VRM, или как накормить процессор.

Думаю, что ни для кого не секрет, что современные блоки питания выдают на-гора всего 3 базовых напряжения: +3.3, +5 и +12 вольта.

Первое служит для питания выходных каскадов системной логики,

второе питает логику почти всех PCI- и IDE-девайсов,

а третье в совсем новых стандартах является базовым напряжением для питания процессора и ядра видеокарты. Пару лет назад это делала линия +5 вольт, но повышение напряжения позволяет уменьшить потери и помехи (по магистральным линиям электроэнергия передается с напряжением 600 000 вольт тоже ради снижения потерь).

 

Так что нам не обойтись без Voltage Regulation Module (VRM) - блока регулировки напряжения. Простейшая схема подобного модуля на картинке. Здесь далеко не все элементы и нюансы, эта схема скорее идеализированный пример. Но основные элементы здесь присутствуют: U1 - схема управления, Q1 - электронный ключ, L1 - дроссель, C1 - конденсатор фильтра. Нагрузка условно обозначена резистором R1.

 

U1 представляет из себя Широтно-Импульсный Модулятор. То есть, генератор прямоугольных (это важно!) импульсов с изменяемой скважностью (отношение длительности импульса к длительности цикла). Импульсы должы быть с очень крутыми фронтами, это позволяет уменьшить потери на ключе.

Скважность регулируется двумя способами - изменение длинны импульса (при фиксированной паузе) или изменение частоты следования импульсов (часть выбрасывается). Первый способ лучше со всех точек зрения, но дороже в реализации. Второй требует более высокочастотного тактового генератора (что означает увеличение помех) и не так точно ловит напряжение.

 

Второй элемент схемы - электронный ключ (Q1). В простейшем случае полевой транзистор (мосфет) с быстрым временем переключения и низким сопротивлением в открытом состоянии. Чем быстрее переключение (круче кривая насыщения) и меньше сопротивление тем ключ лучше. Но и дороже. Сейчас для идеализации процесса я буду считать, что он "идеальный", тоесть собственных потерь не имеет. Только скажу, что при любом раскладе для ключа лучше максимально снизить частоту переключения. Но тогда нужно увеличивать (читай удорожать) емкость конденсатора и индуктивность дросселя. Так что тут мы ищем компромисс

 

Элемент третий - дроссель (L1). Штука очень интересная, потому как прямоугольные импульсы для него как красная тряпка для быка. Без дросселя: ключ закрыт - тока нет, ключ открылся - ток появился. Причем сразу и по полной (ключ у нас идеальный). С дросселем при появлении напряжения на выходе ключа ток на участке дроссель-конденсатор появится не сразу. Сначала дроссель будет накапливать энергию в себе, превращая ток в магнитное поле. При пропадании напряжения пойдет обратный процесс - дроссель будет продолжать удерживать исчезнувший ток и отдавать накопленную энергию. Так что идеально-прямугольный импульс дроссель превращает в горку с плавными склонами.

 

И все это накапливается в конденсаторе (C1). Который держит в себе гораздо больше энергии и компенсирует в основном заскоки потребителя (это в реальности не резистор, а нечто непредсказуемое).

Теперь рассмотрим подробнее цикл работы VRM.

Скажем так, напряжение на входе у нас +12 вольт (хотя это совершенно не важно) и выходное - +1.5 вольта. Первый цикл я не рассматриваю, там идет начальная зарядка конденсатора и он достаточно длительный.

1) Начнем с середины - на конденсаторе 1.5 вольта и ключ закрыт. При снижении напряжения до 1.425 вольта (это 5%, для хорошего стабилизатора границы могут быть в 1%, в напряжении это 1.485 вольта) ШИМ открывает ключ и начинает выдавать энергию в дроссель.

Попутно заряжается конденсатор и питается потребитель.

2) Через некоторое время дроссель насыщается, потом напряжение на конденсаторе достигает нужных 1.5 вольта и ключ отключается.

