Анатомия блока питания

Разбираемся, что скрывается внутри одного из самых недооценённых компонентов ПК. Перевод статьи с Techspot.

Каждый настольный компьютер, консоль или ноутбук оснащён блоком питания. Он не повышает FPS, не содержит миллиарды транзисторов и не производится по новейшему техпроцессу. Звучит скучно, правда? Ничего подобного. Блок питания критически важен — без него наши компьютеры просто не включились бы.

Хотя БП не становятся героями громких анонсов, как процессоры или видеокарты, с инженерной точки зрения это весьма интересные устройства. Так что давайте мысленно наденем лабораторные халаты и разберём скромный блок питания — посмотрим, из чего он состоит и какую роль играет каждая его часть.

У многих компьютерных компонентов названия звучат так, будто требуют диплома инженера, чтобы понять их назначение (взять хотя бы «твердотельный накопитель»). С блоком питания всё проще: это блок. И он подаёт питание.

Но на этом, к сожалению, статью не закончишь.

В этой статье мы рассмотрим Cooler Master G650M — довольно типичный (пусть и не самый новый) ATX-блок питания. По конструкции он очень похож на множество других моделей на рынке. У него есть одна особенность, встречающаяся не у всех БП, к которой мы ещё вернёмся.

Этот блок выполнен в стандартном форм-факторе ATX и соответствует спецификации ATX12V v2.31. Это означает, что он подойдёт для большинства корпусов настольных ПК. Существуют и другие форм-факторы — для компактных систем или специализированных решений, например серверных.

Хотя ширина и высота ATX-блоков питания стандартизированы, их длина может отличаться в зависимости от конструкции. Сегодня многие новые модели соответствуют стандарту ATX 3.0, который добавляет поддержку разъёма 12VHPWR — он используется современными высокопроизводительными видеокартами.

Блок питания Cisco, разработанный специально для серверов, устанавливаемых в стойку

Блоки питания обычно маркируются по максимальной мощности, которую они способны выдавать. В случае Cooler Master это 650 Вт. Позже мы разберёмся, что именно стоит за этим числом. При желании можно найти модели, рассчитанные всего на несколько ватт — не каждому устройству требуются сотни ватт для работы. Однако для большинства настольных ПК разумный диапазон мощности находится где-то между 400 и 600 Вт.

Подобные блоки питания заключены в металлический корпус — чаще всего окрашенный в чёрный цвет или выполненный из неокрашенного металла, поэтому они нередко оказываются довольно тяжёлыми. У ноутбуков блок питания почти всегда вынесен наружу и обычно выполнен в пластиковом корпусе, но внутри он устроен очень похоже на тот, который мы сейчас разберём.

Большинство настольных БП оснащены сетевым выключателем и вентилятором для охлаждения, хотя встречаются и исключения (и не всем системам они необходимы). Кроме того, не все модели имеют перфорированный металлический корпус — например, в серверных решениях это редкость.

Как видно на фото выше, отвёртка уже пошла в дело, так что давайте снимем крышку и посмотрим, что скрывается внутри.

Прежде чем углубляться во внутреннее устройство блока питания, стоит задать базовый вопрос: зачем он вообще нужен? Почему нельзя подключить компьютер напрямую к электросети?

Проблема в том, что современные компьютерные компоненты требуют питание в форме, существенно отличающейся от той, что поступает из розетки.

На графике ниже показано, как выглядит сетевое напряжение (для США — синяя и зелёная линии; для Великобритании — красная). По горизонтальной оси отложено время в миллисекундах, по вертикальной — напряжение в вольтах. Проще всего представить напряжение как разность потенциалов — разницу энергии между двумя точками.

Если к проводнику (например, к металлическому проводу) приложить напряжение, разность потенциалов заставит электроны двигаться от более высокого уровня энергии к более низкому. Электроны — это составляющие атомов, из которых состоит вещество, и в металлах их много, причём они могут свободно перемещаться. Поток этих электронов называется электрическим током и измеряется в амперах.

