Коэффициент мощности блока питания. Зачем он нам вообще нужен этот ККМ? Что такое тип PFC

Преобразовательная техника

Введение

В последние десятилетия количество электроники, используемой в домашних условиях, в офисах и на производстве, резко увеличилось, и в большинстве устройств применяются импульсные источники питания. Такие источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней. Это влияние выражается не только в разного рода помехах , сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтральной линии. При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке, практически, равен нулю) может увеличится до критического значения.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания, электронных нагрузках люминесцентных ламп, драйверах двигателей постоянного тока и аналогичных приборах.

Один из эффективных способов решения этой задачи - применение корректоров коэффициента мощности PFC (Power Factor Correction). На практике это означает, что во входную цепь практически любого электронного устройства с импульсными преобразователями необходимо включать специальную PFC-схему, обеспечивающую снижение или полное подавление гармоник тока.

Коррекция коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис. 1).

Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 2).

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности (Power Factor PF) - параметр, характеризующий искажения, создаваемые нагрузкой (в нашем случае - источником вторичного электропитания) в сети переменного тока. Существует два вида искажений - гармонические и нелинейные. Гармонические искажения вызываются нагрузкой реактивного характера и представляют собой сдвиг фаз между током и напряжением. Нелинейные искажения вносятся в сеть «нелинейными» нагрузками. Эти искажения выражаются в отклонении формы волны тока или напряжения от синусоиды. В случае гармонических искажений коэффициентом мощности считается косинус разности фаз между током и напряжением или отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети. Для нелинейных искажений коэффициент мощности равен доле мощности первой гармонической составляющей тока в общей мощности, потребляемой устройством. Его можно считать показателем того, насколько равномерно устройство потребляет мощность от электросети.

В общем случае коэффициент мощности - это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током на косинус угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят рассуждения, приводимые ниже. Действующий ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид:

I 2 эфф =I 2 0 +I 2 1эфф +SI 2 nэфф,

где I 2 nэфф - постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I 2 1эфф - основная гармоника, а под знаком суммы - младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид:

I 2 эфф =I 2 0 +(I 2 1эфф(P) +I 2 1эфф(Q))+SI 2 nэфф. Активная мощность - это среднее за период значение мощности, выделяемой на активной нагрузке.

Ее можно представить в виде произведения действующего напряжения на активную составляющую тока P=U эфф Ч I 1эфф(P) . Физически это энергия, выделяющаяся в виде тепла в единицу времени на активном сопротивлении. Под реактивной мощностью понимают произведение действующего напряжения на реактивную составляющую тока: Q=U эфф Ч I 1эфф(Q) . Физический смысл - это энергия, которая перекачивается два раза за период от генератора к нагрузке и два раза - от нагрузки к генератору. Полной мощностью называется произведение действующего напряжения на общий действующий ток: S=U эфф Ч I эфф(общ) . На комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда видна зависимость I 2 =I 1эфф(общ) cos j, где j - угол между векторами P и Q, который также характеризует разность фаз между током и напряжением в цепи.

Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:

PF=P/S=(I 1эфф cos j)/(I эфф(общ)).

Стоит заметить, что отношение (I 1эфф)/(I эфф(общ)) есть косинус угла между векторами, соответствующими действующему значению общего тока и действующему значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол q, то выражение для коэффициента мощности принимает вид: PF=cos j Ч cos q. Задача коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы приблизить к нулю угол разности фаз j между напряжением и током, а также угол q гармонических искажений потребляемого тока (или, другими словами, максимально приблизить форму кривой тока к синусоиде и максимально компенсировать фазовый сдвиг).

Коэффициент мощности выражается в виде десятичной дроби, значение которой лежит в пределах от 0 до 1. Его идеальное значение - единица (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет значение коэффициента мощности около 0,65), 0,95 - хорошее значение; 0,9 - удовлетворительное; 0,8 - неудовлетворительное. Применение коррекции коэффициента мощности может увеличить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Вполне реальны и значения в пределах 0,97…0,99. В идеальном случае, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения (что соответствует полностью активной нагрузке с линейной вольтамперной характеристикой).

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Пассивный метод коррекции чаще всего применяется в недорогих малопотребляющих устройствах (где не предъявляется строгих требований к интенсивности младших гармоник тока). Пассивная коррекция позволяет достичь значения коэффициента мощности около 0,9. Это удобно в случае, когда источник питания уже разработан, остается только создать подходящий фильтр и включить его в схему на входе.

Пассивная коррекция коэффициента мощности состоит в фильтрации потребляемого тока при помощи полосового LC-фильтра. Этот метод имеет несколько ограничений. LC-фильтр может быть эффективен как корректор коэффициента мощности только в случае, если напряжение, частота и нагрузка изменяются в узком интервале значений . Так как фильтр должен работать в области низких частот (50/60 Гц), его компоненты имеют большие габариты, массу и малую добротность (что не всегда приемлемо). Во-первых , количество компонентов при пассивном подходе намного меньше и, следовательно - время наработки на отказ больше, и во вторых , при пассивной коррекции создается меньше электромагнитных и контактных помех, чем при активной.

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

1) Форма потребляемого тока должна быть как можно ближе к синусоидальной и - «в фазе» с напряжением. Мгновенное значение тока, потребляемого от источника, должно быть пропорционально мгновенному напряжению сети.

2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот.

3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от величины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот.

Существует несколько схем, при помощи которых можно реализовать активную коррекцию коэффициента мощности. Наиболее популярна в настоящее время «схема преобразователя с повышением» (boost converter). Эта схема удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным источникам питания. Во-первых , она позволяет работать в сетях с различными значениями питающего напряжения (от 85 до 270 В) без ограничений и каких-либо дополнительных регулировок. Во-вторых , она менее восприимчива к отклонениям электрических параметров сети (скачки напряжения или кратковременное его отключение). Еще одно достоинство этой схемы - более простая реализации защиты от перенапряжений. Упрощенная схема «преобразователя с повышением» приведена на рис. 3.

Принцип работы

Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой AD/DC-преобразователь с широтно-импульсной (PWM) модуляцией. Модулятор управляет мощным (обычно MOSFET) ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.

Временные диаграммы работы корректора показаны на рис. 4. При включенном MOSFET-ключе ток в дросселе линейно нарастает - при этом диод заперт, а конденсатор С2 разряжается на нагрузку. Затем, когда транзистор запирается, напряжение на дросселе «открывает» диод и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор С2 (и одновременно питает нагрузку). В приведенной схеме (в отличие от источника без коррекции) конденсатор С1 имеет малую емкость и служит для фильтрации высокочастотных помех. Частота преобразования составляет 50...100 кГц. В простейшем случае схема работает с постоянным рабочим циклом. Существуют способы увеличения эффективности коррекции динамическим изменением рабочего цикла (согласованием цикла с огибающей напряжения от сетевого выпрямителя).

Схема «преобразователя с повышением» может работать в трех режимах : непрерывном , дискретном и так называемом «режиме критической проводимости ». В дискретном режиме в течение каждого периода ток дросселя успевает «упасть» до нуля и через некоторое время снова начинает возрастать, а в непрерывном - ток, не успев достигнуть нуля, снова начинает возрастать. Режим критической проводимости используется реже, чем два предыдущих. Он сложнее в реализации. Его смысл в том, что MOSFET открывается в тот момент, когда ток дросселя достигает нулевого значения. При работе в этом режиме упрощается регулировка выходного напряжения.

Выбор режима зависит от требуемой выходной мощности источника питания. В устройствах мощностью более 400 Вт используется непрерывный режим, а в маломощных - дискретный. Активная коррекция коэффициента мощности позволяет достичь значений 0,97...0,99 при коэффициенте нелинейных искажений THD (Total Harmonic Distortion) в пределах 0,04...0,08.