3) Дроссель начинает отдавать энергию и дозаряжать конденсатор. Напряжение на нем может подскочить до 1.575 вольта (если момент отключение мосфета совпал с моментом насыщения дросселя).

4) Далее работает только конденсатор и напряжение на нем плавно падает до 1.485 вольта. Китайские стабилизаторы с диапазоном 5% могут работать и по нижней границе - открывать ключ при напряжении 1.5 вольта и закрывать при 1.575. В этом случае напряжение будет заметно изменяться при изменении загруженности процессора. И в холостом ходу процессор будет сильнее нагреваться.

 

Если весь цикл длится секунду (в реальности - 0.0001 секунды и меньше) и VRM отдает в нагрузку 50А, то при зарядке длительность импульса будет 0.3 секунды при токе 20А. Отсюда вытекает требование к блоку питания. Если на пассивном стенде блок питания отдает 20 ампер по 12 вольтам, то даже не надейтесь, что он сможет отдать 240 ватт процессору. Методика работы VRM подразумевает импульсную нагрузку с превышением базового тока в 2-3 раза! Частично это компенсируется дросселями и конденсаторами самого блока питания, но далеко не факт что их мощности хватит. И проводочки до платы должны выдерживать трех-четырех кратное превышение тока, нарисованного на этикетке БП. Хотите стабильности - берите БП с двукратным запасом по мощности.

 

Стабильность напряжений.

В ходе тестирования (Атлон 3000+, видео 6600GT ну и остальное до кучи) по показаниям блока (да и по нашим измерениям термопакетов) получалось, что компьютер потребляет 200-250 ватт. Так почему же мы настоятельно рекомендуем блоки с двукратным превышением мощности?

 

Очень часто маркетологи китайских компаний пишут на блоках пиковую мощность. На нее лучше не смотреть. Реальная непрерывная будет примерно 70% от этикетки. Производители первого эшелона таким обманом не занимаются, их блоки выдерживают лишние 20-30% в импульсе без всяких маркетологов. Но всеравно рекомендуемый режим работы любого блока (по стандартам ATX) – 70% от паспортной мощности. Максимальный – 90% при условии хорошей вентиляции (вне корпуса).

 

Взглянем на осциллограммы. На первой картинке график потребления средней машины, Атлон 3000+ Веник + 6600GT. На втором - нагруженный стенд, 70% мощности на канале +12 вольт, что примерно соответствует потреблению компьютера.

 

На графиках мы видим очень незначительное (единицы процентов) изменение тока в случае стенда и гораздо более значительные провалы в случае реальной жизни. График напряжения +12 вольт выглядит так же - пики и провалы, достигающие полувольта в работающей машине (без особой нагрузки!).

 

Так что просто оценивать блоки питания по стендовым показаниям нельзя. Нужно учесть проседания и пики потребления в цепях компьютера.

К сожалению, имитация такой нагрузки очень сложная штука, но можно оценивать блок по следующим параметрам - если на предельной мощности выходные напряжения не сильно отличаются от напряжений при 50% мощности, то блок признается хорошим.

 

Так же немаловажный показатель - коромысла нагрузки. По моим таблицам это 2 последние строки - предел по +5 и предел по +12. Чем меньше разница напряжений в этих тестах тем лучше блок.

Достигается это двумя путями:

1) запасом мощности трансформатора и емкости конденсаторов

2) или разделенным стабилизатором каналов.

И то и другое хорошо, но еще лучше все вместе.

 

Итоговые рекомендации - оценивая блок в первую очередь смотрите не на абсолютные значения напряжений, а на их стабильность. При очень большом разбросе в первом и последнем тесте (на канале +12 вольт) блок просто неспособен будет компенсировать пики потребления по этому каналу.

Некоторые потери дают провода, но это я указал в начале и всегда можно внести поправку в результаты. Дисбаланс 11.90 - 12.60 нельзя списать на потери...

 

Следует отметить, что статья старая, но, тем не менее, информация будет полезна для изучения вопроса.

 

Выше на рисунке приведена несколько упрощенная блок-схема типичного компьютерного блока питания. На примере блока Macropower MP-300AR показано типичное расположение компонентов в реальном блоке питания.

