Блок питания импульс

Помогите проекту. Поделитесь с друзьями.

Подробно рассмотрим, как работает импульсный блок питания (ИБП) любого типа. Сегодня такие компоненты являются основными источниками электрической энергии любой электронной аппаратуры. Аудио аппаратуру мы в счет не берем. Там по-прежнему доминируют линейные или трансформаторные блоки питания.

Концепция ИБП известна давно. Однако реализация ее стала возможной относительно недавно. Этому способствовало появление управляемых полупроводниковых ключей с требуемыми характеристиками. В первую очередь речь идет о полевых транзисторах MOSFET. Сегодня MOSFET вытеснили практически все другие управляемые полупроводниковые приборы в области преобразователей электрической энергии малой и средней мощности. В преобразователях большой мощности лидирующие позиции занимают IGBT транзисторы, а также некоторые виды тиристоров.

Главное и неоспоримое преимущество импульсных блоков питания по сравнению с линейными (трансформаторными) БП – это значительно меньший вес и габариты при равных мощностях. Для сравнения можно взять импульсный блок питания компьютера мощностью 500 Вт и только один трансформатор мощностью 500 ВА. Разница, особенно по массе, будет ощутима.

Существует много схем ИБП. Однако все они сводятся к тому, чтобы снизить в первую очередь массу и габариты трансформатора. Почему именно трансформатора? Потому что он является самым громоздким, тяжелым и дорогим элемент блока питания.

Чтобы хорошо представлять, как работает импульсный блок питания, сначала рассмотрим классическую схему линейного БП.

Схема линейного блока питания

Основные задачи любого промышленного БП заключаются в снижении переменного напряжения 220 В (230 В) до требуемой величины, затем его выпрямление, сглаживание и стабилизация.

Поэтому любая схема линейного бока питания обязательно содержат как минимум следующие элементы: трансформатор, выпрямитель, фильтр, узел стабилизации. Назначение каждого элемента было более полно рассказано .

Теперь, глядя на составляющие функциональной схемы линейного БП, давайте рассуждать, какие элементы приводят к росту его массы и веса. В качестве выпрямителя чаще служит диодный мост. Снизить его размеров не даст особого эффекта. Да и реализовать этот будет затруднительно.

Узел стабилизации может быть реализован по-разному. Поэтому на нем мы тоже сэкономить мало что сможем. Остаются только два элемента: фильтр и трансформатор. Фильтр представляет собой электролитический конденсатор большой емкости. Но изменение его параметров, как мы увидим далее, не позволит получить сколь-нибудь ощутимый выигрыш. Остается исследовать возможности способы минимизации трансформатора.

Основная задача его заключается в передаче мощности со стороны источника высокого на сторону низкого напряжения. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку высоковольтных с низковольтными цепями. Гальваническая развязка необходима для преимущественного большинства устройств по условиям безопасности, как персонала, так и низковольтного оборудования. А трансформатор, как никакой другой элемент выполняет эти и другие условия. При этом он имеет максимальный коэффициент полезного действия, достигающий 99 %. По этой причине ему до сих пор не могут найти альтернативу, за что приходится расплачиваться повышенной массой и размерами в целом БП.

Безтранформаторные источники питания

Конечно, всегда возникал вопрос: а можно ли вообще обойтись без трансформатора? Здесь ответ неоднозначный. И можно и нельзя. Более того, существуют безтрансформаторные источники питания. Для снижения напряжения применяют конденсатор. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока. Именно это свойство благополучно используется. Однако реактивное сопротивление конденсатора зависит обратно пропорционально от его емкости. Поэтому с увеличением нагрузки необходимо применять конденсатор большей емкости, что очень сказывается на его размерах. Кроме того возрастает его цена, поскольку он должен быть рассчитан на 400…450 В. Помимо всего прочего, использование реактивного сопротивления негативно влияет на качестве электроэнергии питающей сети. Снижается коэффициент мощности cosφ. Но самый главный недостаток заключается в отсутствии гальванической развязки. Это исключает применение подобных схем в преимущественном большинстве радиоэлектронной аппаратуре.

Как снизить массу и габариты трансформатора

Так вот, мощность любого узла ИБП определяется всего двумя параметрами: напряжением и током.

P = U∙I.

Полная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением тока на напряжение. Поэтому давайте рассмотрим, как зависят габариты Т от величины приложенного U и протекающего I. Возможно, здесь у нас получится на что-то повлиять.

Напряжение или, точнее говоря, ЭДС данного электромагнитного устройства определяется частотой приложенного напряжения f, количеством витков w и магнитным потоком Φ.

E = 4,44∙f∙w∙Φ

Коэффициент 4,44 уберем для упрочения, поскольку он соответствует синусоидальной форме тока. В импульсных блоках питания, где форма сигнала имеет вид прямоугольника, это коэффициент имеет другое значение.

E ~ f∙w∙Φ

Магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.

