Захранването - "гръбнакът" на компютъра

До скоро едва ли някой си е задавал въпроса, какво значение има PSU-то (PSU= Power Supply Unit) в PC-то за неговата безпроблемна работа. За съжаление дълго време той беше неоснователно пренебрегван защото нивата на енергопотребление беше далеч от тези които наблюдаваме през последните години, а и освен това другите важни параметри за едно PSU са невидими за просто око.

Какво е PSU- o за едно PC ? Всъщност това е основата, защото то трябва да достави всички необходими напрежения с определени параметри за правилното функциониране на всичките му модули.



От край време на нашия пазар се предлагат тъй наречените noname (“китайски”) марки PSU-а (JNC, Codegen, L&C, KME……) и до преди 1-2 години практически потребителя нямаше никакъв избор.
Първата крачка беше направена с PowerMaster захранванията -не особено маркови, но пък първите PSU-a на нашия пазар които предлагаха качество невиждано дотогава. След това се появиха Q-tec захранванията (също не особено маркови) и накрая вече започнаха да се внасят и истинските качествени маркови PSU-a като Enlight, Seasonic, Sirtec (Chieftec/HighPower/Thermaltake), Antec, Enhance, Enermax, Vantec и Fortron.

Пазара у нас е променлив и една марка се появява за известно време, после изчезва и затова е трудно да се говори за някакво постоянно присъствие, но вече е факт и, че фирмите вносителки “дръзнали” да внесат по-скъпи (съответно и по-качествени) продукти все повече отделят внимание на този компонент и отговарят сравнително адекватно на търсенето и няма да оставят потребителя с празна кошница.

С тази статия ще се опитам, без да задълбавам в излишна теория и подробности (все пак и аудиторията не е специализирана) да изясня ролята на PSU-o в съвременото PC и как може да се различи едно качествено от noname такова.
В PC съвместимите компютри се използват импулсни захранвания, тъй като то предлага редица предимства (на които няма да се спирам) пред “класическите”.
Какво представлява импулсното захранване за PC (ATX)?
Променливото напрежение от ел. мрежата (220V у нас) се изправя, след което се филтрира и в резултат се получава постоянно напрежение приблизително 310V. Това изправено високо напрежение се използва за захранване на същинския импулсен преобразовател и на схемата на Stand By захранващия източник -5VSB. Импулсният пробразовател (който в случая е и стабилизатор) представлява ключов елемент/и (мощен биполярен транзистор или MOSFET транзистор), който е свързан към първичната намотка на високочестотен импулсен трансформатор, и неговото превкючване се управлява от специализирана интегрална схема, наречена широчинно-импулсен модулатор (ШИМ) или в английската техническа литература – PWM (Pulse Width Modulator).

Тази инт, схема изработва правоъгълен сигнал с честота (в повечето случаи)100KHz и променлив коефициент на запълване на импулсите – променлива ширина. В зависимост от коефициента на запълване на импулсите, изходното напрежение на вторичната намотка на високочестотния импулсен трансформатор ще бъде различно.
След като се изправи отново това високочестотно напрежение и се филтрира, част от него се подава обратно към ШИМ контролера, като по този начин се осъществява обратна връзка (ОВ) - в анг. техническа литература Feedback (FB). Целта и е да се стабилизира изходното напрежение, независимо от промените на входното.



При ATX захранванията, обикновено импулсния трансформатор има 2 или 3 вторични намотки в точно определено съотношение м/у тях така, че на изхода да се получат необходимите напрежения за захранеане на PC-o – съответно +5V и +12V, -12V, -5V, като 3.3V се получава от +5V намотката през допълнителен пре-регулатор, като по този начин и позволява независимо регулиране спрямо 5V&12V.

Този метод е евтин, но има съществени недостатъци – стабилизациата се осъществява само по едно от напреженията. На практика какво се получава? Когато се натовари примерно 5V линията, тогава се увеличава тока през вторичната намотка на трансформатора, изправителните диоди и филтриращите дросели и в следствие на което се получава пад на напрежение, което ШИМ контролера се опитва да компенсира (така, че на изхода пак да имаме 5V) като увеличава коефициента на запълване на импулсите подавани на ключовия елемент. Но тъй като отношението м/у вторичните намотки на трансформатора на 5V и 12V е фиксирано, то тогава напрежението в 12V линията ще се повиши. Още повече, че съотношението м/у 12V&5V е 2.4 и това означава, че при промяна на 5V линията с 0.1V, то 12V линията ще се промени с 0.1*2.4=0.24V!!!

При не добре конструирани PSU-a или при използване на по-маломощо от необходимото това повишение може да надхвърли допустимите стойностти дифинирани в ATX стандарта и да стане опасно за останалия хардуер, като HDD-a например.

В сървърните PSU-a и в последно време в някои от Top моделите ATX PSU-a се използва независимо регулиране на трите линии 3.3V, 5V и 12V, като по този начин елеминира зависимостта м/у тях при натоварване, но за съжаление това оскъпява захранването и съответно цените са доста високи.

Всички съвременни ATX PSU-a (включително и noname) имат следните защити:
1. OVP (over voltage protection)
2. OPP (over power protection)

В марковите PSU –a могат да се срещнат допълнително UVP (under voltage protection) и ОТP (over themperature protection), a в сървърните ULP (under load protection). Принципно наличието на защити е предпоставка за безопасно функциониране на PSU-o, но не и достатъчно условие защото зависи от реализациата и!

