему, который вставляется непосредственно в блок питания. Таким образом, вместо того, чтобы засорять внутреннюю часть корпуса компьютера массой кабелей и разъемов, вы можете удалить то, что не нужно для экономии места.
В этой модели Cooler Master, как и во многих других, используется довольно простая система подключения модульных кабелей.
Каждый разъем обеспечивает по одному проводу + 12В, + 5В и + 3,3В, а также два провода заземления, и в зависимости от того, к какому устройству будет подключен кабель, разъем на другом конце кабеля будет использовать либо та же конфигурация проводки, или что-то попроще.
Вышеупомянутый разъем Serial ATA (SATA) используется для питания жестких дисков, твердотельных накопителей и периферийных устройств, таких как записывающие устройства DVD.
Эта знакомая форма носит яркое название разъема питания AMP MATE-N-LOK 1-480424-0. Что ж, большинство людей называют это соединителем Molex , но на самом деле это название компании, которая его разработала. Он обеспечивает один + 12В, один + 5В и два провода заземления.
Кабельная разводка выходного питания блока питания - это еще одна область, где можно сэкономить или уложить более высокий бюджет, чтобы улучшить внешний вид или гибкость проводов. Толщина (или калибр ) металлической проволоки, используемой в кабелях, также играет роль, поскольку более толстые провода имеют меньшее электрическое сопротивление, чем более тонкие, что приводит к меньшему тепловыделению при протекании через них тока.
(Что-то внутри) Так сильно
В начале этой статьи мы сказали, что большинство блоков питания названы в честь максимальной мощности, которую они могут предложить. На простейшем уровне электрическая мощность просто умножается на напряжение, умноженное на ток (например, 12 вольт x 20 ампер = 240 ватт), и хотя такое утверждение заставит многих инженеров постараться исправить это замечание, оно работает достаточно хорошо для наших целей.
Как и большинство фирменных или универсальных моделей, наш блок питания поставляется с этикеткой, на которой представлены различные фрагменты информации о том, сколько мощности может обеспечить каждая линия напряжения.
Здесь мы видим, что общая мощность, доступная по всем линиям +12 В, вместе взятым, достигает пика в 624 Вт; Добавьте все остальные, указанные на этикетке, и мы получим в сумме 760 Вт, что же дает? Дело в том, что нормальные линии + 5V и + 3.3V создаются с помощью VRM на выходе + 12V блока питания.
И, конечно же, все выходные напряжения поступают из одного источника: сетевой розетки. Таким образом, мощность 650 Вт - это максимум, который БП может обеспечить в сумме по всем линиям. Так что, если вы использовали 600 Вт на выходе +12 В, на все остальное у вас останется только 50 Вт. К счастью, большая часть оборудования внутри современного ПК в любом случае потребляет большую часть энергии от линий 12 В, поэтому это редко является проблемой, если вы выбрали правильную модель блока питания для своих нужд.
Рядом со спецификациями мощности есть этикетка с надписью « 80 Plus Bronze». Это рейтинг эффективности, который используется в отрасли полностью добровольно (т. Е. Существуют законодательные требования к производителям блоков питания по соблюдению этой рейтинговой системы). Эффективность также зависит от того, какой размер нагрузки пытается обслуживать блок питания (т. Е. Сколько тока потребляется по различным линиям).
Если мы возьмем наш Cooler Master, работающий так, что он обеспечивает мощность 325 Вт (50% от его максимальной мощности), то мы можем ожидать, что он будет иметь КПД от 80 до 85%, в зависимости от напряжения сети.
Это приведет к тому, что устройство потребляет от 382 до 406 Вт из стенной розетки. Более высокий рейтинг 80 PLUS не означает, что блок питания дает вам больше энергии, он просто меньше расходует впустую на всех этапах фильтрации, выпрямления, переключения и преобразования.
Также обратите внимание, что пиковая эффективность находится где-то между 50 и 100% нагрузкой; некоторые производители предоставляют диаграммы, показывающие, как можно ожидать, что устройство будет работать при различных нагрузках и напряжениях питания.
