Кушать подано!
Вся правда о блоках питания

Дмитрий Румянцев
ddr@veneto.ru

Куда он, гад, спрятался? Вроде все уже просмотрел - нигде нет. А на личном радаре отчетливо видно: вот он, где-то тут затаился. Ладно, делать нечего, надо искать. А защита уже на нуле, да и жизнь почти вся кончилась. Да-а, тяжелый был бой - человек десять положил отборных упитанных наемников. А последний где-то в руинах затаился. И теперь весь вопрос: кто кого первым заметит. Если он, то малейшее попадание и мне - капут. Ползу, короче, по ландшафту; винтовочка снайперская наизготовку, скан-бинокль тут же, посматриваю, поглядываю, вынюхиваю… А! Вот он! За кустом, дурак, притаился, ждет меня со стороны главных ворот. А я вот он, туточки, со спины, хе-хе… Прицеливаюсь - злодей весь как на ладони.

Стандартный ATX-разъем. Обычно расположен ближе к краю платы, по соседству с другими габаритными коннекторами.

Для надежности устанавливаю масштаб 18x, задерживаю как положено дыхание. Вот она - победа! Осталось только курок, точнее левую кнопку мыши, нажать… Хрясь - и все потухло! Что такое? Тьфу ты, блок питания перегрелся. Вот облом, с самого начала весь уровень придется проходить! Вот так у меня несколько раз этим летом в Far Cry победа буквально из рук ускользала. Жарища стояла страшная, если помните, а мой компьютер почти впритык кормой к стене стоит. Ну и после трех-четырех часов боя вентилятор блока питания такую жарищу нагонял, что и сам блок питания не выдерживал. Да, вот вам теория и практика. В теории-то я, конечно, знал, что нужно побольше места за кормой оставлять, чтобы там не концентрировался горячий воздух, а на практике до Far Cry меня мой БП не подводил. На улице сегодня не жарко, так что давайте мы заранее, до наступления лета, освежим теорию и поговорим о блоках питания.

Напряжение напряжению рознь

Как ни крути, компьютерный блок питания назван так не очень точно. Правильнее было бы назвать его преобразователем напряжения. Ибо это его основная задача - преобразовывать напряжение бытовых сетей переменного тока 220 В (50 Гц) во внутреннее напряжение постоянного тока 3,3 В, 5,0 В и 12,0 В. Напряжение 12,0 В используется, как правило, для приведения в движение разных механических монстров, типа дисковых движков или вентиляторов, остальное - микросхемам. Случается, однако, и так, что рабочее напряжение каких-то внутренних узлов компьютера отличается от стандартной "триады". Например, современные модули памяти DDR SDRAM используют напряжение 2,5 В. В этом случае питание на них подается с системной платы через встроенный регулятор напряжения.

Компьютерный блок питания (БП) не имел бы права называться компьютерным, если бы не обладал некоторым интеллектом. Для чего же ему этот самый интеллект? Да для того, чтобы не позволить работать системе, если на всех узлах не установлено стандартное напряжение. Чем чревато нестандартное напряжение? Например, если на модуль памяти подать более низкое напряжение, чем ему требуется (скажем, 2,4 В вместо 2,5 В), то это чревато потерей всей или части информации во время работы (скажем, во время регенерации), иначе говоря, сбоем в работе компьютера. Чтобы таких штук не происходило, хороший БП должен обеспечивать устойчивое рабочее напряжение на всех узлах и отключать систему, если по каким-то причинам требуемое напряжение подано быть не может.

Винчестеру нужно два напряжения - 12 В для двигателя, вращающего шпиндель, и 5 В - для остальных систем. Поэтому контактов четыре.

Любой БП, предназначенный для работы в компьютере, имеет схемы внутреннего тестирования. В момент запуска системы он проверяет сам себя, тестируя выходное напряжение. В том случае, если все хорошо, блок питания посылает на системную плату сигнал Power_Good (с питанием проблем не будет). Если такой сигнал не поступит, компьютер не включится, хоть ты плачь. Что правильно. Уровень напряжения сигнала Power_Good может колебаться в интервале от +4,0 В до +6,0 В, а стандартным считается значение +5,0 В. Если в вашем конкретном случае уровень сигнала Power_Good далек не то что от идеала, но и даже от границ коридора, делайте выводы о качестве БП.