E ~ f∙w∙B∙Sс

Давайте поразмыслим над этой формулой с интересующей нас позиции. Размеры Т определяются размерами его сердечника и обмотками. Упрощенно говоря, мы можем вполне обосновано сказать, что габариты сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sс. А габариты обмотки зависят от числа витков w.

Теперь становится очевидно, что для сохранения прежней величины электродвижущей силы E при снижении числа витков w и площади поперечного сечения Sс, а соответственно и габаритов трансформатора, необходимо повышать или частоту или индукцию или эти два параметра одновременно.

Преимущественное большинство сердечников промышленных трансформаторов выполняются из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения порядка 1,7 Тл. Это довольно большое значение индукции. Выше только у чистого железа, обладающего максимально возможной индукцией из всех магнитных материалов, и составляет чуть более 2 Тл. К сожалению, чистое железо не пригодно к использованию в электромагнитных устройствах вследствие сильных потерь энергии при перемагничивании.

Альтернативные магнитные материалы

Также в ряде стран применяется пермаллой. Пермаллой имеет несколько меньшую индукцию, чем электротехническая стать, но обладает большим электрическим сопротивлением. Благодаря чему снижаются потери на вихревые токи, а соответственно и потери холостого хода.

Относительно недавно на рынке в доступной цене появились аморфные и нанокристаллические сплавы. Они обладают высоким электрическим сопротивлением, при этом индукция их приближается к электротехническим сплавам. Кроме того они обладают рядом положительных свойств, превосходящих другие магнитные материалы. Но на этом мы здесь останавливаться не будем.

Однако индукция известных на сегодняшний день магнитных материалов и сплавов не достигает величины, значительно превосходящей индукцию электротехнической стали, то есть более 1,7 Тл. Поэтому сейчас невозможно существенно снизить габариты электромагнитного устройства за счет применения новых магнитных материалов. Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое снижение массы и размеров – это повышение частоты f переменного тока.

Как работает импульсный блок питания электронных устройств

Мы знаем, что в сети 220 В или 230 В f равна 50 Гц, отсюда возникает вопрос: как ее повысить? А делается это следующим образом. Сначала переменное напряжение 220 В, 50 Гц выпрямляется с помощью обычного диодного моста. Затем оно сглаживается электролитическим конденсатором большей емкости. Далее сглаженное напряжение снова преобразуется в переменное, но уже значительно большей частоты. В современных импульсных блоках питания она составляет порядка единиц мегагерц. И уже это высокочастотное напряжение подается на обмотку трансформатора. Это позволяет значительно снизить его размеры при сохранении прежнего значения электродвижущей силы. Затем сниженное напряжение со вторичной обмотки снова выпрямляется, сглаживается, и стабилизируется.

Постоянное напряжение преобразуется в переменное с помощью инвертора. Транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, что приводит к появлению значительных импульсов тока. Поэтому на входе первого выпрямителя обязательно устанавливают дроссель для снижения уровня пульсаций тока, вызванных работой инвертора. Кроме того, для борьбы и электромагнитными импульсами, ИБП полностью экранируют.

Именно по причине этих пульсаций ИБП не применяются в аудиотехнике. В первую очередь это относиться к усилителям звука. Они вместе с полезным аудиосигналом могут усилить и помехи или пульсации, создаваемые полупроводниковыми приборами, работающими в ключевом режиме. В конечном итоге это негативно отобразится на качестве звука.

Сечение провода тр-ра по-прежнему рассчитывается на аналогичный ток. Однако в качестве магнитопровода электротехническая сталь не применяется, поскольку на высоких частотах возникают сильных потери энергии, вызванные действием вихревых токов. Поэтому применяют магнитные материалы с максимально высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся ферриты и различного рода магнитодиэлектрики.

Мощный импульсный блок питания?

Значительно повысить f удается только в относительно маломощных ИБП с точки зрения силовой электроники. В преобразователях электрической энергии большой мощности – десятки, сотни и тысячи киловатт, сколь существенно увеличить частоту не получится. Это вызвано отсутствием транзисторов или тиристоров, способных быстро переключать большую нагрузку, сохраняя при этом приемлемый уровень потерь энергии. Максимум удается повысить f до тысячи герц, 400 Гц, а то и вовсе ниже. К тому же возникают трудности с охлаждением таких преобразовательных установок.

Потери в полупроводниковых ключах зависят от приложенного к ним напряжения, протекающего I и частоты переключения. С ростом f потери энергии в полупроводниковых ключах сильно возрастают. Поэтому существенно снижается коэффициент полезного действия всей преобразовательной установки. Отсюда данный способ пока что не находит применения для мощных преобразователей и является малоэффективным.

Но и здесь был найден выход. Все усилия были направлены в сторону уменьшения размеров и веса обмоток. В преобразователях она может достигать нескольких тонн. Если получится существенно уменьшить ее размеры, тогда можно домотать некоторое количество витков и за счет этого снизить габариты магнитопровода при сохранении прежнего значения электродвижущей силы.