 

Питающее напряжение 220В проходит через двух- или трехзвенный фильтр, защищающий другие включенные в сеть устройства от создаваемых блоком питания помех. После фильтра напряжение поступает на выпрямитель D1, а с него – на схему коррекции фактора мощности (PFC – Power Factor Correction).

 

После схемы коррекции фактора мощности (или, в случае отсутствия таковой, напрямую с диодного моста) выпрямленное напряжение поступает на сглаживающие конденсаторы C1 и C2, а с них – на ключ (обычно он представляет собой два транзистора), управляющий силовым трансформатором T1. Типичная частота работы ключа в компьютерном блоке питания – 30-35 кГц.

 

Так как блок питания имеет до шести выходных напряжений (+12В, +5В, +3,3В, -5В, -12В и +5В дежурного режима), то в идеале необходимо реализовать шесть стабилизаторов. На практике же расположить в ограниченном объеме блока питания даже два раздельных мощных стабилизатора (скажем, для +5В и +3,3В), при этом, не подняв его стоимость в область астрономических величин, практически невозможно. Поэтому во всех современных блоках используется лишь один импульсный стабилизатор (на самом деле, вообще говоря, два – источник +5В дежурного режима представляет из себя совершенно независимый маломощный стабилизатор, но благодаря малой мощности (всего 10 Вт), его реализация особой сложности не представляет).

 

Итак, все выходные напряжения, кроме +5В дежурного режима, снимаются с одного и того же трансформатора T1 (на блок-схеме для простоты показаны только два напряжения). Отмечу, что во всех современных блоках при управлении ключами используется не частотная модуляция (когда, как я мимоходом говорил выше, меняется частота переключения ключей), а широтно-импульсная, когда при неизменной частоте следования импульсов меняется их ширина. Чем больше ширина импульса, тем больше энергии закачивается в трансформатор за каждый период, и тем больше напряжение на его выходе.

 

Однако, если просто снимать сигнал обратной связи с одного из выходных напряжений, то блок будет стабилизировать только его. Например, пусть это будет +5В. Тогда при росте нагрузки на +5В напряжение на этом выходе начнет проседать, ШИМ-контроллер увеличит ширину импульсов, вытягивая его обратно на заданный уровень... и все остальные напряжения также пойдут вверх. Для борьбы с этим эффектом используется сразу несколько решений.

 

Во-первых, сигнал обратной связи снимается сразу с двух наиболее нагруженных выходных линий – с +12В и +5В, через резисторный делитель. Таким образом, качество стабилизации каждого из напряжений по отдельности ухудшается, однако стабилизатор блока питания реагирует на изменение нагрузки не по одному, а сразу по двум напряжениям – и в результате блок питания нормально работает при различных распределениях нагрузки между этими двумя шинами.

 

Во-вторых, третья сильноточная шина, +3,3В, в большинстве блоков питания имеет собственный вспомогательный стабилизатор – так называемую схему на насыщаемом дросселе (также встречаются названия "магнитный стабилизатор" и "магнитный усилитель"). Стабилизаторы на насыщаемом дросселе отличаются достаточно высоким КПД и при этом сравнительно неплохим коэффициентом стабилизации, являясь разновидностью импульсных. Напряжение +3,3В получается с тех же обмоток трансформатора, что и +5В. Впрочем, встречаются и блоки питания, в которых производитель пожелал сэкономить на вспомогательном стабилизаторе, намотав на силовом трансформаторе отдельную обмотку под напряжение 3,3В. Так как обратная связь на стабилизатор с этого напряжения не заводится, то его стабильность в таких блоках оставляет желать лучшего.

 

В-третьих, слаботочные шины, то есть -12В и -5В, иногда снабжают обычными линейными стабилизаторами – благодаря маленьким токам нагрузки по этим шинам невысокий КПД таких стабилизаторов в общий КПД блока питания вклада почти не вносит. Впрочем, так чаще стабилизируется только -5В – ради экономии на обмотках трансформатора оно получается из -12В с помощью линейного стабилизатора, а так как в современных блоках питания это напряжение уже не требуется, то и линейные стабилизаторы из блоков исчезли совсем.