Чтобы упростить объяснение, можно воспользоваться аналогией с водой в шланге. Напряжение похоже на давление воды, ток — это скорость её потока, а любые сужения или препятствия в трубе соответствуют электрическому сопротивлению.

Как видно из графика, напряжение в электросети меняется со временем — это и есть переменный ток (AC). В США частота составляет 60 Гц, достигая пикового значения около 170 В при номинальных 120 В RMS. В сетях 230–240 В пиковое значение составляет примерно 325–340 В при частоте 50 Гц. Почти во всём мире используется именно переменное напряжение, различаются лишь его уровень и частота.

Проблема в том, что компьютеры не работают от переменного тока. Им требуется постоянное напряжение — стабильное, не меняющееся со временем и значительно более низкое по уровню. Если изобразить его в тех же масштабах, оно выглядело бы как почти ровная линия.

На графике оно кажется едва заметным — настолько ниже по величине. Современные компьютеры в основном используют линии +12 В, +5 В и +3,3 В. Линия –12 В сохраняется ради совместимости, но в потребительских системах практически не используется.

Поскольку эти напряжения не меняются со временем, их называют постоянным током (DC). Именно поэтому главная задача блока питания — преобразовать переменный ток в постоянный. Да, AC в DC — можете мысленно включить гитарный рифф.

А теперь пора открыть корпус и посмотреть, как это происходит на практике.

Но сначала важное предупреждение: не стоит вскрывать блок питания без соответствующей подготовки. Даже после отключения от сети внутри могут оставаться заряженные конденсаторы, способные хранить опасное напряжение. Это может привести к серьёзным травмам — вплоть до смертельных.

Конструкция нашего блока питания типична для большинства моделей. Марки и модели отдельных компонентов могут различаться, но в целом все они выполняют одни и те же функции.

Сетевой разъём расположен в левом верхнем углу изображения. От него питание проходит по плате по часовой стрелке, пока не достигает выходной части блока — группы цветных проводов в левом нижнем углу.

Если перевернуть печатную плату, сразу заметно, что дорожки здесь гораздо шире и толще, чем на материнской плате. Это объясняется просто: они рассчитаны на прохождение значительно большего тока.

Ещё одна деталь, которая сразу бросается в глаза, — широкий зазор, проходящий через середину платы, словно река, разделяющая поле. Он подчёркивает важный момент: любой блок питания делится на две чётко разграниченные области — первичную и вторичную.

Первичная часть работает напрямую с сетевым напряжением и отвечает за его подготовку к преобразованию. Вторичная — занимается уже пониженным и преобразованным напряжением, обеспечивая стабильные выходные линии для компонентов компьютера.

Первое, что делает блок питания с поступающим из сети электричеством, — вовсе не выпрямляет его и не понижает напряжение. Сначала он очищает входной сигнал.

В домах, офисах и на предприятиях постоянно включаются и выключаются различные устройства, создавая электромагнитные помехи. В результате напряжение в сети далеко не идеально: в нём возникают шумы, всплески и кратковременные скачки. Частота и амплитуда этих колебаний тоже могут слегка изменяться.

Это не только усложняет работу схемы преобразования, но и потенциально способно повредить компоненты самого блока питания. Поэтому на входе обязательно используется система фильтрации, задача которой — сгладить помехи и защитить внутренние элементы устройства.

В этом блоке питания используется двухступенчатая схема так называемой фильтрации переходных процессов. Первая ступень подключена непосредственно к сетевому разъёму и состоит из трёх конденсаторов. Их можно представить как «лежачие полицейские» для резких скачков входного напряжения — они сглаживают внезапные изменения, прежде чем те попадут дальше в схему.

Вторая ступень фильтрации устроена сложнее, но выполняет ту же основную задачу.

Жёлтые прямоугольные элементы — это дополнительные конденсаторы. Зелёные кольца с медной обмоткой — индукторы (в таком применении их чаще называют дросселями). Индуктор накапливает энергию в магнитном поле, и это поле противодействует резким изменениям тока. Поэтому при внезапном скачке напряжения возникает встречная реакция магнитного поля, которая помогает подавить этот всплеск.