И снова здравствуйте!..
К сожалению статья моя задержалась, т.к. возник срочный проект по работе, а так же появились интересные трудности при реализации корректора коэффициента мощности (далее ККМ ). А вызваны они были следующим - мы в своем производстве для управления ККМ используем «заказную» микросхему, которую нам под наши задачи производит дружественная особенно в 1941-м Австрия и соответственно в продаже ее не встретить. Поэтому встала задача переделать данный модуль под доступную элементарную базу и мой выбор пал на микросхему ШИМ-контроллер - L6561 .
Почему именно она? Банальная доступность, вернее нашел ее в «Чип и Дип» , почитал даташит - понравилась. Заказал сразу 50 шт, т.к. дешевле и в своих любительских проектах у меня уже есть несколько задач для нее.

Теперь о главном: в данной стать я расскажу как почти с нуля вспоминал о проектирования однотактных преобразователей (казалось бы при чем тут они ), почему убил десяток ключей и как этого избежать вам. Данная часть расскажет теорию и что бывает если пренебрегать ей. Практическая же реализация выйдет в следующей части как я и обещал вместе с зарядным устройством , т.к. они по сути являются одним модулем и тестировать их надо вместе.
Забегая вперед скажу, что для следующей части уже заготовил пару десятков фотографий и видео, где мое ЗУ не надолго «переквалифицировалось» сначала в сварочный аппарат, а затем в блок питания для «козла» . Те, кто работают на производстве поймут что это за зверь и сколько он потребляет для нашего согревания)))

А теперь к нашим баранам…

Зачем он нам вообще нужен этот ККМ?

Главное бедой «классического» выпрямителя с накопительным конденсаторов (это та штука, которая превращает 220В переменного тока в +308В постоянного тока), который работает от синусоидального тока является то, что этот самый конденсатор заряжается (берет энергию из сети) только в моменты, когда напряжение приложенное к нему больше чем на нем самом.

На человечьем языке, слабонервным и с научными степенями не читать

Как нам известно электрический ток напрочь отказывается идти, если нету разности потенциалов. От знака же разности этой будет еще зависеть и направление протекания тока! Если вы психанули и решили попробовать напряжением 2В заряжать свою мобилу, где батарея Li-ion и рассчитана на 3.7В, то ничего у вас не выйдет. Т.к. ток будет отдавать тот источник, который имеет больший потенциал, а получать энергию будет тот у кого потенциал ниже.
Все как в жизни! Вы весите 60 кг, а парень на улице, который подошел попросить позвонить 120 кг - понятное дело, что пиздюлей раздаст он, а вы их получите. Так и тут - батарейка при своих 60 кг 2В не сможет дать ток в аккумулятор с 120 кг 3.7В. С конденсатором точно так же, если на нем +310В и вы приложите к нему +200В, то он ток получать откажется и заряжаться не будет.

Стоит так же заметить, что исходя из описанного выше «правила» время, отведенное конденсатору на зарядку будет очень маленьким. У нас же ток изменяется по синусоидальному закону, а значит необходимое напряжение будет лишь на пиках синусоиды! Но конденсатору то работать надо, поэтому он нервничает и пытается зарядиться. Он знает законы физики в отличии от некоторых и «понимает», что времени мало и поэтому начинает в эти самые моменты, когда напряжение в пике, потреблять просто огромный ток. Ведь его должно хватить на работу устройства до наступления следующего пика.

Немного об этих «пиках»:

Рисунок 1 - Пики в которых заряжается конденсатор

Как мы видим кусок периода в котором ЭДС принимает достаточное значение для заряда (образно 280-310В) составляет около 10% от полного периода в сети переменного тока. Получается, что мы вместо того, чтобы постоянно забирать плавно энергию из сети, вырываем ее лишь небольшими эпизодами, тем самым мы «перегружаем» сеть. При мощности в 1 кВт и индуктивной нагрузке, ток в момент таких «пиков» может спокойной достигать значений на 60-80А .

Поэтому наша задача сводится к обеспечению равномерного отбора энергии из сети, чтобы не перегружать сеть! Именно ККМ позволит нам реализовать данную задачу на практике.

Кто такой этот ваш ККМ?

Корректор мощности - это обычный повышающий преобразователь напряжения, чаще всего он однотактный. Т.к. мы используем ШИМ модуляцию, то в момент открытого ключа напряжение на конденсаторе постоянное. Если мы стабилизируем выходное напряжение, то ток забираемый из сети пропорционален входному напряжению, то есть изменяется плавно по синусоидальному закону без ранее описанных пиков потребления и скачков.

Схемотехника нашего ККМ

Тут я решил не изменять своим принципам и так же положился на даташит, выбранного мною контроллера - L6561 . Инженеры компании STMicroelectronics уже сделали все за меня, а если конкретнее, то он уже разработали идеальную схемотехнику для своего продукта.
Да я могу сам с нуля пересчитать все и потратить на это дело день-два, то есть все свои и так редкие выходные, но спрашивается зачем? Доказывать себе что могу, этот этап к счастью давно пройден)) Тут у меня вспоминается бородатый анекдот про площадь красных шариков, мол математик применяет формулу, а инженер достает таблицу с площадью красных шариков.... Так и в этом случае.

Советую сразу обратить внимание на то, что схема в даташите рассчитана на 120 Вт, а значит нам следует ее адаптировать под наши 3 кВт и запредельные напряжения работы.

Теперь немного документации к описанному выше:
Даташит на L6561

Если мы посмотри на страницу 6, то увидим несколько схем, нас интересует схема с подписью Wide-range Mains , что с басурманского значит «для работы в широком диапазоне напряжения питающей сети» . Именно данный «режим» я имел ввиду, говоря о запредельных напряжениях. Устройство считается универсальным, то есть может работать от любой стандартной сети (например, в штатах 110В) при диапазоне напряжений 85 - 265В.

Данное решение позволяет нам обеспечит нашему ИБП еще и функцию стабилизатора напряжения! Для многих такой диапазон покажется избыточным и тогда они могут выполнить данный модуль с учетом напряжения питания 220В +- 15%. Это считается нормой и 90% устройств в ценовой категории до 40 тыс. руб вообще лишены ККМ, а 10% используют его лишь с расчетом отклонений не более 15%. Это бесспорно позволяет несколько снизить себестоимость и габариты, но если вы еще не забыли, то мы делаем устройство, которое обязано потягаться с АРС!

Поэтому для себя я решил выбрать самый правильный вариант и сделать не убиваемый танк, который сможет вытянуть даже на даче, где 100В в сети сварочный аппарат или насос в скважине:


Рисунок 2 - Стандартное схемотехническое решение, предлагаемое ST

Адаптация стандартной схемотехники под наши задачи

а) Когда смотрю на данную схему из ДШ, первым что приходит в голову - необходимо добавить фильтр синфазных помех! И это правильно, т.к. на большой мощности они начнут «сводить с ума» электронику. Для токов 15 А и более он будет иметь более усложненный вид, чем многие привыкли его видеть в тех же компьютерных БП, где всего 500-600 Вт. Поэтому данная доработка будет отдельным пунктом.

Б) Мы видим конденсатор С1, можно взять хитрую формулу и посчитать необходимую емкость и я советую тем, кто хочет вникнуть это сделать, за одно вспомнив электротехнику 2 курса с любого политеха. Но я этим заниматься не буду, т.к. по собственным наблюдениям из старых расчетов помню, что до 10 кВт данная емкость растет почти линейно относительно роста мощности. То есть взяв в расчет 1 мкФ на 100 Вт, мы получим, что для 3000 Вт нам необходимо 30 мкФ. Данная емкость легко набирается из 7 пленочных конденсаторов по 4,7 мкФ и 400В каждый. Даже немного с запасом, ведь емкость конденсатора сильно зависит от приложенного напряжения.

