Главная страницаОбратная связьКарта сайта

Назначение и принципы работы блоков питания

Блок питания можно назвать одним из главных компонентов компьютера, однако его обычно обходят вниманием. Покупатели компьютеров по многу часов обсуждают частоту процессоров, емкость модулей памяти, объем и скорость жестких дисков, производительность видеоадаптеров, размер экрана монитора и т.д., однако крайне редко упоминают о блоках питания. Когда система собирается из самых дешевых компонентов, на какой элемент производитель обращает меньше всего внимания? Правильно, на блок питания. Для многих это просто невзрачная серая металлическая коробка, расположенная внутри компьютера и покрытая слоем пыли. Иногда пользователи все же задумываются о блоке питания, интересуясь исключительно мощностью в ваттах (несмотря на то что не существует практических методов проверки этой мощности) и упуская из виду важнейшие моменты, а именно: стабильна ли подача энергии или напряжение отличается шумом, скачкообразными выбросами и перебоями.

При выборе компьютера я всегда уделяют первоочередное внимание блоку питания, так как именно он обеспечивает надежность и устойчивость всей системы. Блок питания крайне важен, поскольку подает электроэнергию каждому компоненту системы. Кроме того, он является одним из самых ненадежных компьютерных устройств, так как по статистике именно блоки питания чаще всего выходят из строя. Не в последнюю очередь это связано с тем, что многие производители устанавливают самые дешевые блоки питания. Неисправный блок питания может не только помешать стабильной работе системы, но и физически повредить ее компоненты неустойчивым электрическим напряжением.

В настоящей главе блок питания рассматривается очень подробно. Здесь анализируются как электрические функции источника, так и механические формфакторы и конструкция блоков питания, которые использовались в ПК в прошлом и применяются сегодня. Поскольку физическая форма (формфактор) блока питания напрямую связана с типом корпуса, в котором его можно использовать, некоторые из представленных сведений также относятся к определенному типу шасси.

За последние несколько лет стандартный блок питания ATX значительно эволюционировал; появились новые разъемы, необходимые для обеспечения питания системных плат и видеоадаптеров новых поколений. Для обеспечения совместимости устаревших блоков питания с новыми устройствами выпускаются специальные адаптеры. Также выпускаются адаптеры, позволяющие подключить устаревшие устройства к блокам питания нового поколения. Однако чаще всего в подобных адаптерах нет ни малейшей необходимости, поскольку в современных блоках питания представлены разъемы как нового, так и старого типов. Пользователям, которые собирают новые системы с нуля или же модернизируют существующие системы, будет полезно знать назначение всех новых разъемов. В настоящей главе рассматривается эволюция разъемов, которыми оснащаются блоки питания ATX; основное внимание уделяется новым разъемам, которые необходимы при сборке современных компьютерных систем.

Назначение и принципы работы блоков питания

Главное назначение блоков питания — преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (или 120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +3,3, +5 и +12 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется напряжение +3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) — +12 В. Одни блоки питания требуют ручной установки параметров входного переменного тока, в то время как другие настраиваются автоматически.

Технически блок питания в компьютере представляет собой источник постоянного напряжения, преобразующий переменное напряжение в постоянное.


■     Постоянное напряжение означает, что блок питания подает одинаковое напряжение к внутренним компонентам ПК, независимо от напряжения переменного тока или мощности блока питания (в ваттах).

■     Под переключением понимают технологию регулировки мощности, используемую многими блоками питания. По сравнению с другими типами эта конструкция позволяет обеспечить эффективную и экономную работу блока питания с минимальным выделением тепла.

Положительное напряжение

Как правило, цифровые электронные компоненты и интегральные схемы компьютера (системные платы, платы расширения, логические схемы дисководов) используют напряжения +3,3 и +5 В, в то время как двигатели (дисководов и вентиляторов) обычно работают с напряжением +12 В. Список устройств и их потребляемые мощности приведены в табл. 19.1.