Масса меди обмоток mо зависит от суммарной длины одного витка lв, их числа w, площади поперечного сечения Sв и удельного веса меди γм.

mо = lв∙w∙Sв∙γм.

Длина витка lв определяется его диаметром dв, поэтому можем переписать предыдущее выражение следующим образом:

mо = π∙dв∙w∙Sв∙γм.

В свою очередь диаметр dв определяет индуктивность Т. Поэтому его мы уменьшить не можем, поскольку это в конечном итоге повлечет за собой уменьшение ЭДС, а это не допустимо.

Также нельзя снизить удельный вес меди. Остается снижать площадь поперечно сечения витка.

Она в свою очередь зависит от величины протекающего I и допустимой плотности тока j.

Sв = I∙j.

Величину тока мы также снизить не можем, поскольку она определяет мощность трансформатора при заданном значении электродвижущей силы. Остается только один способ – увеличить допустимую плотность j.

Сверхпроводники

Эта величина для меди в среднем находится в пределах от 8 до 10 А/мм2. Для обмоток электрических машин она будет иметь меньшее, а для монтажных проводов или линий электропередач – большее значение.

Величина j показывает, какой максимальный ток можно пропустить через заданное сечение проводника. Для простоты примем допустимое значение j = 10 А/мм2. Это значит, что через медный провод сечением 1 мм2 можно пропустить I величиной 1 А. Если превысить эту величину, то он будет перегреваться, что недопустимо. Главная причина заключается в перегреве изоляции, которая для электрических машин обходится дороже стоимости самого провода. С ростом температуры эксплуатационный срок изоляции резко снижается. Отсюда преждевременная постановка на ремонт и затратная перемотка изоляции.

Если проводник принудительно охлаждать, то через ту же Sв можно пропустить больший I. Именно таким способом удается существенно уменьшить сечение Sв. Применяют так называемые сверхпроводящие обмотки. Они находятся в специальной герметичной емкости, заполненной жидким азотом. Точка кипения азота чуть более -195 °С. Жидкий азот хорош тем, что он не взрывоопасен и не ядовит.

Благодаря применению жидкого азота снижается сопротивление проводника. Это позволяет повысить j почти в 30 раз, не перегревая его. А соответственно снизить площадь поперечного сечения обмоточного провода, что в свою очередь приводит к снижению веса электромагнитного устройства.

Подытожим сказанное выше. Для снижения массы и габаритов ИБП малой и средней мощности повышают частоту подводимого напряжения к обмоткам трансформатора за счет специальных схемных решений. В силовых преобразователях такой способ пока что трудно реализуем по причине отсутствия полупроводниковых ключей с приемлемыми коммутационными характеристиками. Единственный рациональный способ заключается в использовании сверхпроводящих обмоток.

Теперь, я надеюсь, Вам стало понятно, как работает импульсный блок питания и почему он имеет такую структуру.

Помогите проекту. Поделитесь с друзьями.

В статье речь об импульсных блоках питания (далее ИБП), которые сегодня получили самое широкое применение во всех современных радиоэлектронных устройствах и самоделках.
Основной принцип заложенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Герц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.
Преобразование осуществляется с помощью мощных транзисторов, работающих в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый – выполняется по схеме импульсного автогенератора и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).
Поскольку частота преобразователя обычно выбирается в среднем от 20 до 50 килогерц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно минимизируются, что является очень важным фактором для современной аппаратуры.
Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением смотрите ниже:

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП.
Единственное что для этого необходимо — схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – это широтно-импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора T1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный.
В ИБП используются 2 принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный способ называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора:

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.
С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.

В заключении темы хотелось бы более подробно описать преимущества ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП, так как меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 85 %. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.
К минусам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым самим ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5 вольт) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 вольт. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.

Компьютерный блок питания

Эту страницу предлагается переименовать в Блок питания (компьютерный). Пояснение причин и обсуждение — на странице Википедия:К переименованию/22 мая 2017. Пожалуйста, основывайте свои аргументы на правилах именования статей. Не удаляйте шаблон до подведения итога обсуждения. Переименовать в предложенное название, снять этот шаблон.

Компьютерный блок питания (или сокращённо — блок питания, БП) — вторичный источник электропитания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электроэнергией постоянного тока путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений.

Также в состав компьютера могут входить блоки преобразования уровня напряжения следующей ступени — третичные блоки питания и т. д. Примером таких преобразователей могут служить модуль питания центральных процессоров (в том числе модернизируемых), графических процессоров, а также устройства, требующие повышения напряжения или изменения характеристик тока — переменного, с изменением фазы.

Модуль третичного питания центрального процессора, частично закрыт радиаторами охлажденияМодуль-переходник для установки процессора 80486DX4 с преобразователем напряжения в 3,3 вольта из 5

В некоторой степени блок питания также выполняет функции стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения. Как компонент, занимающий значительную часть внутри корпуса компьютера, несёт в своём составе (либо монтируемые на корпусе БП) компоненты охлаждения частей внутри корпуса компьютера.