В) Силовой транзистор нам понадобится серьезный, т.к. ток потребляемый от сети будет вычислять так:


Рисунок 3 - Расчет номинального тока для ККМ

Получили мы 41,83А . Теперь мы честно признаем, что удержать температуру кристалла транзистора в районе 20-25 о С мы не осилим. Вернее осилить можем, но будет дорого для такой мощности. После 750 кВт стоимость охлаждение фреоном или жидким кислородом размывается, но пока до этого далеко))) Поэтому нам надо найти транзистор, который сможет давать 45-50А при температуре 55-60 о С.

Учитывая, что в цепи есть индуктивность, то я предпочту IGBT транзистор, ибо наиболее живучие. Предельный ток надо надо выбирать для поиска сначала около 100А, т.к. это ток при 25 о С, с ростом температуры предельный коммутируемый ток транзистора снижается.

Немного о Cree FET

Получил я буквально 9 января посылку из Штатов от своего товарища с кучей разных транзисторов на тест, называется сие чудо - CREE FET . Не скажу, что это новая мега технология, на самом деле транзисторы на основе карбида кремния сделали еще в 80-х, просто до ума довели почему лишь сейчас. Я как изначальный материаловед и композитчик вообще к данной отрасли отношусь щепетильно, поэтому меня очень заинтересовал данный товар, тем более было заявлено 1200В при десятках и сотнях ампер. В России купить их не смог, поэтому обратился к своему бывшему одногруппнику и он любезно выслал мне кучу образцов и тестовую плату с forward"ом.
Могу сказать одно - это был мой самый дорогой фейерверк!
8 ключей ебнуло так, что я огорчился и на долго… На самом деле 1200В это теоретическая цифра для технологии, заявленные 65А оказались лишь импульсным током, хотя в документации было четко написано мол номинальный. Видимо был «номинальный импульсный ток» ну или как там еще китайцы придумывают. В общем то еще фуфло, но есть одно НО!
Когда я все таки сделал на CMF10120D корректор на 300 Вт, то оказалось, что он на одном и том же радиаторе и схеме имел температуру в 32 о С против 43-х у IGBT, а это очень существенно!
Вывод по CREE: технология сыровата, но она перспективна и ей определенно БЫТЬ.

В итоге полистав каталоги с посещенных мною выставок (удобная штука кстати аля параметрический поиск) я выбрал два ключа, ими стали - IRG7PH50 и IRGPS60B120 . Оба на 1200В, оба на 100+А, но открыв даташит первый ключ отсеялся сразу - он способен коммутировать ток 100А лишь на частоте в 1 кГц, для нашей задачи это губительно. Второй ключ на 120А и частоту в 40 кГц, что вполне подходит. Смотри даташит по ссылке ниже и ищем график с зависимостью тока от температуры:

Рисунок 4.1 - График с зависимостью максимального тока от частоты коммутации для IRG7PH50, оставим его на частотник

Рисунок 4.2 - График с рабочим током при заданной температуре для IRGPS60B120

Тут наблюдаем заветные цифры, которые показывают нам, что при 125 о С и транзистор и диод спокойно осилят токи чуть более 60А, при этом мы сможем реализовать преобразование на частоте в 25 кГц без каких либо проблем и ограничений.

Г) Диод D1, нам необходимо выбрать диод с рабочим напряжением не менее 600В и током номинальным для нашей нагрузки, то есть 45А. Я решил применить те диоды, которые у меня оказались под рукой (не давно закупил их для разработки сварочника под «косой мост») это - VS-60EPF12 . Как видно из маркировки он на 60А и 1200В. Ставлю я все с запасом, т.к. данный прототип делается для себя любимого и мне так спокойнее.
На самом деле вы можете поставить диод на 50-60А и 600В, но цена между версией на 600 и 1200В отсутствует.

Д) Конденсатор С5, тут все как в случае с С1 - достаточно увеличить номинал из даташита пропорционально мощности. Только стоит учесть, что если у вас планируется мощная индуктивная нагрузка или динамическая с быстрыми нарастаниями мощности (аля концертный усилок на 2 кВт), то лучше на этом пункте не экономить.
Я в своем вариант поставлю 10 электролитов по 330 мкФ и 450В , если вы планируете запитывать пару компьютеров, роутеры и прочую мелочь, то можно ограничиться 4-мя электролитами по 330 мкФ и 450В.

Е) R6 - он же токовый шунт, спасет нас от кривых рук и ошибок случайных, так же защищает схему от короткого замыкания и превышения нагрузки. Штука полезная однозначно, но если мы поступим как инженеры из ST, то на токах в 40А у нас получится обычный кипятильник. Тут есть 2 варианта: трансформатор тока или заводской шунт с падением 75мВ + ОУ аля LM358.
Первый вариант проще и дает гальваническую развязку данного узла схемы. Как рассчитывать трансформатор тока я приводил в предыдущей статье, важно помнить, что защита сработает, когда на ноге 4 напряжение вырастет до 2,5В (в реальности до 2,34В) .
Зная это напряжение и ток цепи, используя формулы из части 5 вы легко посчитаете трансформатор тока.

Ж) И последний пункт - это силовой дроссель. О нем чуть ниже.

Силовой дроссель и его расчет

Если кто-то внимательно читал мои статьи и у него отличная память, то он должен вспомнить статью 2 и фотографию № 5 , на ней видны 3 элемента моточных, которые мы используем. Еще раз покажу:

Рисунок 5 - Каркасы и сердечник для силовых моточных изделий

В данном модуле мы будем использовать опять таки наши любимые тороидальные кольца из распыленного железа, но только в этот раз не одно, а сразу 10! А как вы хотели? 3 кВт это вам не китайские поделки…

Исходные данные у нас есть:
1) Ток - 45А + 30-40% на амплитуду в дросселе, итого 58,5А
2) Напряжение на выходе 390-400В
3) напряжение на входе 85-265В AC
4) Сердечник - материал -52, D46
5) Зазор - распределенный

Рисунок 6 - И снова уважаемый Starichok51 экономит нам время и считает программкой CaclPFC

Я думаю расчет всем показал насколько это будет серьезная конструкция)) 4 кольца, да радиатор, диодный мост, да IGBT - ужас!
Правила намотки можно вычитать в статье «Часть 2». Вторичная обмотка на кольца мотается в количестве - 1 витка.

Итог по дросселю:

1) как вы видите количество колец аж 10 штук! Это накладно, каждое кольцо стоит около 140р, но что мы получим в замен в следующих пунктах
2) температура рабочая 60-70 о С - это совсем идеально, ведь многие закладывают рабочую температуру 125 о С. У себя на производстве 85 о С закладываем. Для чего это сделано - для спокойного сна, я спокойно уезжаю из дома на неделю и знаю, что у меня ничего не вспыхнет, не сгорит и все ледяное. Думаю цена за это в 1500р не такая смертельная, не так ли?
3) Плотность тока я поставил мизерную в 4 А/мм 2 , это повлияет и на тепло, и на изоляцию и соответственно на надежность.
4) Как видите по расчету емкость после дросселя рекомендована почти 3000 мкФ, так что мой выбор с 10 электролитами по 330 мкФ отлично сюда вписывается. Емкость конденсатора С1 получилась 15 мкФ, у нас двойной запас - можно уменьшить до 4-х пленочных кондеров, можно оставить 7 штук и это будет лучше.

Важно! Количество колец в основном дросселе можно уменьшить до 4-5, попутно увеличив плотность тока до 7-8 А/мм 2 . Это позволит неплохо сэкономить, но амплитуда тока вырастит несколько, а главное температура повысится не менее чем до 135 о С. Я считаю это хорошим решением для сварочного инвертора с ПВ 60%, но не для ИБП, который работает круглосуточно и наверняка в довольно ограниченном пространстве.

Что могу сказать - у нас растет монстр)))

Фильтр синфазных помех

Чтобы понять чем различаются схемы для данной фильтра на токи в 3А (упомянутый выше компьютерный БП) и на токи 20А, вы можете сравнить схемку из гугла на АТХ со следующей:


Рисунок 7 - Принципиальная схема фильтра синфазных помех

Несколько особенностей:

1) С29 - это конденсатор для фильтрации электромагнитных помех, имеет маркировку «Х1» . Его номинал должен быть в пределах 0,001 - 0,5 мФ.