Два маленьких синих диска — ещё одни конденсаторы, а чуть ниже них (под чёрной пластиковой оболочкой) находится варистор на основе оксида металла (MOV). Он предназначен для защиты от перенапряжений: при слишком высоком напряжении его сопротивление резко падает, и он «гасит» опасный импульс.

Входная фильтрация — одно из первых мест, где производители могут сэкономить. В более дешёвых моделях компонентов фильтра меньше, а в самых бюджетных вариантах их почти нет — и это совсем не тот случай, который хотелось бы видеть внутри своего ПК.

Теперь, когда входной сигнал более или менее «причесан», можно перейти к главной задаче блока питания — преобразованию напряжения.

Как мы уже говорили, блок питания должен принять переменное напряжение из сети — например, 120 В (точнее, 120 В среднеквадратичного значения, или RMS) — и преобразовать его в гораздо более низкие постоянные напряжения: 12 В, 5 В и 3,3 В.

Именно с этого момента начинается основная работа схемы преобразования.

Первый шаг — преобразование переменного тока в постоянный. В этом блоке питания для этого используется мостовой выпрямитель. На фото ниже это плоский чёрный компонент, прикрученный к металлической пластине, которая служит радиатором.

Это ещё одно место, где производитель может сэкономить. Более дешёвые выпрямители сильнее греются и работают менее эффективно. Если входное напряжение достигает пикового значения около 170 В (что соответствует сети 120 В RMS), то после выпрямления мы получаем примерно те же 170 В постоянного напряжения.

Далее это напряжение поступает на следующий этап — активную коррекцию коэффициента мощности (APFC). Эта схема корректирует форму потребляемого тока, делая её ближе к форме сетевого напряжения. Дело в том, что блок питания содержит множество компонентов, которые накапливают и высвобождают энергию, из-за чего ток может потребляться неравномерно. Без коррекции это снижает коэффициент мощности и общую эффективность.

В более дешёвых блоках используется пассивная PFC — она основана на фиксированных компонентах и не способна динамически подстраивать потребление тока. Такая схема менее эффективна и не соответствует современным требованиям энергоэффективности, особенно для мощных систем.

На изображении выше секция APFC расположена слева — крупные цилиндры представляют собой конденсаторы, которые накапливают сглаженное напряжение перед тем, как оно будет передано дальше.

Следующий этап — схема широтно-импульсной модуляции (PWM). Её задача — взять уже выпрямленное постоянное напряжение и с помощью набора силовых транзисторов (обычно MOSFET) переключать его с очень высокой частотой. По сути, постоянное напряжение снова превращается в переменное — но теперь это высокочастотный прямоугольный сигнал.

Это необходимо потому, что следующий ключевой элемент — трансформатор — работает только с переменным током. Трансформатор использует электромагнитную индукцию и две катушки с разным числом витков для понижения напряжения.

Частота играет здесь важную роль: чем выше частота, тем эффективнее может работать трансформатор и тем меньше он по размеру. Поэтому вместо сетевых 50–60 Гц используется частота порядка десятков килогерц (примерно 50–60 тысяч Гц). Именно это высокочастотное переключение и дало название таким устройствам — импульсный источник питания (SMPS).

На фото ниже можно увидеть три трансформатора. Самый крупный отвечает за линию 12 В (в других конструкциях один трансформатор может формировать сразу несколько напряжений). Второй по размеру используется для формирования 5 В, о чём мы поговорим чуть позже. Самый маленький служит для гальванической развязки схемы управления PWM — он изолирует управляющую часть от силовой и предотвращает передачу помех.

Конкретная реализация может отличаться от модели к модели: способы формирования напряжений, организация развязки, компоновка компонентов зависят от бюджета и требуемой мощности. Однако во всех случаях выход трансформатора должен быть снова выпрямлен и сглажен, чтобы получить стабильное постоянное напряжение.