Описание

Если брать, в качестве примера, блок питания для настольного компьютера персонального стандарта PC, то, согласно спецификации разных лет, он должен обеспечивать выходные напряжения ±5 / ±12 / +3,3 Вольт, а также +5 Вольт дежурного режима (+5VSB).

• Основными силовыми цепями компьютеров периодически являлись линии напряжения +3,3, +5 и +12 В. Традиционно, чем выше напряжение в линии, тем большая мощность передаётся по данным цепям.
• Отрицательные напряжения питания (−5 и −12 В) допускали небольшие токи и в современных материнских платах в настоящее время не используются.
  • Напряжение −5 В использовалось только интерфейсом ISA материнских плат. Для обеспечения −5 В постоянного тока в ATX и ATX12V версии до 1.2 использовался контакт 20 и белый провод. Это напряжение (а также контакт и провод) не является обязательным уже в версии 1.2 и полностью отсутствует в версиях 1.3 и старше.
  • Напряжение −12 В необходимо лишь для полной реализации стандарта последовательного интерфейса RS-232 с использованием микросхем без встроенного инвертора и умножителя напряжения, поэтому также часто отсутствует.
• Напряжение +12 В используется для питания наиболее мощных потребителей. Разделение питающих напряжений на 12 и 5 Вольт целесообразно как для снижения токов по печатным проводникам плат, так и для снижения потерь энергии на выходных выпрямительных диодах блока питания.
• Напряжения ±5, +12, +3,3 В дежурного режима используются материнской платой.
• Для жёстких дисков, оптических приводов, вентиляторов используются напряжения +5 и +12 В.
• Наиболее мощные потребители энергии (такие, как видеокарта, центральный процессор, северный мост) подключаются через размещённые на материнской плате или на видеокарте вторичные преобразователи с питанием от цепей как +5 В, так и +12 В.
• Напряжение +3,3 В в блоке питания формируется из напряжения +5 В, а потому существует ограничение суммарной потребляемой мощности по ±5 и +3,3 В.
• Напряжение на модулях памяти имеет стойкую тенденцию к уменьшению и для DDR4 SDRAM снизилось до 1,2 Вольта.

В большинстве случаев, для компьютера в рассматриваемом примере, используется импульсный блок питания, выполненный по полумостовой (двухтактной) схеме. Блоки питания с накапливающими энергию трансформаторами (обратноходовая схема) естественно ограничены по мощности габаритами трансформатора и потому применяются значительно реже. Гораздо чаще встречается схема прямоходового однотактного преобразователя, которая не так ограничена по массо-габаритным показателям. При этом используются те же м/с, что и в обратноходовом преобразователе.

Устройство (схемотехника)

Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой: A — входной диодный выпрямитель, ниже виден входной фильтр; B — входные сглаживающие конденсаторы, правее виден радиатор высоковольтных транзисторов; C — импульсный трансформатор, правее виден радиатор низковольтных диодных выпрямителей; D — дроссель групповой стабилизации; E — конденсаторы выходного фильтра

Широко распространённая схема импульсного источника питания состоит из следующих частей:

Входные цепи

• Входной фильтр, предотвращающий распространение импульсных помех в питающую сеть. Также входной фильтр уменьшает бросок тока заряда электролитических конденсаторов при включении БП в сеть (это может привести к повреждению входного выпрямительного моста).
• В качественных моделях — пассивный (в дешёвых) либо активный корректор мощности (PFC), снижающий нагрузку на питающую сеть.
• Входной выпрямительный мост, преобразующий переменное напряжение в постоянное пульсирующее.
• Конденсаторный фильтр, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения.
• Отдельный маломощный блок питания, выдающий +5 В дежурного режима материнской платы и +12 В для питания микросхемы преобразователя самого ИБП. Обычно он выполнен в виде обратноходового преобразователя на дискретных элементах (либо с групповой стабилизацией выходных напряжений через оптрон плюс регулируемый стабилитрон TL431 в цепи ОС, либо линейными стабилизаторами 7805/7812 на выходе) или же (в топовых моделях) на микросхеме типа TOPSwitch.

Преобразователь

• Полумостовой преобразователь на двух биполярных транзисторах.
• Схема управления преобразователем и защиты компьютера от превышения/снижения питающих напряжений, обычно на специализированной микросхеме (TL494, UC3844, KA5800, SG6105 и пр.).
• Импульсный высокочастотный трансформатор, который служит для формирования необходимых номиналов напряжения, а также для гальванической развязки цепей (входных от выходных, а также, при необходимости, выходных друг от друга). Пиковые напряжения на выходе высокочастотного трансформатора пропорциональны входному питающему напряжению и значительно превышают требуемые выходные.
• Цепи обратной связи, которые поддерживают стабильное напряжение на выходе блока питания.
• Формирователь напряжения PG (Power Good, «напряжение в норме»), обычно на отдельном ОУ.