2) Дроссель мотается на на сердечнике E42/21/20 .

3) Два дросселя на кольцах DR7 и DR9 мотаются на любом сердечнике из распыленки и диаметром более 20 мм. Я намотал на все тех же D46 из материала -52 до заполнения в 2 слоя. Шумов в сети даже при номинальной мощности практически нету, но это на самом деле даже в моем понимание избыточно.

4) Конденсаторы С28 и С31 по 0,047 мкФ и 1 кВ и их обязательно ставить класса «Y2».

По расчету индуктивности дросселей:

1) Индуктивность синфазного индуктора должна составлять 3,2-3,5 мГн

2) Индуктивность для дифференциальных дросселей рассчитывается по формуле:


Рисунок 8 - Расчет индуктивности дифференциальных дросселей без магнитной связи

Эпилог

Используя грамотные и профессиональные наработки инженеров компании ST, мне удалось с минимальными затратами изготовить если не идеальный, то просто отличный активный корректор коэффициента мощности с параметрами лучше чем у любого Шнайдера. Единственное вам обязательно стоит помнить насколько оно вам необходимо? И исходя из этого корректировать параметры под себя.

Моей целью в данной статье было как раз показать процесс расчета с возможностью корректирования исходных данных, чтобы каждый определившись с параметрами для своих задач уже сам посчитал и изготовил модуль. Надеюсь мне удалось показать это и в следующей статье я продемонстрирую совместную работу ККМ и зарядного устройства из части №5.

Вот уже продолжительное время наша лаборатория занимается тестированиями блоков питания стандарта ATX. Методика тестирования все это время непрерывно развивалась и совершенствовалась, преследуя сразу две цели – не только получить возможность объективно сравнивать различные блоки питания, но и делать это достаточно наглядно.

К сожалению, один из основных тестов нашей методики – измерение стабильности напряжений – никак не мог похвастаться наглядностью, ибо в нем практически для каждого блока использовались собственные паттерны нагрузок, что делало невозможным обсуждение и сравнение результатов разных блоков питания без постоянных ссылок на особенности примененных к ним паттернов. Иначе говоря, результаты каждого из блоков тащили за собой ворох условностей и оговорок – разумеется, сравнение в итоге было возможно, иначе бы вообще не было смысла проводить тестирование, однако прямое сравнение цифр или графиков, увы, этими оговорками весьма затруднялось.

Этой статьей я представляю Вам новую методику тестирования блоков питания, пришедшую на смену старому способу измерения стабильности напряжений и дающую крайне наглядный и при этом весьма точный и объективный результат, одинаково хорошо пригодный для сравнения разных блоков питания, как в конкретных цифрах, так и просто "на глаз", по внешнему виду получаемых графиков. За основу взята методика построения так называемых кросс-нагрузочных характеристик блоков питания, разработанная и примененная нашими коллегами из издания ITC Online , однако она была существенно доработана с целью еще большего повышения как информативности, так и наглядности.

Также в статье я более или менее подробно опишу различные аспекты работы компьютерных блоков питания, чтобы читателям, не разбирающимся в схемотехнике импульсных блоков питания, стало понятно, что означают и откуда берутся те или иные измеряемые в ходе тестирования параметры блоков питания. Те же из Вас, кто достаточно хорошо знаком с устройством и работой импульсных источников питания, могут сразу пролистать первые два раздела статьи до описания собственно используемого нами тестового оборудования и методики тестирования.

Линейные и импульсные источники питания

Как известно, электронный источник питания – это устройство, тем или иным способом решающее задачи изменения, управления или стабилизации поступающей в нагрузку электрической мощности.

Наиболее простым и до сих пор крайне широко применяющимся методом управления является поглощение избыточной мощности в управляющем устройстве, то есть банальное рассеивание ее в виде тепла. Источники питания, действующие по такому принципу, называются линейными.


Выше представлена схема подобного источника – линейного стабилизатора напряжения. Напряжение бытовой сети 220В понижается трансформатором T1 до необходимого уровня, после чего выпрямляется диодным мостом D1. Очевидно, что выпрямленное напряжение должно быть в любых условиях выше выходного напряжения стабилизатора – иначе говоря, необходима избыточная мощность; это следует из самого принципа работы линейного стабилизатора. В данном случае эта мощность выделяется в виде тепла на транзисторе Q1, который управляется некоторой схемой U1 так, чтобы выходное напряжение Uout находилось на требуемом уровне.

Такая схема имеет два существенных недостатка. Во-первых, низкая частота переменного тока в питающей сети (50 или 60Гц, в зависимости от страны) обуславливает большие габаритные размеры и массу понижающего трансформатора – трансформатор мощностью 200-300Вт будет весить несколько килограмм (не говоря уж о том, что в линейных стабилизаторах приходится применять трансформаторы на мощность вдвое большую, чем максимальная мощность нагрузки, ибо КПД линейного стабилизатора составляет около 50%, а трансформатор должен быть рассчитан на полную мощность, включая ту, что уйдет в тепло на самом стабилизаторе). Во-вторых, напряжение на выходе трансформатора должно во всех случаях превышать сумму выходного напряжения стабилизатора и минимального падения напряжения на регулирующем транзисторе; это означает, что в общем случае транзистору придется рассеивать весьма заметную избыточную мощность, что отрицательно скажется на КПД всего устройства.

Для преодоления этих недостатков были разработаны так называемые импульсные стабилизаторы напряжения, в которых управление мощностью происходит без рассеивания мощности в самом устройстве управления. В самом простейшем виде такое устройство можно представить как обычный ключ (роль которого может играть и транзистор), включенный последовательно с нагрузкой. В такой схеме средний протекающий через нагрузку ток зависит не только от сопротивления нагрузки и напряжения питания, но и от частоты переключению ключа – чем она больше, тем выше ток. Таким образом, меняя частоту переключения, мы можем регулировать средний ток через нагрузку, причем в идеале на самом ключе мощность не будет рассеиваться вообще – так как он пребывает только в двух состояниях: либо полностью открытом, либо полностью закрытым. В первом случае падение напряжения на нем равно нулю, во втором случае – нулю равен протекающий через него ток, а потом выделяемая на нем мощность, равная произведению тока на напряжение, также всегда равна нулю. В реальности, конечно, все немного иначе – в случае использования в качестве ключа транзисторов, во-первых, даже в открытом состоянии на них падает небольшое напряжение, во-вторых, процесс переключения происходит не мгновенно. Однако эти потери – следствие побочных явлений, и они намного меньше, чем выделяемая на устройстве управления линейного стабилизатора избыточная мощность.

Если сравнивать цифры, то КПД типичного линейного стабилизатора составляет 25...50%, в то время как КПД импульсного может превышать 90%.

Кроме того, если в импульсном стабилизаторе поставить ключ до понижающего трансформатора (очевидно, что, в общем-то, все равно, регулировать входное или выходное напряжение трансформатора – они неразрывно связаны друг с другом), то мы получаем возможность определять частоту работы трансформатора вне зависимости от частоты питающей сети. А так как габариты трансформатора уменьшаются с увеличением его рабочей частоты, то это позволяет использовать в импульсных стабилизаторах понижающие трансформаторы буквально игрушечных размеров по сравнению с их линейными аналогами, что дает колоссальный выигрыш в размерах готового устройства. Для примера, трансформатор на частоту 50Гц и мощность 100Вт весит чуть более двух килограмм, в то время как трансформатор на ту же мощность, но на частоту 35кГц весит всего лишь около 35 грамм. Это, разумеется, радикально влияет на габариты и массу всего источника питания - если посчитать отношение выходной мощности источника к его объему, то для импульсного источника питания, работающего на частоте в несколько десятков килогерц, оно составит примерно 4-5 Вт/куб. дюйм, в то время как для линейного стабилизатора этот показатель составляет всего лишь 0,3...1 Вт/куб. дюйм. Более того, с повышением частоты плотность мощности импульсного источника питания может доходить до 75 Вт/куб. дюйм, что совершенно недостижимо для линейных источников даже при водяном охлаждении (цифры даны по книге Ирвинга М. Готтлиба "Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы").