Диаграмма эффективности Cooler Master для их блока питания V1300 Platinum
Иногда стоит обращать внимание на эту информацию, особенно если у вас возникло искушение выложить кучу долларов на БП мощностью 1000 Вт. Если ваш компьютер будет использовать мощность, близкую к этому уровню, то его эффективность будет немного ниже.
Вы можете увидеть, что некоторые блоки питания утверждают, что они однорельсовые или многорельсовые (или предлагают переключатель для переключения между ними). Термин «шина» - это просто другое слово для обозначения определенного напряжения, которое генерирует блок питания. В нашем примере Cooler Master есть одна шина 12 В и все различные разъемы питания, которые обеспечивают отвод тока +12 В от этой шины, если они используются. Многорельсовый блок питания будет иметь две или более систем, обеспечивающих 12 вольт, однако есть большая разница в том, как это реализовано.
Блоки питания для приложений центра обработки данных или вычислительных серверов будут иметь несколько направляющих для обеспечения отказоустойчивости, поэтому отказ одного из них не повлияет на другие. Настольный компьютер с многорельсовым блоком питания может иметь такую настройку, но они, скорее всего, просто возьмут основной выход 12 В и разделят его на две или три части. Например, наш пример обеспечивает до 52 ампер тока на линии +12 В, что соответствует 624 ваттам электроэнергии. Дешевая многорельсовая версия того же устройства может иметь две линии +12 В, указанные в спецификации, но каждая из них будет обеспечивать ток только 26 ампер (или 312 Вт).
Хорошо спроектированный блок питания для настольного компьютера с использованием качественных компонентов не требует многорельсовой системы +12 В, так что не беспокойтесь об этом!
Деньги даром?
Блоки питания бывают во всевозможных ценниках. Быстрый просмотр списков на Amazon для того же формата размера дает их всего от 15 долларов за стандартный блок мощностью 400 Вт и вплоть до 180-240 долларов за полностью модульную атомную электростанцию мощностью 1000 Вт от EVGA или Seasonic. . Что вы получаете за свои деньги? Какие вещи стоят больше 200 долларов?
Возможность поставить больше мощности является очевидным, но это , как эта сила доставляется. Ультра дешевая модель допускает ток до 25 А по линиям +12 В, тогда как сокрушитель кошелька обеспечивает более чем в 3 раза больше - 83 А. Сегодняшние процессоры и видеокарты используют линии +12 В почти для всех своих требований к питанию, но, конечно же, 25 А достаточно?
Учитывая, что теперь вы можете купить «настольный» процессор с 32 ядрами и соединить его с такой же титанической видеокартой, оба с аппетитом на 300 Вт при полной нагрузке, дешевый блок питания совершенно не будет соответствовать спросу; с другой стороны, самый дорогой из них будет иметь достаточно места, чтобы справиться. А поскольку совокупная цена такого процессора и графического процессора может легко превысить 3500 долларов или больше, возможно, выделение нескольких дополнительных сотен не станет большим шоком для некоторых клиентов.
Но на самом деле вы платите за качество компонентов, используемых внутри блока питания. Вернитесь к началу этой статьи и посмотрите на внутренности блока Cooler Master, который мы разбирали. Здесь нет большого количества деталей, и поскольку практически каждый бит имеет решающее значение для работы устройства, нетрудно понять, почему дополнительные расходы не всегда являются деньгами напрасно.
И на этом мы завершаем рассмотрение блока питания (и оставляем след битов по всему полу). Это увлекательная часть набора, и уровень инженерии, связанный с проектированием и производством хорошего, на удивление сложен. Если у вас есть какие-либо вопросы о блоках питания или блоках питания, которые в настоящее время находятся в вашем компьютере и спокойно выполняют свою работу, как обычно, задайте их нам в разделе комментариев ниже. Следите за новостями, чтобы узнать больше об анатомических сериях .
Переведено с сайта Techspot, автор Nick Evanson.
На правах рекламы:
Cyber-Servise. IT-аутсорсинг на грани фантастики!
Город - Новокузнецк