Выходные цепи

• Выходные выпрямители. Положительные и отрицательные напряжения (5 и 12 В) используют одни и те же выходные обмотки трансформатора, с разным направлением включения диодов выпрямителя. Для снижения потерь, при большом потребляемом токе, в качестве выпрямителей используют диоды Шоттки, обладающие малым прямым падением напряжения.
• Дроссель выходной групповой стабилизации. Дроссель сглаживает импульсы, накапливая энергию между импульсами с выходных выпрямителей. Вторая его функция — перераспределение энергии между цепями выходных напряжений. Так, если по какому-либо каналу увеличится потребляемый ток, что снизит напряжение в этой цепи, дроссель групповой стабилизации как трансформатор пропорционально снизит напряжение по другим выходным цепям. Цепь обратной связи обнаружит снижение напряжения на выходе и увеличит общую подачу энергии, что восстановит требуемые значения напряжений.
• Выходные фильтрующие конденсаторы. Выходные конденсаторы, вместе с дросселем групповой стабилизации интегрируют импульсы, тем самым получая необходимые значения напряжений, которые, благодаря дросселю групповой стабилизации, значительно ниже напряжений с выхода трансформатора.
• Один (на одну линию) или несколько (на несколько линий, обычно +5 и +3,3) нагрузочных резисторов 10-25 Ом, для обеспечения безопасной работы на холостом ходу.

Достоинства такого блока питания:

• Простая и проверенная временем схемотехника с удовлетворительным качеством стабилизации выходных напряжений.
• Высокий КПД (65—70 %). Основные потери приходятся на переходные процессы, которые длятся значительно меньшее время, чем устойчивое состояние. Больше всех греются диоды выпрямляющие 5 и 12 вольт. Силовые транзисторы греются мало .
• Малые габариты и масса, обусловленные как малым выделением тепла на регулирующем элементе, так и малыми габаритами трансформатора, благодаря тому, что последний работает на высокой частоте.
• Малая металлоёмкость, благодаря чему мощные импульсные источники питания стоят дешевле трансформаторных, несмотря на бо́льшую сложность.
• Возможность подключения к сетям с широким диапазоном выбора напряжений и частот, или даже сетям постоянного тока. Благодаря этому возможна унификация техники, производимой для различных стран мира, а значит, и её удешевление при массовом производстве.

Недостатки полумостового блока питания на биполярных транзисторах:

• При построении схем силовой электроники использование биполярных транзисторов в качестве ключевых элементов снижает общий КПД устройства. Управление биполярными транзисторами требует значительных затрат энергии.
  Всё больше компьютерных блоков питания строится на более дорогих мощных MOSFET-транзисторах. Схемотехника таких компьютерных блоков питания реализована как в виде полумостовых схем, так и обратноходовых преобразователей. Для удовлетворения массогабаритных требований к компьютерному блоку питания в обратноходовых преобразователях используются значительно более высокие частоты преобразования (100—150 кГц).
• Большое количество намоточных изделий, индивидуально разрабатываемых для каждого типа блоков питания. Такие изделия снижают технологичность изготовления БП.
• Во многих случаях недостаточная стабилизация выходного напряжения по каналам. Дроссель групповой стабилизации не позволяет с высокой точностью обеспечивать значения напряжений во всех каналах. Более дорогие, а также мощные современные блоки питания формируют напряжения ±5 и 3,3 В с помощью вторичных преобразователей из канала 12 В.

• 

  Принципиальная схема БП персонального компьютера

Разъёмы БП / потребителей питания

AT

Один из двух шестиконтактных разъёмов питания AT

Блок питания стандарта AT подключается к материнской плате двумя шестиконтактными разъёмами, включающимися в один 12-контактный разъём на материнской плате. К разъёмам от блока питания идут разноцветные провода, и правильным является подключение, когда контакты разъёмов с чёрными проводами сходятся в центре разъёма материнской платы. Цоколёвка AT-разъёма на материнской плате следующая:

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
	—
PG	пустой	+12V	-12V	общий	общий	общий	общий	-5V	+5V	+5V	+5V

ATX

20-контактный разъём ATX (вид на материнскую плату)У 24-контактного ATX разъёма последние 4 контакта могут быть съёмными для обеспечения совместимости с 20-контактным гнездом на материнской плате Вилки шлейфов питания (из блока питания), без переходников и адаптеров

1) AMP 171822-4 мини-размера для питания 5 и 12 вольтами периферийного устройства (обычно, дисковод). В американской терминологии штырьковый разъём на стороне дисковода схемотехнически обозначается как LP4, а сам тип таких разъёмов носит название Berg connector.
2) Molex обычного размера (molex 8981).
3) 5-контактные разъёмы MOLEX 88751 для питания устройства с интерфейсом SATA: корпус MOLEX 675820000 или эквивалентный с контактами Molex 675810000 или эквивалентными.
4) «PCIe8connector» для питания видеокарты, расщепляемый на «PCIe6connector» (для питания видеокарты).
5) «PCIe6connector» для питания видеокарты.
6) «EPS12V» (англ. Entry-Level Power Supply Specification) для питания процессора.
7) «ATX PS 12V» («P4 power connector») для питания процессора.
8) «ATX12V» основного питания материнской платы: MOLEX 39-01-2040 или эквивалентная с контактами Molex 44476-1112 (HCS) или эквивалентными.
Примечание: в связи с приобретениями, слияниями и продажами, название фирмы и разъёмов (Molex, AMP, Tyco International) соответственно менялось.