Кроме того, при таком исполнении импульсный стабилизатор значительно меньше зависит от величины входного напряжения – ведь чувствителен к этому в первую очередь понижающий трансформатор, а при включении ключа до него мы можем управлять напряжением и частотой его работы так, как надо нам. Соответственно, импульсные стабилизаторы абсолютно без особых проблем переносят уход напряжения питающей сети вплоть до 20% от номинала, в то время как у линейных добиться работы при пониженном напряжении сети можно лишь за счет дальнейшего снижения и без того невысокого КПД.

Помимо трансформатора, использование высокой частоты позволяет сильно (в десятки раз) уменьшить емкость и, соответственно, габариты сглаживающих конденсаторов (C1 и C2 на вышеприведенной схеме). Правда, это палка о двух концах – во-первых, далеко не все электролитические конденсаторы способны нормально работать на такой частоте, во-вторых, несмотря ни на что, в импульсном источнике питания технически весьма затруднительно получить размах пульсаций на выходе ниже 20 мВ, в то время как в линейных при необходимости без особых затрат уровень пульсаций может быть снижен до 5 мВ, и даже ниже.

Очевидно, что работающий на частоте в несколько десятков килогерц преобразователь является источником помех не только в собственную нагрузку, но и в питающую сеть, а также просто в радиоэфир. Поэтому, при проектировании импульсных источников питания необходимо уделять внимание как фильтру на его входе (вопреки распространенному мнению, он не столько защищает блок питания от внешних помех, сколько защищает другие устройства от помех, создаваемых этим блоком питания), так и электромагнитной экранировке самого блока питания, что в случае мощных блоков означает использование стального корпуса. Линейные блоки питания, как я отмечал выше, хоть и более чувствительны к внешним помехам, но сами никаких помех не создают, а потому не требуют никаких особых мер по защите окружающего оборудования.

Кроме того, импульсные источники питания требуют существенно более сложной (и, соответственно, дорогой) электроники, нежели их линейные собратья. Ценовое преимущество импульсных блоков очевидно для достаточно мощных изделий, где цена в первую очередь определяется стоимостью силового трансформатора и необходимого теплоотвода, а потому линейные источники с их большими габаритами и низким КПД оказываются в заведомом проигрыше; однако по мере удешевления компонентов импульсных блоков питания они все больше и больше теснят и маломощные линейные источники – так, уже не являются редкостью импульсные блоки питания мощностью в единицы ватт (например, зарядные устройства мобильных телефонов), хотя еще несколько лет назад на таких мощностях преимущества линейных источников были очевидны.

Если же говорить о задачах, в которых определяющим параметром являются габариты, то тут импульсные источники питания находятся вне конкуренции – при всех конструкторских ухищрениях, получить от линейного источника ту же плотность мощности, что и от импульсного, просто невозможно.

Блоки питания компьютеров

В настоящее время все используемые в компьютерах источники питания – импульсные. Обусловлено это тем, что для обеспечения разумных габаритов и тепловыделения необходимы плотность мощности и КПД, принципиально недостижимые для линейных блоков питания такой мощности – так, плотность мощности обычного ATX блока питания составляет 2...5 Вт/куб. дюйм (в зависимости от его выходной мощности), а КПД – не менее 68% при работе с максимальной нагрузкой.

Выше на рисунке приведена несколько упрощенная блок-схема типичного компьютерного блока питания. Ниже на примере блока Macropower MP-300AR показано типичное расположение компонентов в реальном блоке питания (в большинстве блоков других моделей никаких существенных отличий не будет):

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 необязательную (но все чаще встречающуюся в новых блоках) схему коррекции фактора мощности (PFC – Power Factor Correction). Подробнее о том, что такое PFC, и зачем он нужен, будет сказано ниже, сейчас мне хотелось бы подробнее остановиться на фильтре, ибо с ним связана пара вопросов, часто задаваемых пользователями.

Блок питания без PFC

На приведенной выше осциллограмме зеленый "луч" – сетевое напряжение, а желтый – потребляемый блоком питания от сети ток. При такой картине фактор мощности получается равен приблизительно 0,7 – то есть почти треть мощности лишь бестолку нагревает провода, не производя никакой полезной работы. И если для частных пользователей эта цифра не имеет большого значения, ибо квартирные электросчетчики учитывают лишь активную мощность, то для крупных офисов и вообще любых помещений, где одновременно работает множество компьютеров, низкий коэффициент мощности представляет собой заметную проблему, ибо вся электропроводка и сопутствующее оборудование должно рассчитываться исходя именно из полной мощности – иначе говоря, при коэффициенте мощности 0,7 оно должно быть на треть мощнее, чем могло бы быть, не потребляй блок питания реактивную мощность. Также сказывается низкий коэффициент мощности и при выборе источников бесперебойного питания – для них ограничением является опять же полная, а не активная мощность.

Соответственно, в последнее время все большую популярность приобретают устройства коррекции коэффициента мощности (PFC). Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC, представляющий собой обычный дроссель сравнительно большой индуктивности, включенный в сеть последовательно с блоком питания.

Блок питания с пассивным PFC

Блок питания с активным PFC

Как Вы видите, форма тока, потребляемого блоком питания с активным PFC, очень мало отличается от потребления обычной резистивной нагрузки – результирующий коэффициент мощности такого блока может достигать 0,95...0,98 при работе с полной нагрузкой. Правда, по мере снижения нагрузки коэффициент мощности уменьшается, в минимуме опускаясь примерно до 0,7...0,75 – то есть до уровня блоков с пассивным PFC. Впрочем, надо заметить, что пиковые значения тока потребления у блоков с активным PFC все равно даже на малой мощности оказываются заметно меньше, чем у всех прочих блоков.

Ниже на графике приведены результат экспериментального измерения зависимости коэффициента мощности от нагрузки на блок питания для трех блоков – без PFC вообще, с пассивным PFC и, наконец, с активным PFC.

Мало того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания. Во-первых, он дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока – мало того, что блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению, так еще и при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110...230В, не требующие ручного переключения напряжения сети. Во-вторых, использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения – в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя C1 и C2, а эта энергия пропорциональна квадрату напряжения на них; как я отмечал выше, при использовании активного PFC это напряжение достигает 400В против обычных 310В – следовательно, эффективность использования конденсаторов увеличивается более чем в два раза (из-за того, что запасенная в конденсаторах энергия вычерпывается далеко неполностью, эффективность растет еще быстрее, чем квадрат напряжения на конденсаторах).

Фактически, у активного PFC только два недостатка – во-первых, как и вообще любое усложнение конструкции, он снижает надежность блока питания, во-вторых, он также имеет КПД, отличный от 100%, а потому требует охлаждения (впрочем, с другой стороны, активный PFC несколько снижает потери во входном фильтре и в самом инверторе, так что общего падения КПД блока не происходит). Тем не менее, преимущества от использования активного PFC в абсолютном большинстве случаев перевешивают эти недостатки.