 

И, наконец, в четвертых, все выходные напряжения проходят через разные обмотки так называемого дросселя групповой стабилизации L1. Допустим, увеличилось потребление по +5В, ШИМ-стабилизатор отреагировал на это увеличением ширины импульсов, напряжение +5В вернулось в норму, но остальные напряжения, нагрузка по которым не увеличилась, слегка подросли – хоть для них и применяются описанные выше дополнительные меры по стабилизации, все же основное внимание уделяется напряжению +5В. Однако дроссель групповой стабилизации сконструирован так, что при увеличении тока через одну из обмоток напряжение, наведенное этим током в остальных обмотках, вычитается из соответствующих выходных напряжений. Поэтому в рассматриваемом случае за счет увеличившегося тока через обмотку, соответствующую +5В, в обмотках, соответствующих +12В и +3,3В, возникнут отрицательные напряжения – и эти напряжения увеличатся не так сильно, как увеличились бы в отсутствие дросселя групповой стабилизации.

 

Все эти меры приводят к тому, что блок обеспечивает не столь идеальную, как было бы в случае раздельных стабилизаторов на каждое напряжение, но в общем и целом приемлемую для работы в широком диапазоне нагрузок стабилизацию всех выходных напряжений. Однако назвать ее более чем "приемлемой" не удается, и отсюда проистекает одна из распространенных проблем блоков питания – проблема перекоса выходных напряжений. Если нагрузка блока питания распределяется по его шинам менее равномерно, чем предполагали его разработчики (например, система потребляет большой ток по +5В и маленький по +12В, что характерно для многих систем на старших процессорах Athlon XP), то стабилизатору не удается удержать все напряжения в заданных рамках – и более нагруженные шины изрядно проседают, в то время как на слабо нагруженных напряжения наоборот оказываются завышенными. Отсюда же проистекает и невозможность раздельной регулировки выходных напряжений блока питания – их соотношение жестко задано параметрами силового трансформатора и дросселя групповой стабилизации, а регулировками ШИМ можно лишь поднять или опустить их все одновременно.

 

В последнее время в дорогих блоках питания – например, производства OCZ или Antec – стал встречаться интересный вариант решения этой проблемы: вспомогательные стабилизаторы на насыщаемых дросселях устанавливаются не только на шину +3,3В, но также и на +12В и +5В. Это позволяет не только достичь очень хорошего (по меркам компьютерных блоков питания) коэффициента стабилизации всех выходных напряжений, но и при необходимости регулировать каждое из напряжений независимо от остальных, меняя параметры его собственного вспомогательного стабилизатора. Впрочем, я вынужден еще раз отметить, что такая конструкция – пока что прерогатива лишь наиболее дорогих блоков питания, а для блоков средней ценовой категории зависимость всех выходных напряжений от нагрузки на каждую из шин является неотъемлемой чертой.

 

После дросселя групповой стабилизации на выходе блока питания стоят электролитические конденсаторы большой емкости (C3...C6 по приведенной выше схеме) и фильтрующие дроссели – и те, и другие призваны сглаживать пульсации выходного напряжения на частоте работы ШИМ-стабилизатора и, соответственно, силового трансформатора. Несмотря на наличие дросселя групповой стабилизации, раздельные дроссели все же необходимы – благодаря маленьким габаритам и, соответственно, маленькой паразитной емкости они хорошо подавляют высокочастотные помехи, которые дроссель групповой стабилизации, имеющий довольно паразитную емкость, пропускает.

 

Таким образом, двумя неотъемлемыми проблемами любого компьютерного блока питания являются зависимость каждого из выходных напряжений от нагрузки не только на соответствующую ему шину, но и на все остальные шины, а также наличие на выходе блока пульсаций с удвоенной частотой работы ШИМ-стабилизатора, то есть, обычно, около 60 кГц.