• 20-контактный разъём основного питания +12V1DCV использовался с первыми материнскими платами форм-фактора ATX, до появления материнских плат с шиной PCI-Express.
• 24-контактный разъём основного питания +12V1DC (вилка типа MOLEХ 24 Pin Molex Mini-Fit Jr. PN# 39-01-2240 (или эквивалентная) на стороне БП с контактами типа Molex 44476-1112 (HCS) (или эквивалентная); розетка ответной части на материнской плате типа Molex 44206-0007 (или эквивалентная)) создан для поддержки материнских плат с шиной PCI Express, потребляющей 75 Вт. Большинство материнских плат, работающих на ATX12V 2.0, поддерживают также блоки питания ATX v1.x (4 контакта остаются незадействованными), для этого некоторые производители делают колодку новых четырёх контактов отстёгивающейся.

24-контактный разъём питания материнской платы ATX12V 2.x
(20-контактный не имеет последних четырёх: 11, 12, 23 и 24)

Цвет	Сигнал	Контакт	Контакт	Сигнал	Цвет
Оранжевый	+3.3 V	1	13	+3.3 V	Оранжевый
				+3.3 V sense	Коричневый
Оранжевый	+3.3 V	2	14	−12 V	Синий
Чёрный	Земля	3	15	Земля	Чёрный
Красный	+5 V	4	16	Power on	Зелёный
Чёрный	Земля	5	17	Земля	Чёрный
Красный	+5 V	6	18	Земля	Чёрный
Чёрный	Земля	7	19	Земля	Чёрный
Серый	Power good	8	20	−5 V	Белый
Фиолетовый	+5 VSB	9	21	+5 V	Красный
Жёлтый	+12 V	10	22	+5 V	Красный
Жёлтый	+12 V	11	23	+5 V	Красный
Оранжевый	+3.3 V	12	24	Земля	Чёрный
Три затенённых контакта (8, 13 и 16) — сигналы управления, а не питания. «Power On» подтягивается на резисторе до уровня +5 Вольт внутри блока питания, и должен быть низкого уровня для включения питания. «Power good» держится на низком уровне, пока на других выходах ещё не сформировано напряжение требуемого уровня. Провод «+3.3 V sense» используется для дистанционного зондирования.
Контакт 20 (и белый провод) используется для обеспечения −5 В постоянного тока в ATX и ATX12V версии до 1.2. Это напряжение не является обязательным уже в версии 1.2 и полностью отсутствует в версиях 1.3 и старше.
В 20-контактной версии правые контакты нумеруются с 11 по 20.
Провод +3.3 VDC оранжевого цвета и отводка +3.3 V sense коричневого цвета, подключенные к 13-му контакту, имеют толщину 22 AWG; все остальные — 18 AWG

• Разъёмы и вилки ATX PS 12V (P4 power connector)

• PCIe6connector/PCIe8connector для дополнительного питания мощных видеокарт

Также на БП размещаются:

• 4-контактный разъём «ATX12V» (именуемый также «P4 power connector») — вспомогательный разъём для питания процессора: розетка типа MOLEX 39-01-2040 или эквивалентная с контактами Molex 44476-1112 (HCS) или эквивалентными; вилка ответной части на материнской плате типа Molex 39-29-9042 или эквивалентная. Провод толщиной 18 AWG.
  В случае построения высокопотребляемой системы (свыше 700 Вт), расширяется до «EPS12V» (англ. Entry-Level Power Supply Specification) — 8-контактного вспомогательного разъёма для питания материнской платы и процессора 12 В,
• 4-контактный разъём для дисковода с контактами AMP 171822-4 или эквивалентными. Провод толщиной 20 AWG.
• 4-контактный разъём для питания периферийного устройства типа жёсткого диска или оптического накопителя с интерфейсом PATA: вилка типа MOLEХ 8981-04P или эквивалентная с контактами AMP 61314-1 или эквивалентными. Провод толщиной 18 AWG.
• 5-контактные разъёмы MOLEX 88751 для подключения питания SATA-устройств состоит из корпуса типа MOLEX 675820000 или эквивалентного с контактами Molex 675810000 или эквивалентными.
• 6- либо 8-контактные разъёмы для питания PCI Express x16 видеокарт.

В конце 2000-х годов для монтажа кабелей стал применяться модульный принцип, когда из корпуса БП выходит лишь основной 24(20+4)-контактный кабель и 4+4-контактный кабель питания EPS12V для материнской платы ATX12V/EPS12V, прочие же кабели для периферии выполняются съёмными, на разъёмах.