ATX-разъем со стороны блока питания. Первый контакт - справа со стороны ключа, двадцатый - слева в дальнем ряду.

Вышеупомянутый сигнал появляется на системной плате где-то через полсекунды после нажатия на кнопку Power на системном блоке. После поступления сигнала Power_Good на матплату, микросхема тактового генератора вырабатывает сигнал начальной загрузки центрального процессора. И вся машинка приводится в движение (подробности этого процесса мы рассмотрим как-нибудь в другой раз).

Что происходит во время работы компьютера, если по каким-то причинам напряжение на одном (или нескольких) узлах упало ниже некоторого порогового значения, например, при неожиданном падении напряжения в сети? В этом случае БП прекращает подачу Power_Good на системную плату. В результате этого драматического события микросхема таймера вырабатывает сигнал сброса и логика системной платы сразу обращается к программе начальной загрузки (стоит оговориться: не всякое падение напряжения во внешней сети спровоцирует такой исход дела, а лишь падение ниже некоторого указанного в паспорте БП порога). Внешне это выглядит следующим образом.

Сидит себе радостный пользователь, мочит мутантов из всех стволов и вдруг - р-р-раз - компьютер ни с того ни с сего перезагружается. "Что за черт! - негодует пользователь. - Снова мне на этой Горбушке левый диск впарили!" Ни за что ни про что возводит напраслину на бедных пиратов, понимаешь. А все дело-то, может, в том, что в этот самый момент после десятилетнего простоя включился главный конвейер расположенного рядом завода, из-за чего в сети произошло кратковременное, но значительное снижение напряжения, и БП, не в силах обеспечить хорошим и правильным питанием все узлы компьютера, вырубил сигнал Power_Good.

Вообще, сигнал Power_Good важен, поэтому хороший блок питания не станет его посылать, пока не убедится, что с выходным напряжением все в порядке. Иначе говоря, хорошие блоки питания отличаются, прежде всего, хорошими схемами контроля и, как результат, некоторым повышением цены. А какая-нибудь дешевая коробка вполне может оказаться более дешевой как раз за счет экономии производителя на схемах тестирования выходного напряжения. Такой дешевый БП может посылать сигнал Power_Good вне зависимости от того, установилось рабочее напряжение на схемах компьютера или нет. Так что вполне может оказаться, что во время работы напряжение кратковременно упало, а дешевенький БП этого не отловил и продолжает с лучезарной улыбкой посылать Power_Good. В этом случае вполне может произойти ошибка памяти и зависание системы или еще какая-нибудь гадость. Так что, собираясь в очередной раз ругать Билла Гейтса и "кривую Windows", подумайте сперва, а может, всему виной не Microsoft, а ваше нежелание заплатить несколько дополнительных золотых дублонов за нормальный БП?

Питание системной платы

Блок питания, так же как и системная плата, имеет несколько стандартов форм-фактора (или, говоря по-русски, габаритов, хотя тоже вроде не совсем по-русски, но ладно). Названия форм-факторов БП похожи на аналогичные названия форм-факторов системных плат. Основным сегодня, конечно, является форм-фактор ATX - 86 x 150 x 140 мм (строго говоря, это midiATX). Хотя за счет разных прибамбасов, типа навороченного вентилятора, некоторые современные БП теоретически могут вылезать из этих габаритов (хотя нам такие БП не попадались). Впрочем, размер - это не главное. Главное - это электроэнергия, которой БП обеспечивает все узлы компьютера.

Любой блок питания, в том числе и ATX, имеет целую бухту разноцветных проводов, вылезающих из его чрева. Весь этот выводок разделен на группы по 4, 6, 15, 20 проводов. Каждая группа заканчивается специальными разъемами того или иного типа. Иногда из одного разъема высовывается еще кучка разных проводов, заканчивающаяся еще одним разъемом, и т. д. Кстати, производители дешевых БП экономят даже на проводах. Их общая длина бывает… не очень длинна, и сами они какие-то тоненькие. Кстати, второе часто бывает проблемой, особенно для больших и мощных или, наоборот, дешевых БП.