На следующем изображении большой металлический элемент — это радиатор для выходных выпрямителей, которые выполняют это преобразование. Также можно заметить, что в данном блоке отдельная плата в центре отвечает за формирование линий 5 В и 3,3 В — фактически это небольшие модули регулирования напряжения (VRM).

И здесь мы подходим к важному явлению — пульсациям (ripple).

В идеальном мире выпрямленное напряжение было бы абсолютно ровным и неизменным. На практике же даже после всех стадий фильтрации постоянное напряжение слегка колеблется. Это и есть пульсации — небольшие остаточные изменения напряжения, которые неизбежны в реальной схеме. Именно их величина во многом определяет качество блока питания.

Cooler Master не указывает уровень пульсаций в характеристиках этой модели, поэтому мы обратились к подробным обзорам. В одном из тестов (архив JonnyGuru) было зафиксировано, что на линии +12 В пульсации достигали пикового значения 0,042 В — то есть 42 милливольта.

Согласно спецификации ATX, пульсации не должны превышать 120 мВ для линии +12 В и 50 мВ для линий +5 В и +3,3 В.

На изображении ниже показано, как это выглядит на практике. Красная линия — идеальное постоянное напряжение +12 В, синяя — реальное напряжение с пульсациями (которые, разумеется, не являются строго постоянными по амплитуде).

Качество конденсаторов играет здесь ключевую роль. Более дешёвые или менее ёмкие конденсаторы приводят к увеличению пульсаций, что нежелательно. Если их уровень слишком высок, чувствительная электроника в системе может работать нестабильно. В нашем случае 42 мВ — это вполне достойный результат: не идеальный, но полностью укладывающийся в норму.

Независимо от того, каким образом формируются выходные напряжения и обеспечивается их стабилизация, перед выводом питания на кабели добавляется ещё несколько элементов управления. Их задача — контролировать выходы блока питания, чтобы при повышенной нагрузке на одной линии остальные не выходили за пределы допустимых значений.

Чип, показанный на изображении, называется супервизором. Он отслеживает выходные напряжения и токи, проверяя, не превышают ли они допустимые значения и не падают ли ниже нормы. Его функция довольно проста: при обнаружении проблемы он отключает блок питания.

В более дорогих моделях вместо простого супервизора используется цифровой сигнальный процессор (DSP). Он способен не только контролировать параметры, но и корректировать их в реальном времени, а также передавать информацию о состоянии блока питания системе. Для обычного домашнего ПК это избыточно, но в серверах и вычислительных системах такая функциональность бывает полезной.

Все блоки питания оснащены пучками проводов, выходящими из задней части корпуса. Их количество и способ подключения зависят от модели (например, модульная она или нет), но сами разъёмы стандартизированы.

Поскольку напряжение — это разность потенциалов, для каждой линии требуется как минимум два провода: один подаёт нужное напряжение (например, +12 В), второй служит общим проводом (землёй). Ток проходит по замкнутой цепи: из блока питания к устройству и обратно.

Так как по некоторым линиям протекает небольшой ток, несколько цепей могут использовать общие провода заземления.

Первый и обязательный разъём — 24-контактный ATX (версии 2.4). Он содержит линии различных напряжений, а также несколько управляющих сигналов.

Один из важных контактов — +5VSB (дежурное питание). Пока блок питания подключён к сети, эта линия остаётся активной и подаёт питание на материнскую плату в режиме ожидания. Благодаря этому система может сохранять определённые функции даже после завершения работы операционной системы — например, поддерживать включение по сети (Wake-on-LAN) или по сигналу с клавиатуры.

Кроме того, имеется отдельный 8-контактный разъём питания процессора (два набора +12 В и земли). Большинство блоков питания также оснащены как минимум одним 6- или 8-контактным разъёмом PCI Express для питания видеокарты.

Видеокарта может получать до 75 Вт напрямую через слот PCI Express на материнской плате. Всё, что требуется сверх этого, подаётся через дополнительные разъёмы питания — именно для этого и существуют 6- и 8-контактные разъёмы PCIe.