Таблица 19.1. Потребляемая мощность компонентов компьютера________________________________________________________________

Напряжение, В   Устройства

+3,3                               Наборы микросхем, модули памяти DIMM, платы PCI/AGP, разнообразные микросхемы

+5                                  Логические схемы дисководов, модули памяти SIMM, платы PCI/AGP, платы ISA, разнообразные

микросхемы
+12_______________ Двигатели, регуляторы напряжения (с высокой выходной мощностью)______________________________________________

Шинопроводы

Каждое из напряжений, генерируемое источником питания, обычно поставляется материнской плате по нескольким проводам, подключенным к одной электрической цепи, называемой шинопроводом или ответвлением. Напряжение подается по нескольким кабелям, потому что в противном случае все провода, штекеры и разъемы были бы чрезвычайно толстыми и крупными, чтобы справиться с такой нагрузкой. Гораздо эффективнее распределить нагрузку по нескольким тонким кабелям.

Каждый шинопровод можно представить себе как отдельную цепь, т.е. маленький блок питания внутри большого. Обычно каждый из шинопроводов характеризуется максимальной силой подаваемого тока, измеряемой в амперах. Так как потребляемый новыми видеокартами и прочими современными устройствами ток с напряжением +12 В может оказаться слишком большим для одного шинопровода, некоторые блоки питания содержат несколько ответвлений с напряжением +12 В. Таким образом, в блоке питания содержится два шинопровода с напржением +12 В, к каждому из которых подведено несколько проводов. К сожалению, такая архитектура может стать источником серьезных проблем, особенно при нарушении баланса нагрузки между отдельными шинопроводами. Другими словами, чаще выгоднее иметь один шинопровод +12 В с максимальным током 40 А, чем два с током 20 А каждый. При этом не придется волноваться, от какого именно шинопровода к какому потребителю подведен ток и не превысит ли он максимально допустимую величину.

Шинопроводы с напряжением +3, +5 и +12 В технически независимы, однако в некоторых дешевых блоках питания они совместно используют некоторые электрические цепи (т.е. независимы не в полной мере). Это может вылиться в проблемы с регулировкой напряжения, когда слишком большая нагрузка в одном шинопроводе приводит к падению напряжения в другом. К примеру, переход от рабочего стола к трехмерной игре удваивает нагрузку на шинопровод +12 В, что в дешевых блоках питания может привести к падению напряжения на других устройствах ниже допустимого согласно спецификации (т.е. более чем на 5%). В результате произойдет сбой системы. Более дорогие блоки питания, имеющие полностью независимые шинопроводы, обеспечивают максимальные колебания напряжения в пределах от 1 до 3%.


Стабилизаторы напряжения

Для того чтобы система работала нормально, источник питания должен обеспечивать непрерывную подачу постоянного тока. Устройства, рабочие напряжения которых отличаются от подаваемого, должны питаться от встроенных регуляторов, которые принимают от блока питания +5 или +12 В и преобразуют его в более низкие напряжения, необходимые разным компонентам. Например, рабочие напряжения 2,5 В для модулей памяти RIMM/DDR DIMM и 1,5 В для адаптеров AGP 4x/8x, а также 0,8 В для адаптеров PCI-Express обеспечиваются простыми встроенными стабилизаторами тока; процессоры подключаются к модулю стабилизатора напряжения (VRM), который обычно встраивается в системную плату. Современная системная плата содержит три (или больше) модуля стабилизатора напряжения.

Примечание

Когда компания Intel начала выпускать процессоры, для которых требовалось напряжение 3,3 В, источников питания с таким выходным напряжением еще не существовало. Поэтому изготовители системных плат начали встраивать трансформаторы, преобразующие напряжение +5 в +3,3 В. Такие преобразователи генерируют большое количество тепла, что нежелательно для компьютера. Существует мнение, что при наличии напряжения питания 3,3 В, которое обеспечивается блоком питания, исчезнет необходимость в этих встроенных трансформаторах. Однако в настоящее время появились процессоры, имеющие более низкое рабочее напряжение. Для того чтобы приспособиться к изменяющимся требованиям энергообеспечения процессоров, в системные платы включаются адаптивные схемы регулятора тока, получившие название модули стабилизатора напряжения (Voltage Regulator Modules - VRM). Другие регуляторы также применяются для обеспечения питания устройств, не использующих напряжение +3,3, +5 или +12 В.