Главный разъем питания ATX - 20-контактный и служит, как можно догадаться, для подведения рабочего напряжения к системной плате. В былые времена, когда царствовал форм-фактор AT, главных силовых разъемов была два, и они были шестиконтактными (кстати, если вы на своем БП не найдете 20-контакный разъем, а найдете два шестиконтактных, то, скорее всего, у вас очень старый БП и, соответственно, системная плата). Подключается главный разъем к специальному гнезду на системной плате, расположенному чаще всего поближе к краю, в теплом окружении гнезд модулей памяти, разъемов IDE и FDD (но встречаются и совсем другие расположения). Спутать это гнездо с чем-либо сложно - оно обычно бывает белого (светло-серого) цвета и лично мне напоминает, если смотреть сверху, блок от конструктора Lego (такое у меня воображение).

Впрочем, любая системная плата (если только вы ее не на свалке нашли) имеет хоть самую скупую, но схему расположения разъемов, на которой гнездо для главного силового разъема обычно маркируется как ATX1 или Power Connector (встречаются, впрочем и обозначения типа ATX_Power). В таблице приведено описание каждого контакта этого разъема и цвет соответствующих жил кабеля. Кабели с одинаковым уровнем напряжения окрашены в один и тот же цвет, что весьма предусмотрительно. Черные провода - земля, желтые - 12 В, красные - 5 В, а оранжевые - 3,3 В. Все остальные цвета отдаются на милость производителя, вернее, правила маркировки есть, но соблюдаются они не всеми вендорами, поэтому надеяться только на цвет не стоит.

Контакт 9 используется для подачи на системную плату сигнала 5v_Standby. Этот сигнал всегда активен, даже если компьютер выключен (разумеется, выключен кнопкой на панели, а не из розетки). Иначе говоря, системная плата никогда не обесточивается полностью, и это также имеет смысл иметь в виду, когда вы решите поковыряться в нутре вашего электронного помощника. Вас, конечно, таким напряжением не покалечит, но, вынимая / вставляя какую-нибудь плату, можно запросто ее сжечь. Так что, каким бы крутым вы ни были, лучше, перед тем как залезть в нутро компьютера, вытащить силовой кабель из розетки или из гнезда на задней панели БП. Контакт 14 (он обозначен в таблице PS_On#) подает управляющий сигнал Power_On. Сигнал Power_On может использоваться операционной системой для выключения и запуска компьютера программным путем (нынешние операционные системы не пренебрегают такой возможностью).

Поскольку контакты сведены в два ряда по 10 штырьков, дабы не перепутать, какой стороной разъем вставлять, на маме и на разъеме имеется специальный ключ - небольшой угловой скошенный выступ на гнезде (на многих трубках сразу) и защелка для этого выступа на разъеме, поэтому перепутать в принципе невозможно. Нумерация контактов определяется следующим образом. Если держать разъем ключом к себе так, чтобы провода свисали вниз, то крайний левый контакт в ближнем ряду будет иметь номер 20, а крайний правый контакт в дальнем ряду - 1 (см. фото внизу). Хотя, чтобы подключить его к плате, знать номера совершенно не обязательно. Но ведь они нумеруются, стало быть, это кому-нибудь нужно.

Итак, БП и главный разъем ATX соединены друг с другом 20 разноцветными проводами. Однако, если вы внимательно посмотрите на этот разъем, увидите, что из него выходят еще шесть каких-то проводов: три черных (земля), два оранжевых (+3,3 В) и один красный (+5,0 В), заканчивающихся небольшим так называемым дополнительным разъемом питания ATX. В БП форм-фактора ATX первых выпусков этого разъема не было, но по мере увеличения разновидностей внутренних узлов компьютера, требующих напряжения 3,3 В и 5,0 В, потребовалось увеличить количество линий, подающих это напряжение.

Поскольку по соображениям совместимости с системными платами старых модификаций менять количество штырьков главного разъема было не желательно, разработчики пошли путем введения дополнительного разъема ATX (обратите внимание - речь НЕ идет о квадратном четырехконтактном разъеме, о нем - ниже). Его не потребовалось разрабатывать заново. За образец был взят разъем питания плат форм-фактора AT. На системной плате вашего компьютера может и не оказаться гнезда для дополнительного разъема ATX (более того, на большинстве материнских плат его и в помине нет). Это означает, что вашей плате, по мнению разработчиков, хватит основных линий для подвода напряжения +3,3 В и +5,0 В к его узлам.
Третьим типом разъема является так называемый разъем ATX12V.