В нашем блоке питания два разъёма PCI Express фактически подключены к одному и тому же кабелю — это способ немного сэкономить на проводке. Однако если у вас установлена действительно мощная видеокарта, лучше использовать отдельные кабели, если такая возможность предусмотрена, чтобы снизить нагрузку на один провод.

Разница между 6- и 8-контактным разъёмом PCI Express заключается в двух дополнительных проводах заземления. Это позволяет пропускать больший ток по линиям +12 В, что необходимо для более энергоёмких графических процессоров.

Современные видеокарты, включая новые поколения GPU, используют разъём 12VHPWR, способный передавать до 600 Вт по одному кабелю. Многие современные блоки питания оснащаются таким разъёмом в соответствии со спецификацией ATX 3.0.

За последние годы всё больше блоков питания стали предлагаться в модульном исполнении. Это означает, что часть кабелей подключается к корпусу БП через отдельные разъёмы и при необходимости может быть отсоединена. В результате внутри системного блока остаются только используемые провода — это упрощает сборку и способствует лучшей циркуляции воздуха.

В этой модели Cooler Master использует относительно простую модульную систему подключения.

Каждый модульный разъём несёт линии +12 В, +5 В и +3,3 В, а также заземление. В зависимости от назначения кабеля на другом его конце может быть либо полный набор этих линий, либо только те, которые требуются конкретному устройству.

Разъём Serial ATA (SATA) применяется для питания жёстких дисков, SSD и других периферийных устройств, например оптических приводов.

Другой знакомый разъём — так называемый «Molex». Его официальное обозначение — AMP MATE-N-LOK 1-480424-0, но в обиходе закрепилось название компании Molex, которая разработала этот тип коннектора. Он содержит одну линию +12 В, одну +5 В и два провода заземления.

Кабели блока питания — ещё одна область, где производитель может сэкономить или, наоборот, повысить качество устройства. Важную роль играет калибр проводов: более толстый провод имеет меньшее сопротивление, а значит, меньше нагревается при прохождении тока.

В начале статьи мы говорили, что блоки питания обычно называют по их максимальной мощности. В самом простом приближении электрическая мощность — это напряжение, умноженное на ток (например, 12 В × 20 А = 240 Вт). Строго говоря, всё немного сложнее, но для наших целей этого достаточно.

Как и большинство моделей, этот блок питания имеет на корпусе наклейку с таблицей, где указано, сколько мощности доступно по каждой линии напряжения.

Здесь видно, что суммарная мощность по линии +12 В может достигать 624 Вт. Если сложить мощности всех линий по отдельности, получится больше — около 760 Вт. Почему так?

Дело в том, что линии +5 В и +3,3 В формируются из линии +12 В с помощью внутренних преобразователей (по сути, небольших VRM). Все напряжения берут энергию из одного источника — сети.

Поэтому номинал 650 Вт — это максимальная суммарная мощность, которую блок питания способен отдать одновременно по всем линиям. Если, например, по +12 В потребляется 600 Вт, на остальные линии остаётся всего около 50 Вт.

На практике это редко становится проблемой, поскольку в современных системах основная нагрузка действительно приходится на линию +12 В — процессор и видеокарта питаются именно от неё.

Рядом с характеристиками мощности можно увидеть маркировку «80 Plus Bronze». Это рейтинг эффективности в рамках добровольной программы сертификации — он не является обязательным требованием закона. Его цель — показать, насколько эффективно блок питания преобразует энергию из сети в полезное постоянное напряжение. Эффективность зависит и от нагрузки — то есть от того, сколько тока потребляется по различным линиям.

Недавно был представлен новый уровень сертификации — 80 Plus Ruby, который превосходит текущий максимум (Titanium). Первоначально такие блоки питания ориентированы на центры обработки данных, и пока неясно, когда они станут массовыми для домашних ПК. По сути, их можно было бы назвать «90 Plus», поскольку они должны обеспечивать не менее 90% эффективности во всём диапазоне работы системы питания — даже при нагрузке всего 5% и при напряжениях 230 В, 277 В и 480 В переменного тока, а также 380 В постоянного.