Отрицательное напряжение

Если посмотреть на спецификацию типичного блока питания, то окажется, что он подает не только напряжения +3,3, +5 и +12 В, но также –5 и –12 В. Положительное напряжение необходимо для питания практически всех компонентов системы (логических схем и двигателей), так зачем же нужно отрицательное? Если напряжение –5 В подается на материнскую плату, оно направляется на шину ISA (контакт 5) для некоторых плат расширения, которые его используют (хотя таких осталось крайне мало). В качестве примера можно привести цепи аналогового разделителя, которые можно найти в старых контроллерах. Также с логической точки зрения в материнской плате не используется напряжение –12 В, однако оно может применяться в некоторых конструкциях цепей последовательного порта и сетевого адаптера.

В некоторых современных блоках питания напряжение –12 В уже не вырабатывается (к примеру, в спецификации ATX12V 1.3 оно отсутствует). Наличие напряжения –12 В в некоторых блоках питания можно объяснить требованием обратной совместимости с шиной ISA. Поскольку современные ПК больше не используют шину ISA, в сигнале –5 В больше нет ни малейшей необходимости. Однако если блок питания устанавливается в систему со старой материнской платой, содержащей разъемы ISA, он должен подавать напряжение –5 В.

Примечание

Нагрузка источника питания на выход --12 В для встроенного LAN-адаптера весьма незначительна. Например, интегрированный Ethernet-адаптер 10/100 в системной плате Intel D815EEAL потребляет всего 10 мА по цепи как +12, так и --12 В (0,01 ампер каждый).

Напряжение +12 В подается для питания двигателей дисковых устройств, а также стабилизаторов напряжения процессоров в некоторых материнских платах. Обычно блок питания обеспечивает подачу большого тока на шинопровод с напряжением +12 В, особенно в системах с большим числом отсеков для дисковых приводов. Кроме того, напряжение +12 В используется некоторыми вентиляторами, которые, естественно, всегда включены. Один вентилятор может потреблять ток от 100 до 250 мА, однако большинство современных вентиляторов не потребляют более 100 мА. Следует отметить, что в настольных системах в основном используются вентиляторы с напряжением питания +12 В, в то время как в ноутбуках — +5 или даже +3,3 В.

Большинство систем с современными формфакторами системных плат (ATX и BTX) поддерживают еще один специальный сигнал. Эта функция, получившая название PS_ON, может применяться для выключения блока питания (и, следовательно, компьютера) с помощью программного обеспечения. Она так и называется — программное управление питанием. Сигнал PS_ON нашел применение в операционной системе Windows, где он определяется в спецификациях APM (Advanced Power Management — усовершенствованное управление питанием) и ACPI (Advanced Configuration and Power Interface — усовершенствованный интерфейс конфигурирования системы и управления энергопитанием). При выборе команды Выключение в меню Пуск Windows автоматически выключает питание системы по завершении программной последовательности отключения. В компьютере, не поддерживающем функцию PS_ON, будет выведено сообщение о том, что питание можно отключить вручную.

Сигнал Power_Good

Блок питания не только вырабатывает необходимое для работы узлов компьютера напряжение, но и приостанавливает функционирование системы до тех пор, пока величина этого напряжения не достигнет значения, достаточного для нормальной работы. Иными словами, блок питания не позволит компьютеру работать при нештатном уровне напряжения питания.

В каждом блоке питания перед получением разрешения на запуск системы выполняются внутренняя проверка и тестирование выходного напряжения. После этого на системную плату посылается специальный сигнал Power_Good (питание в норме). Если такой сигнал не поступил, компьютер работать не будет.