 

К этому, разумеется, производители блоков питания – как правило, нижней ценовой категории – добавляют свои собственные "особенности", перечислять которые можно долго. В первую очередь страдают номиналы деталей – так, в качестве диодных сборок на выходе силового трансформатора могут устанавливаться не только сборки, рассчитанные на ток меньше указанного на этикетке блока, но даже дискретные слаботочные диоды, максимальный ток через которые составляет всего 3...5А. Это зачастую приводит к тому, что при работе под полной нагрузкой блок питания просто выходит из строя в течение нескольких минут, тем более что обычно производитель заодно экономит и на размере радиаторов, на которые эти диоды устанавливаются.

 

Точно так же страдают и номиналы конденсаторов, и это тоже сказывается на работе блока питания при большой нагрузке – уменьшение емкостей входных конденсаторов приводит к ухудшению реакции блока на небольшие провалы входного напряжения, уменьшение емкости выходных – к увеличению размаха пульсаций на выходе блока питания.

 

Одновременно с уменьшением номиналов деталей внутри блока проявляются и внешние признаки удешевления – уменьшается количество выходных разъемов блока, а провода, на которых они расположены, уменьшаются в сечении с положенных 18 AWG до 20 AWG (чем больше цифра в системе маркировки AWG – тем меньше сечение провода). Последнее приводит к увеличению падения напряжения на проводах – и, следовательно, увеличению пульсаций напряжения непосредственно на разъемах питания потребителей, а также, в случае большой нагрузки, даже к заметному нагреву проводов.

 

До последнего держатся фильтрующие дроссели – уменьшение их размеров не дает серьезной экономии в цене, поэтому до тех пор, пока производитель не посчитает их вообще лишними, дроссели в блоке присутствуют. Замена же их на перемычки приводит к увеличению уровня пульсаций на выходе блока питания (если это были выходные дроссели) или же к увеличению уровня помех, выдаваемых блоком питания в сеть 220В (если это были дроссели входного фильтра).

 

Одним же из наиболее запомнившихся пользователям методов удешевления блоков питания нижнего ценового диапазона, вне всякого сомнения, стало исполнение источника дежурного питания +5В в виде блокинг-генератора с электролитическим конденсатором в цепи обратной связи. В такой схеме, представляющей собой импульсный источник питания на базе блокинг-генератора, выходное напряжение определяется частотой импульсов, а она, в свою очередь, обратно пропорциональна емкости конденсатора в цепи обратной связи. Использование же дешевых конденсаторов, рассчитанных на работу при температуре до 85 градусов, плюс очень тяжелый температурный режим работы "дежурки" (она работает непрерывно, в то время как охлаждающий блок питания вентилятор – только когда компьютер включен), характерный для наиболее дешевых блоков питания, приводили к тому, что примерно через полтора года эксплуатации БП конденсатор начинал высыхать, а емкость его – соответственно, уменьшаться. Одновременно с уменьшением емкости начинало расти выходное напряжение дежурного источника, а так как от него запитывается основной стабилизатор блока питания, то в один прекрасный момент это приводило к выходу основного стабилизатора из строя в момент включения компьютера, причем выход этот сопровождался выдачей по всем шинам питания завышенных в два-три раза напряжений. Разумеется, компьютер после такого фактически полностью выгорал, вплоть до визуально обнаруживаемого прогорания микросхем на материнской плате, в винчестере и так далее... Некоторые шансы сохранялись разве что у процессора и памяти – если выдерживали их собственные стабилизаторы, расположенные на материнской плате.

 

Конечно, со временем производители одумались и стали устанавливать в "дежурку" практически вечные пленочные конденсаторы вместо электролитических, благо емкость там требовалась небольшая – однако к этому моменту было выпущено уже достаточное количество таких "бомб замедленного действия", чтобы служить очень серьезным аргументом в пользу покупки более дорогих и качественных блоков питания, в которых столь сомнительные схемотехнические решения не применялись.

Основное назначение блока питания - формирование напряжения питания, которое необходимо для функционирования всех блоков ПК. Основные напряжения питания компонентов это: +12В, +5В, +3,3В.