Итак, если Вы нуждаетесь в блоке с коррекцией фактора мощности, то обращать внимание надо в первую очередь на модели с активным PFC – только они обеспечивают действительно хороший коэффициент мощности, при этом еще и заметно улучшая прочие характеристики блока питания. С точки зрения домашних пользователей блоки с активным PFC окажутся полезными для владельцев маломощных UPS"ов: допустим, у Вас уже стоит UPS мощностью 500 ВА, из которых 50 ВА потребляет ЖК-монитор, а 450 ВА остаются на системный блок, и Вы собираетесь проапгрейдить последний до современного уровня – а достаточно серьезная современная конфигурация вполне может потреблять от блока питания при максимальной загрузке до 300 Вт. В таком случае, на блоке питания с коэффициентом мощности 0,7 и КПД 80% (это достаточно типичная цифра для хорошего блока) мы получим полную потребляемую от сети мощность 300/(0,75*0,8) = 500 ВА, а на таком же блоке с коэффициентом мощности 0,95 – соответственно, 300/(0,95*0,8) = 395 ВА. Как видите, в случае с блоком питания без PFC замена UPS"а на более мощный неминуема, иначе в случае отключения электричества в неподходящий момент нынешний просто не справится с нагрузкой, а в случае с блоком с активным PFC даже еще остается небольшой запас в 55 ВА. По-хорошему, конечно, в этом расчете надо учитывать еще и то, что на выходе недорогих UPS напряжение имеет не синусоидальную, а трапециевидную форму – однако при этом изменятся лишь абсолютные полученные цифры, преимущество же блока питания с активным PFC сохранится.

И в заключение этого раздела хотелось бы развеять один миф, связанный с PFC: многие пользователи путают коэффициент мощности и коэффициент полезного действия, в то время как это совершенно различные величины. КПД по определению равен отношению выходной мощности блока питания к потребляемой им от сети активной мощности, в то время как коэффициент мощности – отношению потребляемой от сети активной мощности к потребляемой от сети полной. Установка в блок питания схемы PFC влияет на потребляемую им активную мощность лишь опосредованно – за счет того, что сам PFC потребляет некоторую мощность, плюс изменяется входное напряжение основного стабилизатора; основной задачей PFC является уменьшение потребляемой блоком реактивной мощности, которая в расчете КПД никак не учитывается. Поэтому непосредственной связи между КПД и коэффициентом мощности – нет.

Стенд для тестирования блоков питания

Основной стенда для тестирования блоков питания в нашей лаборатории является полуавтоматическая установка, позволяющая устанавливать требуемую нагрузку на шины +5В, +12В, +3,3В и +5В дежурного режима испытуемого блока, одновременно измеряя соответствующие выходные напряжения.

Аппаратная часть установки базируется на 4-канальном ЦАП Maxim MX7226, к выходам которого подключены источники тока. Последние выполнены на операционных усилителях LM324D и мощных полевых транзисторах IRFP064N, установленных на радиаторы с принудительным воздушным охлаждением.

Каждый из транзисторов имеет предельную рассеиваемую мощность 200 Вт, а так как в каждом из наиболее мощных каналов нагрузки (+5В и +12В) используется по три таких транзистора, то установка позволяет тестировать любые существующие на данный момент ATX блоки питания, вплоть до самых мощных – даже с учетом снижения допустимой мощности рассеяния транзисторов по мере роста их температуры допустимая мощность нагрузки по каждому из каналов составляет не менее 400 Вт.

Для измерения установленных токов нагрузки и выходных напряжений тестируемого блока в установке используются два 4-канальных АЦП Maxim MX7824 – один АЦП отвечает за токи, другой – за напряжения.

Все управление установкой, начиная от включения тестируемого блока питания и заканчивая проведением всех возможных тестов, а также регистрация и обработка их результатов, осуществляется с компьютера по порту LPT. Специально для этих целей была написана программа, позволяющая как вручную устанавливать ток нагрузки независимо по каждой из шин, так и выполнять некоторые стандартные тесты блоков питания (например, построение кросс-нагрузочной характеристики, о чем будет сказано ниже) в полностью автоматическом режиме.

Помимо основной установки, для тестирования блоков также используются два вспомогательных приспособления. Во-первых, это генератор прямоугольных импульсов с частотой, дискретно изменяемой от 60 Гц до 40 кГц:

Генератор подключается к тестируемому блоку питания в виде нагрузки – с помощью переключателя можно выбирать, будет ли он подключен к шине +12В или же к +5В, в обоих случаях пиковый ток создаваемой им нагрузки составляет около 1,3 А. Это позволяет оценить, насколько хорошо тестируемый блок питания реагирует на сравнительно мощные импульсы нагрузки прямоугольной формы, следующие с частотами от десятков герц до десятков килогерц.

Во-вторых, для снятия осциллограмм потребляемого блоком питания тока и, одновременно, питающего сетевого напряжения используется обычный шунт на мощных проволочных резисторах суммарным сопротивлением около 0,61 Ом:

К этой плате при тестировании блока питания подключаются щупы цифрового двухканального осциллографа – один его канал фиксирует осциллограмму сетевого напряжения, а другой – осциллограмму потребляемого блоком питания тока. Далее полученные осциллограммы обрабатываются специально написанной для этого небольшой программой, сразу рассчитывающей все интересующие нас параметры – потребляемую им активную, реактивную и полную мощности и, соответственно, коэффициент мощности и КПД блока питания.

Для снятия осциллограмм используется цифровой двухканальный "виртуальный" осциллограф (виртуальность в данном случае означает, что этот осциллограф представляет собой устанавливаемую в компьютер плату и без компьютера, в отличие от обычных осциллографов, работать не может, ибо не обладает собственными аппаратными средствами управления и отображения информации) M221 производства словацкой компании ETC. Осциллограф имеет полосу пропускания аналоговой части 100 МГц, максимальную скорость оцифровки произвольного сигнала 20 млн. сэмплов в секунду и чувствительность от 50 мВ/дел до 10 В/дел. Помимо измерений КПД и коэффициента мощности тестируемых блоков питания, осциллограф используется для оценки размаха, формы и частотного состава пульсаций выходных напряжений блоков питания.

Для быстрой оценки токов и напряжений в процессе тестирования, а также для периодической проверки другого измерительного оборудования, в нашей лаборатории используется мультиметр Uni-Trend UT70D, позволяющий с очень хорошей точностью измерять токи и напряжения, в том числе и несинусоидальной формы, что очень важно при тестировании блоков питания без коррекции фактора мощности – многие измерительные приборы, не имеющие пометки "TrueRMS", не способны адекватно измерять переменные токи и напряжения, чья форма отличается от синусоиды.

Для измерения температуры внутри блока питания нами используется цифровой термометр Fluke 54 Series II с термопарами 80PK-1 и 80PK-3A (наименования всех моделей даны по каталогу Fluke). К сожалению, имеющийся у нас бесконтактный инфракрасный цифровой термометр показал неудовлетворительную точность измерений на блестящих металлических поверхностях (например, на алюминиевых радиаторах блоков питания), что и вынудило нас перейти на использование термопарного термометра.

Для измерения скоростей вентиляторов блоков питания используется оптический тахометр Velleman DTO2234. Он позволяет без малейших проблем проводить измерения скорости вентилятора в закрытом блоке питания, то есть без нарушения его естественного теплового режима – достаточно лишь наклеить на одну из лопастей вентилятора тоненькую полоску отражающего материала.

И, наконец, для обеспечения всех блоков питания одинаковым сетевым напряжением, вне зависимости от его суточных колебаний, а также для обеспечения возможности тестирования блоков при повышенном или пониженном напряжении питания они подключаются к сети через лабораторный автотрансформатор Wusley TDGC2-2000 с допустимой мощностью нагрузки до 2 кВт и пределами регулировки напряжения от 0 до 250В.

Методика тестирования блоков питания

Первым и наиболее важным тестом для любого блока питания является построение так называемой кросс-нагрузочной характеристики. Как я уже говорил в теоретической части статьи, каждое выходное напряжение блока питания зависит от нагрузки не только на соответствующую ему шину, но и от нагрузок на все остальные шины.

Стандартом ATX предусмотрены максимальные допустимые отклонения выходных напряжений от номинала – это 5% для всех положительных выходных напряжений (+12В, +5В и +3,3В) и 10% для отрицательных выходных напряжений (-5В и -12В, из которых, впрочем, в современных блоках осталось только последнее). Кросс-нагрузочной же характеристикой (КНХ) блока называется та область сочетаний нагрузок, при которой ни одно из выходных напряжений не выходит за допустимые рамки.