Если взять наш Cooler Master и нагрузить его на 325 Вт (50% от номинала), можно ожидать эффективность в пределах 80–85% в зависимости от входного напряжения. Это означает, что из розетки он будет потреблять примерно 382–406 Вт. Более высокий рейтинг 80 PLUS не увеличивает доступную мощность — он лишь означает, что меньше энергии теряется на этапах фильтрации, выпрямления, переключения и преобразования.

Стоит также помнить, что максимальная эффективность обычно достигается при нагрузке примерно от 50% до 100% от номинала. Некоторые производители публикуют графики, показывающие, как меняется эффективность при различных уровнях нагрузки и напряжениях сети.

Иногда на эти графики полезно взглянуть — особенно если вы планируете купить блок питания на 1000 Вт. Если система постоянно работает близко к пределу мощности, эффективность может немного снижаться.

Вы также можете встретить блоки питания, обозначенные как однорельсовые или многорельсовые (иногда с возможностью переключения). «Шина» (rail) — это просто отдельная линия напряжения.

Наш пример имеет одну линию +12 В, и все соответствующие разъёмы получают питание именно от неё. Многорельсовый блок питания формирует две или более независимых линий +12 В — но многое зависит от конкретной реализации.

В серверных и дата-центровых решениях несколько шин используются для повышения отказоустойчивости: выход из строя одного канала не приводит к остановке всей системы. В обычных многорельсовых БП каждая линия имеет собственную защиту от перегрузки по току (OCP), что повышает безопасность — например, при коротком замыкании ограничивается максимальный ток.

В нашем случае блок способен выдавать до 52 А по линии +12 В (624 Вт). Дешёвая многорельсовая версия могла бы иметь две линии +12 В по 26 А каждая — формально те же 624 Вт в сумме, но с отдельными ограничениями по току.

Для большинства настольных ПК качественный однорельсовый блок питания полностью безопасен и надёжен. Многорельсовые схемы в первую очередь востребованы в специализированных системах.

Блоки питания представлены в очень широком ценовом диапазоне. Достаточно беглого просмотра популярных списков на Amazon: базовый, но вполне рабочий 500-ваттный блок Thermaltake можно найти примерно за 50 долларов, тогда как более дорогие модели стоят 400 долларов за полностью модульный 1300-ваттный блок от be quiet! или даже больше — за массивный 1600-ваттный блок от Seasonic.

Но что вы получаете за свои деньги? Очевидно, возможность отдавать больше мощности. Однако важнее то, как именно эта мощность подаётся.

Ультрадешёвая модель может обеспечивать до 25 А по линии +12 В, тогда как более дорогая — более чем в три раза больше, около 83 А. Современные процессоры и видеокарты получают почти всё питание именно от +12 В — но достаточно ли 25 ампер?

Учитывая, что сегодня можно приобрести настольный процессор с 64 ядрами и установить его в систему с не менее мощной видеокартой, каждая из которых способна потреблять 450 Вт и более под полной нагрузкой, дешёвый блок питания попросту не справится с такой конфигурацией. Более дорогая модель обеспечит необходимый запас по току и стабильности для работы этих энергоёмких компонентов.

А если учесть, что стоимость высокопроизводительного процессора и видеокарты легко превышает 3000 долларов, потратить несколько сотен на качественный блок питания выглядит скорее разумной инвестицией, чем излишеством.

Но на самом деле вы платите прежде всего за качество внутренних компонентов. Вернитесь к началу статьи и вспомните, как выглядит блок Cooler Master внутри. Деталей там не так много — и почти каждая из них критически важна для нормальной работы устройства. Поэтому более высокая цена не обязательно означает переплату.

На этом мы завершаем разбор блока питания (и оставляем после себя россыпь винтов и крышек). Это, пожалуй, один из самых недооценённых компонентов ПК, хотя уровень инженерной проработки в хорошем БП действительно впечатляет.

Если у вас есть вопросы о блоках питания — или о том, который сейчас тихо трудится внутри вашего компьютера, — задавайте их в комментариях. И следите за новыми материалами из серии «Анатомия».

#переводы