Стандарты массово выпускаемых БП

• Импульсный блок питания массового персонального компьютера мощностью 450 Вт (FSP ATX-450PNF)

• БП форм-фактора SFX

• БП форм-фактора TFX

• БП форм-фактора Flex-ATX

• Дублирование блока питания с поддержкой горячей замены в отказоустойчивом сервере

• Блок питания ноутбука ASUS

AT (устаревший)

См. также: AT (форм-фактор)

В блоках питания у компьютеров форм-фактора AT выключатель питания разрывает силовую цепь и обычно вынесен на переднюю панель корпуса отдельными проводами; питание дежурного режима с соответствующими цепями отсутствует в принципе. Однако почти все материнские платы стандарта АТ+ATX имели выход управления блоком питания, а блоки питания, в то же время, вход, позволяющий материнской плате стандарта АТ управлять им (включать и выключать).

• В БП компьютеров типа IBM PC/XT имелся выключатель, входивший непосредственно в конструкцию.

• БП, подключенный в IBM PS/2 Model 55 SX

ATX (современный)

См. также: ATX

Выход	Допуск	Минимум	Номинальное	Максимум	Единица измерения
+12V1DC	±5 %	+11,40	+12,00	+12,60	Вольт
+12V2DC	±5 %	+11,40	+12,00	+12,60	Вольт
+5 VDC	±5 %	+4,75	+5,00	+5,25	Вольт
+3.3 VDC	±5 %	+3,14	+3,30	+3,47	Вольт
−12 VDC	±10 %	−10,80	−12,00	−13,20	Вольт
+5 VSB	±5 %	+4,75	+5,00	+5,25	Вольт

1. На пиковой нагрузке +12 VDC диапазон выходного напряжения +12 VDC может колебаться в пределах ± 10%.
2. Минимальное напряжение уровнем 11,0 VDC во время пиковой нагрузки по +12 V2DC.
3. Выдержка в диапазоне требуется разъёму основного питания материнской платы и разъёму питания SATA.

Повышены требования к +5 VDС — теперь БП должен отдавать ток не менее 12 А (+3,3 VDC — 16,7 А соответственно, но при этом совокупная мощность не должна превышать 61 Вт) для типовой системы потребления мощностью 160 Вт. Выявился перекос выходной мощности: раньше основным был канал +5 В, теперь были продиктованы требования по максимальному току +12 В. Требования были обусловлены дальнейшим ростом мощности комплектующих (в основном, видеокарты), чьи требования не могли быть удовлетворены линиями +5 В из-за очень больших токов в этой линии.

Параметры типовых БП с мощностью свыше 61 Вт

Типовая система, потребляемая мощность 160 Вт

Выход	Минимум	Номинальное	Максимум	Единица измерения
+12VDC	1,0	9,0	11,0	Ампер
+5 VDC	0,3	12,0	+5,25	Ампер
+3,3 VDC	0,5	16,7		Ампер
−12 VDC	0,0	0,3		Ампер
+5 VSB	0,0	1,5	2,0	Ампер

Типовая система, потребляемая мощность 180 Вт

Выход	Минимум	Номинальное	Максимум	Единица измерения
+12VDC	1,0	13,0	15,0	Ампер
+5 VDC	0,3	10,0	+5,25	Ампер
+3,3 VDC	0,5	16,7		Ампер
−12 VDC	0,0	0,3		Ампер
+5 VSB	0,0	1,5	2,0	Ампер

Типовая система, потребляемая мощность 220 Вт

Выход	Минимум	Номинальное	Максимум	Единица измерения
+12VDC	1,0	15,0	17,0	Ампер
+5 VDC	0,3	12,0		Ампер
+3,3 VDC	0,5	12,0		Ампер
−12 VDC	0,0	0,3		Ампер
+5 VSB	0,0	2,0	2,5	Ампер

Типовая система, потребляемая мощность 300 Вт

Выход	Минимум	Номинальное	Максимум	Единица измерения
+12 VDC	1,0	18,0	18,0	Ампер
+5 VDC	1,0	16,0	19	Ампер
+3,3 VDC	0,5	12,0		Ампер
−12 VDC	0,0	0,4		Ампер
+5 VSB	0,0	2,0	2,5	Ампер

1. 1 2 Совокупная мощность по линиям +3,3 VDC и +5 VDC не должна превысить 61 Вт
2. 1 2 Совокупная мощность по линиям +3.3 VDC и +5 VDC не должна превысить 63 Вт
3. 1 2 Совокупная мощность по линиям +3,3 VDC и +5 VDC не должна превысить 80 Вт
4. 1 2 Совокупная мощность по линиям +3,3 VDC и +5 VDC не должна превысить 125 Вт

Блоки питания ноутбуков

Блок питания для ноутбука (и прочих мобильных компьютеров) применяется как для зарядки его аккумуляторной батареи (АКБ), так и для обеспечения работы без аккумулятора. По типу исполнения БП ноутбука чаще всего представляет собой внешний блок. Ввиду того, что электрические характеристики различных моделей ноутбуков могут сильно различаться, на внешние блоки питания пока нет единого стандарта, и их блоки питания, как правило, не взаимозаменяемы. Существует инициатива по стандартизации блоков питания для ноутбуков.