Строится КНХ в виде области на плоскости, где по горизонтальной оси координат отложена нагрузка на шину +12В, а по вертикальной – суммарная нагрузка на шину +5В и +3,3В. При построении КНХ установка для тестирования блоков питания в полностью автоматическом режиме меняет нагрузку на эти шины с шагом в 5 Вт и, если все выходные напряжения блока на данном шаге уложились в заданные рамки, ставит на плоскости точку, цвет которой – от зеленого до красного – соответствует отклонению каждого из напряжений в данной точке от номинала. Так как используемая нами установка контролирует три основных выходных напряжения, то для каждого блока питания получаются, соответственно, три графика (для каждого из напряжений), на которых одна и та же область будет закрашена разными цветами. Форма области на всех трех одинакова, так как она определяется не для каждого из напряжений в отдельности, а для всех вместе, и выход за допустимые границы любого из напряжений означает, что соответствующей точки не будет на графиках для всех напряжений; закраска же области различна потому, что строится индивидуально для каждого из напряжений. Ниже приведен пример КНХ для блока Macropower MP-360AR Ver. 2, раскрашенная в соответствии с отклонениями напряжения +12В (в статьях я буду приводить анимированные картинки, в которых по очереди будут показываться все три напряжения, текущее напряжение указывается в верхнем правом углу графика, над цветовой шкалой):

На этом графике каждая точка строго соответствует одному шагу измерений, причем для удобства в процессе измерений точки, в которых напряжения вышли за допустимые рамки, обозначаются серым цветом и меньшим размером – это необходимо для удобства экспериментатора, наблюдающего за ходом измерений в реальном времени. После окончания измерений полученные данные обрабатываются с помощью билинейной интерполяции – так вместо отдельных точек получается более удобная для восприятия закрашенная область с четкими краями:

Итак, что мы видим на этом графике? Протестированный блок питания замечательно справляется с нагрузкой по шине +12В – он способен выдавать положенные напряжения при максимальной нагрузке по этой шине и всего лишь 5Вт по шине +5В (5Вт – это типичное начальное значение при наших измерениях; для мощных блоков, нестабильно работающих при столь незначительных нагрузках, оно увеличивается до 15 Вт или 25 Вт).

Ровная вертикальная граница в правой нижней части графика означает, что здесь блок дошел до предела мощности шины +12В (для данного блока она составляет 300Вт), и установка не стала увеличивать ток нагрузки дальше во избежание выхода блока питания из строя. Выше вертикальная граница переходит в наклонную (правый верхний угол графика) – это область, где установка дошла до предельной мощности блока питания (в данном случае она составляет 340Вт), а потому по мере увеличения нагрузки на +5В вынуждена была снижать нагрузку на +12В, чтобы опять же предотвратить выход блока питания из строя или срабатывание его защиты.

Продолжаем обходить контур против часовой стрелки. В верхней части графика наклонная линия переходит в ровную горизонтальную – это область, где установка достигла предельно допустимой нагрузки по +5В, а потом не стала более увеличивать мощность по этой шине, хотя блок питания выдавал напряжения в пределах нормы.

И, наконец, в левой верхней части графика мы видим неровную наклонную линию, которая явно не объясняется пределом по мощности – ведь нагрузка по +12В в этой области слишком мала. Зато эта линия прекрасно объясняется красным цветом графика – при большой нагрузке по +5В и малой по +12В напряжение по шине +12В достигло 5% отклонения, тем самым обозначив границу КНХ.

Таким образом, по этому графику можно сказать, что данный блок питания хорошо держит уровень выходных напряжений и позволяет без проблем получить от него заявленную мощность, но будет предпочтителен для наиболее современных систем с питанием как процессора, так и видеокарты от +12В, ибо перекос нагрузки в сторону этой шины воспринимает лучше, нежели перекос в сторону шины +5В.

Для сравнения давайте посмотрим на КНХ существенно более дешевого блока питания – L&C LC-B300ATX с заявленной мощностью 300Вт. График в данном случае опять же построен только для напряжения +12В:

Отличия от MP-360AR сразу же бросаются в глаза. Во-первых, нижняя линия контура уже не горизонтальная – в правой части она начинает уходить вверх, причем по красному цвету видно, что это было вызвано не только выходом за пределы напряжения +5В (что бывает достаточно часто при большой нагрузке по +12В), но и проседанием напряжения +12В. Во-вторых, на контуре нет верхней горизонтальной "полки", верхняя точка графика соответствует нагрузке по +5В около 150Вт – а это означает, что обещанные производителем по этой шине максимальные 180Вт на практике получить невозможно в принципе, ни при каких комбинациях нагрузок. В-третьих, несмотря на более высокую заявленную мощность по шинам +5В и +3,3В по сравнению с MP-360AR (180Вт против 130Вт), хорошо видно, что наклонная линия в левой верхней части графика у MP-360AR начиналась на мощности нагрузки по +5В более 80 Вт, в то время как у LC-B300 – всего лишь около 50 Вт. Это означает, что, несмотря на формально заявленную большую мощность по шине +5В у LC-B300 по сравнению с MP-360AR, на практике во многих случаях получить большую реальную мощность по этой шине удастся как раз от блока производства Macropower.

Думаю, внимательные читатели уже заметили, что, если построить оба графика в одинаковом масштабе, КНХ блока от Macropower окажется по сравнению с КНХ блока от L&C сильно вытянута вдоль оси +12В. Объясняется это тем, что эти два блока относятся к разным версиям стандарта ATX/ATX12V Power Supply, в которых предпочтительным считалось разное распределение нагрузки между шинами блока питания. Для сравнения ниже на рисунке нанесены КНХ, которыми, по мнению Intel (как составителя всего семейства стандартов ATX) в разные годы должны были обладать блоки питания:

Как видите, изначально стандарт ATX предполагал потребление в основном от шин +5В и +3,3В – и действительно, практически вся начинка компьютера питалась от этих напряжений, на +12В заметную нагрузку создавала разве что механика винчестеров и оптических приводов.

Однако со временем ситуация стала меняться – процессоры становились все мощнее, и питание их от +5В создавало целый ряд проблем для разработчиков материнских плат. Во-первых, на тот момент уже было ясно, что рост энергопотребления процессоров продолжится и дальше, что приведет к большому потребляемому току по +5В, а потому возникнет проблема с подведением таких токов к материнской плате – стандартный разъем может просто не справиться. Во-вторых, разъем питания материнской платы придется либо втискивать рядом с VRM процессора, либо же тащить от него через всю плату к VRM шину, рассчитанную на большие токи, что опять же затруднительно...

В связи с этим Intel предложил стандарт ATX12V, согласно которому процессор должен питаться от шины +12В – очевидно, что при той же мощности потребления это означает в 2,4 раза меньший ток. Однако, так как в основном разъеме ATX всего один провод +12В, пришлось ввести дополнительный 4-контактный разъем ATX12V... впрочем, этим Intel убил сразу двух зайцев – не только заранее решил проблему обгорания контактов разъема из-за слишком больших токов нагрузки, но и упростил для производителей материнских плат дизайн PCB, ибо расположить маленький 4-контактный разъем непосредственно рядом с VRM намного проще, чем больше 20-контактный.

К сожалению, компания AMD не поддержала инициативу Intel, а потому многие владельцы материнских плат под Socket A, из которых даже среди имеющихся в продаже в данный момент 20-25% все еще не имеют разъема ATX12V, в полном объеме испытали проблемы, о которых Intel говорил еще четыре года назад – с появлением мощных процессоров под эту платформу появились и первые сообщения и об обгорающих контактах блока питания, и о сильном перекосе его выходных напряжений (как Вы видите из приведенных выше КНХ, даже дешевые блоки лучше справляются с нагрузкой по +12В)...