Уровень напряжения сигнала Power_Good — около +5 В (нормальной считается величина от +2,4 до +6 В). Он вырабатывается блоком питания после выполнения внутренних проверок и выхода на номинальный режим и обычно появляется через 0,1–0,5 с после включения компьютера. Сигнал подается на системную плату, где микросхемой тактового генератора формируется сигнал начальной установки процессора.

При отсутствии сигнала Power_Good микросхема тактового генератора постоянно подает на процессор сигнал сброса, не позволяя компьютеру работать при нештатном или нестабильном напряжении питания. Когда Power_Good подается на генератор, сигнал сброса отключается и начинается выполнение программы, записанной по адресу FFFF:0000 (обычно в ROM BIOS).

Если выходные напряжения блока питания не соответствуют номинальным (например, при снижении напряжения в сети), сигнал Power_Good отключается и процессор автоматически перезапускается. При восстановлении выходных напряжений снова формируется сигнал Power_Good, и компьютер начинает работать так, будто его только что включили. Благодаря бы­строму отключению сигнала Power_Good компьютер не замечает” неполадок в системе питания, поскольку останавливает работу раньше, чем могут появиться ошибки четности и другие проблемы, связанные с неустойчивостью напряжения питания.

Примечание

Иногда сигнал Power_Good используется для сброса вручную. Он подается на микросхему тактового генератора. Эта микросхема управляет формированием тактовых импульсов и вырабатывает сигнал начальной перезагрузки. Если сигнальную цепь Power_Good заземлить каким-либо переключателем, то генерация тактовых сигналов прекращается, и процессор останавливается.

В компьютерах, выпущенных до появления стандарта ATX, сигнал Power_Good поступает на системную плату через контакт P8-1 разъема блока питания. В соответствии со стандартом ATX сигнал Power_Good поступает через восьмой контакт 20/24-контактного разъема блока питания (как правило, серый провод).

В правильно спроектированном блоке питания подача сигнала Power_Good задерживается до стабилизации напряжений во всех цепях после включения компьютера. В плохо спроектированных блоках питания (которые устанавливаются во многих дешевых моделях) задержка сигнала Power_Good часто недостаточна, и процессор начинает работать слишком рано. Обычно задержка сигнала Power_Good составляет 0,1–0,5 с. В некоторых компьютерах ранняя подача сигнала Power_Good приводит к искажению содержимого CMOS-памяти.

Примечание

Если компьютер не загружается при включении питания, но потом запускается нормально (при нажатии кнопки сброса или комбинации клавиш <Ctrl+Alt+Del>), то проблема, по всей вероятности, связана с сигналом Power_Good. В этом случае лучший способ проверки - раздобыть новый высококачественный блок питания и попытаться установить его вместо старого.

В некоторых дешевых блоках питания схемы формирования сигнала Power_Good нет вообще, и эта цепь просто подключена к источнику напряжения питания на +5 В. Одни системные платы более чувствительны к неправильной подаче сигнала Power_Good, чем другие. Проблемы, связанные с запуском, часто возникают именно из-за недостаточной задержки этого сигнала. Иногда бывает так, что после замены системной платы компьютер перестает нормально запускаться. В такой ситуации довольно трудно разобраться, особенно неопытному пользователю, которому кажется, что причина кроется в новой плате. Но не торопитесь списывать ее в неисправные — часто оказывается, что виноват блок питания: либо он не обеспечивает достаточной мощности для питания новой системной платы, либо не подведен или неправильно вырабатывается сигнал Power_Good. В такой ситуации лучше всего заменить блок питания более качественным.




Обсудить статью на форуме


Если прочитаная статья из нашей обширной энциклопедия компьютера - "Назначение и принципы работы блоков питания", оказалась полезной или интересной, Вы можете поставить закладку в социальной сети или в своём блоге на данную страницу:

Так же Вы можете задать вопрос по статье через форму обратной связи, в сообщение обязательно указывайте название или ссылку на статью!
   


Copyright © 2008 - 2019 Дискета.info