Впервые он появился на блоках питания, "оптимизированных под Pentium 4", и даже сейчас его часто называют разъемом питания для Pentium 4. Это четырехконтакный разъем, который я также не могу не сравнить с деталькой от Lego, - удлиненный, квадратный в поперечном сечении, с четырьмя "трубочками", выходящими из его днища. К разъему подходят два желтых провода (+12,0 В) и два черных (земля). Гнездо для подсоединения разъема ATX12V расположено в непосредственной близости от гнезда процессора. И уж если разработчики решили устроить такую композицию, то, поверьте, это не случайно. Так надо.

Начиная с системных плат с гнездами типа Socket 7 (для Pentium MMX), процессоры стали получать питание через устройство, называемое модулем регулятора напряжения (VRM - Voltage Regulation Module). Потребность в таком нововведении возникла еще тогда, когда процессор Pentium MMX стал потреблять нестандартное напряжение 2,8 В. С тем, чтобы сделать системные платы более универсальными, и был разработан VRM, который стандартное рабочее напряжение от БП преобразовывает в напряжение, необходимое процессору. А уж затем появился специальный шланг питания, специально для VRM.
Через разъем ATX12V на VRM платы подается напряжение 12 В, а уж он (VRM) преобразовывает его в потребное процессору и вентилятору напряжение.

В дополнение к главному разъему питания спецификация ATX 2.03 определяет еще так называемый факультативный разъем с шестью контактами. При наличии этого разъема операционная система может контролировать работу вентилятора БП, уменьшая мощность или даже отключая его в спящем режиме. Кроме того, этот разъем используется для подвода напряжения к устройствам, совместимым со стандартом IEEE 1394. Вживую нам их видеть пока не довелось.

Питание дисковых накопителей

Таким образом, используя стандартный 20-штырьковый разъем ATX, разъем ATX12V, дополнительный разъем ATX и, возможно, необязательный разъем, мы обеспечим усиленным питанием системную плату, процессор, модули памяти, а также все платы расширения, вставленные в гнезда PCI и AGP (я уж не говорю про устройства, подключенные к USB, не имеющие автономного питания). Однако у нас еще имеются разные периферийные устройства типа жестких дисков, CD, DVD (ROM / RW), а у многих до сих пор еще имеются и floppy-дисководы. Сами по себе они работать не будут, им тоже нужно регулярно и правильно питаться, причем им подавай напряжение двух номиналов: +12,0 В для движков и механизма перемещения головок и +5,0 В для внутренних схем.

У любого БП есть целый выводок разъемов для дисковых накопителей и периферийных устройств. Именно с этими разъемами чаще всего и приходится иметь дело рядовому пользователю, ибо, как ни крути, разные дисковые накопители в компьютере меняются чаще, чем системная плата. То есть мне так кажется, хотя, конечно, возможны варианты. Разъемы для дисковых накопителей существуют трех типов: для floppy-дисковода, для устройств IDE и для дисков SATA.
Разъем FDD имеет довольно миниатюрные размеры и достаточно легко вставляется в соответствующее гнездо. А вот разъем для питания жестких дисков и разных там CD / DVD-приводов вставляется с усилием и с еще большим усилием извлекается. У меня, например, всякий раз, когда я его вынимаю из гнезда, возникает ощущение, что я вместе с разъемом вырву и сам диск. Но, вообще-то, это правильно, ибо хлипкий разъем вполне мог бы вылететь из гнезда в результате микровибраций, создаваемых вращающимися с бешенной скоростью дисками.

Разъемы обоих типов имеют всего четыре штыря. Помимо двух черных проводов (земля) к ним подходят жилы с напряжением в +5,0 В (красный) и +12,0 В (желтый). В зависимости от номинальной мощности блока питания, он может иметь до восьми и даже больше разъемов подключения дисководов или периферийных устройств.
Далеко не каждый блок питания имеет еще и разъемы для подсоединения SATA-дисков. Диски Serial ATA, собственно говоря, могут иметь как стандартное четырехштырьковое гнездо, так и 15-штырьковое, в котором есть линии для напряжения 3,3 В (впрочем, пока эти линии лишь зарезервированы, не используются, и не факт, что будут использоваться). Впрочем, SATA - это отдельная песня.