Особенности БП ноутбуков:

1. Производители ноутбуков используют различные разъёмы питания; их существует достаточно много типов, хотя широко распространённых всего несколько.
2. Различаются питающие напряжения: обычно это 18,5 В или 19 В, хотя встречаются варианты с напряжением 15 или 16 В (в осн. субноутбуки); 19,5 В; 20 В или даже 24 В (iBook).
3. Блоки питания отличаются максимальной выходной мощностью, выдавая ток 3,16 А (для старых типов); 3,42 A; 4,74 А; 6,3 А; 7,9 А, в зависимости от того, насколько мощный компьютер предполагается питать.

К замене блока питания ноутбука следует подходить с осторожностью (заменяющий должен иметь одинаковую полярность, разницу в питающем напряжении, не превышающую 0,5 В, и иметь достаточную мощность), иначе это может привести к выходу ноутбука из строя.

Выпускаются также универсальные блоки питания, рассчитанные на ноутбуки разных моделей и различных производителей. Такой БП имеет переключатель напряжения и набор сменных штекеров для подключения.

Внешние изображения

Чертёж БП FSP600-80GLN

Сборочный чертеж БП FSP600-80GLN в формате PDF

Энергоэффективность блока питания и КПД

КПД — «80 PLUS»

КПД «типового» блока питания, описанного выше, имеет величину порядка 65-70 %. Для получения бо́льших величин применяются специальные схемотехнические решения. Следует отметить, что КПД равен отношению мощности, выдаваемой для потребления компонентами компьютера, к мощности, потребляемой от сети. В характеристиках БП указана максимальная мощность, выдаваемая для потребления компонентами компьютера (т.е., чем ниже КПД, тем выше мощность, потребляемая от сети).

БП с компонентами пассивного PFC БП с компонентами активного PFC

Сертификация 80 PLUS (как часть принятого в 2007 году стандарта энергосбережения Energy Star 4.0) подразумевает сертификацию компьютерных блоков питания на соответствие определённым нормативам по эффективности энергопотребления: КПД БП должен быть не менее 80 % при 20, 50 и 100 % нагрузке относительно номинальной мощности БП, а коэффициент мощности должен быть 0,9 или выше при 100 % нагрузке.

И хотя первоначально сертификация по стандарту 80 PLUS проводилась только для использования в сетях с напряжением 115 В (которые распространены, к примеру, в США, но не на территории России), и поэтому КПД блоков питания, сертифицированных по стандарту 80 PLUS, может быть ниже 80 % в сетях 220/230 В, однако последующие уровни спецификации, начиная с 80 PLUS Bronze, сертифицировались и для применения в сетях 230 В. Тем не менее, сертифицированные по стандарту 80 PLUS БП могут иметь КПД ниже 80 % при нагрузках менее 20 %, что достаточно важно, так как большинство ПК редко работают в режиме максимальной потребляемой мощности, а гораздо чаще простаивают. Также КПД может быть ниже заявленного в условиях эксплуатации БП при температуре, отличной от комнатной (при которой проводится сертификация).

В 2008 году к стандарту были добавлены уровни сертификации Bronze, Silver, Gold, в 2009 — Platinum, а в 2012 — Titanium. Нормативный минимальный КПД сертифицированных БП представлен в таблице (КПД при 10%-ной нагрузке регулируется только для Titanium):

Например, 600-ваттный блок питания, сертифицированный 80 PLUS Gold, при полной нагрузке будет потреблять от сети 660-682 вт, из которых 60-82 вт идёт на нагрев БП. Таким образом, БП с высоким КПД более устойчивы к перегреву и, как правило, имеют более тихую систему охлаждения.

Потребляемая и рассеиваемая мощность

Мощность, отдаваемая в нагрузку БП, зависит от мощности компьютерной системы и варьируется в пределах от 50 Вт (встраиваемые платформы малых форм-факторов) до 2 кВт (наиболее высокопроизводительные рабочие станции, серверы или мощные игровые машины).

В случае построения кластера расчёт необходимого количества подводимой энергии учитывает потребляемую кластером мощность, мощность систем охлаждения и вентиляции, КПД которых, в свою очередь, отличный от единицы. По данным компании APC by Schneider Electric, на каждый Ватт потребляемой серверами мощности требуется обеспечение 1,06 Ватта систем охлаждения. Особую важность грамотный расчёт имеет при создании центра хранения и обработки данных (ЦОД) с резервированием по формуле N+1.

См. также: TDP > См. также

• Форм-фактор
• Источник бесперебойного питания
• Система охлаждения компьютера
• Связь по ЛЭП
• HART-протокол