Определено при евтините “китайски” захранвания тези защити не функционират много добре и могат да причинят огромни щети на хардуера с доста големи финансови последици.
По-горе споменах за съществуването на още един блок – Stand By (5VSB) източника. Това е много важен блок защото той постоянно работи даже когато PC-o е изключено и трябва да осигури необходимия ток за правилно функциониране на системета за PowerON на дънната платка, както и допълнителните блокове като USB, LAN и RAM (в S3 режим). Именно от този блок възникват и най-големите проблеми! Масово в евтините “китайски” PSU (а и в някои уж маркови) се използват елементарни евтини схеми, без каквито и да е защити и неможещи да осигурят необходимите 2A ток (регламентиран в ATX спецификациите) и в резултат на което много често имаме катастрофални последици!



За съжаление едно PSU не се изчерпва само със стойносттите на напреженията и само на тяхна база няма как да се направи заключение, дали е качествено или не, още повече, че за обикновения потребител, са достъпни единствено декларираните стойностти на ток и мощност на етикета (които се приемат на доверие) и евентуално измерените напрежения с мултимер или от хардуерния мониторинг на дънната платка – в повечето случаи той не дава достатъчно достоверни стойностти.

Има доста параметри, които не са видими за просто око и за тяхното измерване е необходимо скъпо струваща измервателна апаратура. И точно тук е една от разликите м/у марковите и noname PSU-а. При евтините “китайски” захранвания ($12-25) липсва добра филтрация на изходните напрежения, защото с цел поевтиняване на продукта липсват част от филтрите.

Друг важен аспект това е температурния режим на работа на PSU-o.
Има 2 основни групи елементи които отделят достатъчно количество топлина. Това е групата на ключовите мощни транзистори и изправителни диоди и групата на филтриращите дросели и импулсния трансформатор.
Адекватното охлаждане на тези елементи гарантира безпроблемна работа на захранването. Затова транзисторите и диодите трябва да са монтирани на радиатори с достатъчно голяма площ. С цел намаляване на размера им се използва принудително охлаждане с вентилатор.
Предполагам доста от вас знаят, че съществуват и така наречените “тихи” захранвания, на които радиаторите имат огромни размери и по този начин се елеминира необходимостта от принудително охлаждане. Обаче има един проблем свързан с втората група елемни (импулсен трансформатор и филтриращи дросели) отделящи топлина, а той е, че поради ограничения размер на ATX захранването, тези компоненти обикновено работят в “стресов” режим и се нуждаят от постоянен въздушен поток Без това принудително охлаждане те биха били способни безопасно да работят едва до 1/2 от тази мощност!. Именно поради тази причина в някои скъпи модели захранвания могат да се забележат датчици които следят температурата им и при превишаване над допустимите стойностти, да сработват температурната защита с цел предотвратяване на повреждане на PSU-o и оттам последствията за останалия хардуер.
В марковите захранвания напоследък се отделя доста голямо внимание на шума от охлаждащия вентилатор/и и затова масово се използват системи с автоматично регулиране на оборотите им в зависимост от натоварването, като за целта се използват датчици следящи температурата на охлаждащите радиатори и евентуално на дроселите.

Какъв е основния външен признак по който могат да се различат “китайско” и нормално захранване?

По техните килограми като начало или по неговата “празнота” отвътре причинена от спестените компоненти.
Изобщо на моменти ме е учудвала “гениалната” изобретателност на китайската инженерна мисъл. Искам да направя едно уточнение, че тук става въпрос за noname PSU-а, защото както е известно на повечето от вас и марковите PSU-a се произвеждат в Китай или Тайван, но те се произвеждат в нормални заводи на големи OEM производители с контрол на качеството и стриктно спазване на спецификациите на компаниите-възложители, а не в мазето на чичо Ли.
В този род мисли няма как да не засегна и проблема с мощностите заявени от производителите. Принципно при нормалните (маркови) захранвания мощността обявена на етикета е максималната мощност, освен в случаите когато изрично е указано друго. За разлика от номиналната мощност, PSU-o неможе да работи продължително време на нея. Обикновено марковите захранвания могат да работят продължително на 75% от обявената максимална стойност! Или ако имаме едно истинско PSU с мощност по спецификация 300W, то безопасната мощност на която може да работи продължително време (7/24) е 300x0.75=225W

Как стоят нещата при noname захранванията?

Ами тук пак сме свидетели на “престъпна” изобретателност! Виждаме 200W, 225W и 250W захранвания, премаркирани като 350W, 450W, 500W. Декларирани стойностти на токовете не съответсващи на реалността – примерно на Codegen 300W има декларирани на 12V линията 12A, но в същото време като изправителен диод се използва такъв с максимален ток 10A, което на практика означава, че неможе да се натоварва повече от 8A продължително време!!! Използване на нискокачествени, възможно най-евтини компоненти, липса на достатъчен капацитет на филтриращите кондензатори, (не коментирам изобщо факта, че в такова захранване неможе да се види Low ESR кондензатор), тънки проводници на дроселите и импулсния трансформатор, както и липса на доста компоненти.

Всички тези неща водят до това, че човек спестявайки $15-20, подлага на риск, хардуер струващ стотици долари!
Именно и заради тази “китайска” инвазия с noname продукция уплаши някои фирми като NVIDIA и те побързаха да декларират, че за новите им графични ускорители, ще е необходимо минимум 460W PSU, за да се предпазят от евентуални последствия.

Има много неща които могат да се кажат още , както и да се задълбае по-дълбоко в теорията, но все мисля, че ще стане напълно неразбираемо за редовия потребител и обема би прераснал в цял роман и затова ще се огранича само до тук.
Надявам се да съм успял да ви помогна в бъдещия избор на този все по-важен блок от съвременното PC.