Не тихий, но мощный?

Главной характеристикой любого блока питания, на которую прежде всего обращает внимание пользователь, является показатель его выходной мощности (которая, как вы помните, измеряется в ваттах). Как утверждают некоторые гуру электротехники, сегодня просто глупо покупать БП мощностью менее, чем 350 Вт. Им, конечно, виднее. У меня лично установлен БП мощностью 300 Вт, и пока вроде не возникает потребности заменить его чем-то более мощным. Впрочем, потребности в ваттах у меня не ахти какие: пара дисков, модем, видеокарта, звук встроенный - в общем, любителей чудес технического прогресса мой компьютер разочаровал бы. А ведь имеются кудесники - чего только в него не понапихают! Но ведь мощность - она ведь не безграничная. Особенно учитывая, что интерфейсы вроде USB позволяют подключать ох как много всяких устройств, многие из которых будут питаться не автономно, а от вашего блока питания.

Так вот, о мощности. В качестве выходных параметров блоков питания чаще всего указываются токи нагрузки (амперы) для различных номиналов выходного напряжения (вольты). Перейти от вольтов и амперов к ваттам очень просто, по формуле: мощность (Вт) = напряжение (В) x ток (А). Общая мощность блока вычисляется путем простого суммирования мощностей каждой выходной цепи. Для примера разберем показатели 400-ватного блока Zalman ZM400B-APS (этот БП использует метод активной коррекции PF - Active CRF (смотрите врезку), что иногда увеличивает его КПД до 95%). Итак, в техническом описании для Imax (максимальная сила тока на линии) имеем: 28,0 А для линий +3,3 В, 40,0 А для +5,0 В, 18,0 А для +12,0 В, всего 0,8 А для -12,0 В, 0,3 А для -5,0 В и 2,0 А для линий +5,0 В. Перемножив все (значения напряжений берутся по модулю) и просуммировав, получаем 529,5 Вт (мои расчеты предлагаю перепроверить). Результат несколько неожиданный - 529,5 Вт, мягко говоря, немного больше, чем заявленная мощность 400 Вт. Однако не спешите обвинять меня в неверных расчетах (уж производителя точно никто не станет обвинять в ложных данных).

Если почитать техническое описание, то обнаружится, что рядом с данными по максимальным токам приводятся данные по минимальным: 0,3 А для линий +3,3 В и 0,1 А для линий +5,0 В (остальные линии могут быть не загруженными). В итоге минимальная нагрузка составляет 1,49 Вт. Прежде чем двинуться дальше, коротенько о том, почему минимальная нагрузка 1,49 Вт, а не 0 Вт. Дело в том, что в персоналках используют так называемые импульсные БП. Особенностью импульсных БП является то, что они не работают без нагрузки. Если блок питания включить без нагрузки (скажем, просто сунуть в розетку), то он либо будет отключен внутренней схемой защиты, либо перегорит (что более вероятно для дешевых моделей, так как в них схема защиты может отсутствовать).

Итак, оказывается, что если при максимальной загрузке всех выходных линий от ZM400B-APS потребуется выходная мощность 529,5 Вт, то минимальная нагрузка равна всего каких-то жалких полтора ватта. Человек, даже не знакомый с электротехникой, может сделать вполне резонный вывод, что нагрузка увеличивается за счет включения в цепь дополнительных устройств (строго говоря, даже домохозяйка знает, что если одновременно включить в квартире весь свет, парочку обогревателей, утюг, стиральную машину и все телевизоры, то пробки может выбить в связи с перегрузкой сети). Следовательно, максимальные значения по току, указанные в описании, вовсе не подразумевают, что обязательно все линии будут загружены на всю катушку. Производитель просто сообщает, что какую-то отдельную (или несколько, но не все!) линию с такой-то выходной мощностью позволительно загрузить до значения в столько-то ампер.

Вопрос: а сколько и каких устройств можно подключить и как рассчитать потребляемую мощность для данной конфигурации? Для этого просто требуется просуммировать мощность, которую потребляет каждое из устройств, смонтированных в системном блоке. Проблема заключается в том, что производители не всегда указывают в техническом описании потребляемую мощность изделия. Часто указывается напряжение и сила тока. Можно, конечно, вычислить мощность, перемножив напряжение на силу тока. Однако тут возможны варианты. Например, жесткий диск использует напряжение +12,0 В для работы двигателей, вращающих блок дисков и перемещающих головки чтения / записи, и напряжение +5,0 В для работы внутренних микросхем (именно поэтому стандартный разъем для него +12,0 В и +5,0 В). Иногда делаются расчеты не мощности, а запаса по току на линии с данным напряжением.

Для упрощения разберем нереальную конфигурацию, состоящую из двух жестких дисков и привода DVD. Допустим, наши диски потребляют ток 1,0 А от источника +12,0 В и 0,5 А от источника +5,0 В, а привод DVD - 1,0 А от +12,0 В и столько же (1,0 А) от +5,0 В. Таким образом, от источника +12,0 В все три устройства должны получить суммарный ток в 3,0 А (1,0 А + 1,0 А + 1,0 А), а от источника +5,0 В - 2,0 А (0,5 А + 0,5 А + 1,0 А). Если эти диски запитаны от БП ZM400B-APS с указанными выше характеристиками, то запас тока на линии +12,0 В составляет 15,0 А (18,0 А максимально возможных минус 3,0 А реально потребленных устройствами), а запас на линии +5,0 В равняется целых 38,0 А (40,0 А - 2,0 А). Соответственно, из этих источников электроэнергию можно еще черпать и черпать.

Никаких особенных премудростей - чистая арифметика. Но в реальности всегда есть подводные камни. Например, жесткий диск, привод CD / DVD и т. п. не всегда потребляют одинаковую мощность. В момент включения компьютера, в режиме разгона дисков (то есть до выхода на стандартную скорость вращения) накопителю требуется ток в несколько раз больший, чем в обычном режиме. Это не беда, если у БП есть запас мощности, но, если он уже обвешан разными устройствами, как новогодняя елка игрушками, может произойти перегрузка.

Вот, наверное, и все, что имеет смысл сказать о блоках питания. Из этого не следует, что в статье рассмотрены абсолютно все вопросы или все вопросы рассмотрены полностью. Но, на мой взгляд, правильное представление об этом важном компьютерном устройстве вы получили. А это, по-моему, главное. Но, как говорится, нет предела совершенству. Хотите совершенствоваться? Берите учебник электротехники и - вперед.

Коэффициент мощности

Есть такой показатель, как коэффициент мощности PF (power factor), который вычисляется в виде десятичной дроби на интервале от 0 до 1. Чем ближе PF к единице, тем выше эффективность использования энергии. В электрических цепях переменного тока существуют несколько типов нагрузки - резистивная, индуктивная, емкостная и т. д.

Резистивную нагрузку (превращение электроэнергии в свет, тепло, совершение работы) обычно называют рабочей мощностью и измеряют в ваттах (Вт). Индуктивная нагрузка (электроэнергия, поддерживающая созданное электромагнитное поле) называется реактивной мощностью и измеряется в вольт-амперах (В·А). Рабочая и реактивная мощность в сумме составляют фиксируемую мощность, также измеряемую в вольт-амперах (В·А). Коэффициент мощности вычисляется как отношение рабочей и фиксируемой мощности (Вт/В·А). В резистивной системе коэффициент мощности равен 1, то есть рабочая мощность совпадает с фиксируемой.

В реальных системах все совсем не так. Блок питания по сути является трансформатором напряжения, в котором часть мощности тратится на поддержание электромагнитного поля, возникающего в обмотке при подаче напряжения. Плюс есть еще цепи со своими коэффициентами полезного действия. В результате коэффициент мощности обычного БП колеблется в интервале 0,6-0,9 (то есть на выполнение работы идет 60-90% энергии). В БП для увеличения КПД используются различные методы коррекции - PFC (пассивный и активный), позволяющие повысить PF до 0,9 и выше. UP