Фактически единственный технический минус от внедрения ATX12V – некоторое уменьшение КПД VRM, ибо КПД любого импульсного преобразователя с увеличением разницы между входным и выходным напряжениями уменьшается. Впрочем, это с лихвой компенсировалось увеличением КПД собственно блока питания – как и для разработчиков материнских плат, для разработчиков блоков питания решение ориентироваться на основное потребление по шине +12В сильно упростило дизайн блоков.

Как Вы видите из графиков, версии ATX12V до 1.2 включительно отличались от обычного ATX лишь увеличенным допустимым потреблением по шине +12В. Более серьезные изменения произошли в версии 1.3 – в ней впервые за все время развития компьютерных блоков питания требуемая допустимая нагрузка по шине +5В уменьшилась , при этом нагрузка по шине +12В увеличилась еще больше – фактически началась адаптация блоков питания к наиболее современным системам, в которых все меньше потребителей остается на шине +5В (процессоры давно уже питаются от +12В, а сейчас за ними последовали и видеокарты). В отличие от предыдущих моделей, ATX12V 1.3 блок питания уже не обязан поддерживать стабильные напряжения при большой нагрузке на +5В и малой – на +12В.

И, наконец, последней версией на сегодняшний день является ATX12V 2.0. Как нетрудно заметить, в ней мощность блока питания по шине +5В уменьшилась еще сильнее – теперь она составляет всего 130Вт; зато сильно выросла допустимая мощность нагрузки по +12В. Кроме этого, блоки ATX12V 2.0 приобрели 24-контактный разъем питания материнской платы вместо старого 20-контактного – если четыре года назад старого разъема перестало хватать для питания процессора, в связи с чем был придуман ATX12V, то теперь допустимого тока разъема не хватает уже для питания PCI Express карт. Также в блоках ATX12V появилось два источника +12В, но на самом деле внутри блока они являются одним источником, раздельные лишь ограничения тока срабатывания защиты – согласно требованиям безопасности по стандарту IEC-60950, на шине +12В не допустимы токи более 20А, поэтому и приходится разбивать эту шину на две части. Впрочем, производители в случаях, когда соответствие этому стандарту не требуется, могут просто не устанавливать соответствующую схему – тогда ATX12V 2.0 блок питания с токами по шинам +12В, скажем, 10А и 15А, можно спокойно рассматривать как блок питания с одной шиной +12В с током 25А.

Итак, если возвращаться к рассмотренным выше блокам, то можно сказать, что MP-360AR Ver. 2 соответствует стандарту ATX12V 2.0, а LC-B300 – стандарту ATX12V 1.2, отсюда и такая разница в их КНХ. Впрочем, причина, конечно, не только в формальном соответствии разным версиям стандарта – вспомните, как я сетовал на то, что от LC-B300 на практике невозможно получить заявленную мощность по +5В... а теперь давайте наложим на его график рекомендуемую Intel КНХ для 300-ваттных ATX12V 1.2 блоков:

Как Вы видите, блок попросту не вписывается в требования стандарта для 300-ваттных моделей по допустимой нагрузке на +5В, поэтому рассматривать его как 300-ваттный можно разве что с оговоркой, что ватты эти не слишком честные. Для сравнения можно посмотреть на график того же MP-360AR, но уже с рекомендуемой КНХ для 350-ваттных ATX12V 2.0 блоков:

Как Вы видите, соответствие практически идеальное. Думаю, комментарии относительно сравнительного качества этих двух блоков излишни.

Вообще говоря, соответствовать весьма жестким требованиям Intel к КНХ достаточно непросто – есть не столь много блоков, которые могут этим похвастаться, однако и столь грубое нарушение рекомендаций, как в случае с LC-B300, встречается нечасто.

Относительно же расцветки КНХ можно сказать, что идеалом, конечно, является равномерный зеленый цвет... впрочем, идеал, как известно, обычно недостижим. Достаточно нормальна ситуация, когда каждое напряжение, кроме достаточно стабильного +3,3В, проходит весь диапазон от зеленого или желто-зеленого цвета у одного края графика до красного у другого, бывает также, что зеленого цвета на КНХ нет вообще – это означает, что напряжение было изначально завышено. Самое же плохой является ситуация, когда какое-либо напряжение проходит весь диапазон цветов дважды – от красного у одного края через зеленый в середине до красного у другого края КНХ. Такая ситуация, например, видна у рассмотренного выше LC-B300 и означает, что на одном краю КНХ напряжение сильно просело (очевидно, что при маленькой нагрузке на +5В и большой на +12В последнее может только просесть), а на другом краю – наоборот, сильно выросло; иначе говоря, его стабильность очень сильно оставляет желать лучшего...

И, под завершение описания КНХ, приведу пример идеального блока питания. Выше я уже мимоходом упоминал о блоках питания Antec и OCZ с раздельными вспомогательными стабилизаторами на каждой из основных шин, ниже я предлагаю Вашему вниманию экспериментально измеренную КНХ блока OCZ Technology PowerStream OCZ-470ADJ (это уже полноценная картинка со всеми тремя напряжениями, период смены кадров – 5 сек.):

Как Вы видите, мало того, что весь контур КНХ определяется только допустимой максимальной нагрузкой блока питания, так ни одно напряжение даже не приблизилось к 5-процентному отклонению. К сожалению, пока что такие блоки питания сравнительно дороги...

Разумеется, построением КНХ испытания блоков питания не заканчиваются. Во-первых, все блоки проверяются на стабильность работы при постоянной нагрузке от нуля до максимальной с шагом 75 Вт. Таким образом выясняется, способен ли блок вообще выдержать полную нагрузку.
Во-вторых, по мере увеличения нагрузки измеряется температура диодных сборок блока и скорость вращения вентилятора, которая практически во всех современных блоках питания так или иначе зависит от температуры.

К результатам измерений температуры, впрочем, стоит относиться с некоторым скепсисом – у большинства блоков питания разные конструкции радиаторов и расположение диодных сборок на них, а потому измерения температуры имеют довольно большую погрешность. Тем не менее, в критических случаях, когда блок питания оказывается на грани смерти от перегрева (а такое иногда случается в наиболее дешевых моделях), показания термометра могут оказаться интересными – так, в моей практике были блоки, в которых под полной нагрузкой радиаторы разогревались выше сотни градусов.

Более интересны измерения скорости вращения вентиляторов – несмотря на то, что все производители заявляют их температурную регулировку, практическая реализация может очень сильно отличаться. Как правило, для блоков нижнего ценового диапазона начальная скорость вентилятора уже составляет порядка 2000...2200 об./мин. и по мере прогрева меняется лишь на 10...15%, в то время как для качественных блоков начальная скорость может составлять всего лишь 1000...1400 об./мин., при прогреве на полной мощности увеличиваясь в два раза. Очевидно, что если в первом случае блок питания будет шумным всегда, то во втором пользователи не слишком мощных систем, слабо нагружающих блок питания, могут рассчитывать на тишину.

Также при работе блока питания на полной мощности проводятся измерения размаха пульсаций его выходных напряжений. Напомню, что, согласно стандарту, размах пульсаций в диапазоне до 10 МГц не должен превышать 50 мВ для шины +5В и 120 мВ для шины +12В. На практике на выходе блока могут присутствовать заметные пульсации двух частот – около 60 кГц и 100 Гц. Первая является результатом работы ШИМ-стабилизатора блока (обычно его частота около 60 кГц) и присутствует в той или иной мере на всех блоках питания. Ниже приведена осциллограмма достаточно типичных пульсаций на частоте работы ШИМ, зеленым цветом – шина +5В, желтым – +12В:

Как Вы видите, здесь именно тот случай, когда пульсации на шине +5В вышли за допустимые пределы в 50 мВ. На осциллограмме видна именно классическая форма таких пульсаций – треугольная, хотя в более дорогих блоках питания моменты переключения обычно сглаживаются стоящими на выходе дросселями.

Вторая же частота – это удвоенная частота питающей сети (50 Гц), проникающая на выход обычно из-за недостаточной емкости конденсаторов высоковольтного выпрямителя, ошибок в схемотехнике или же неудачного дизайна силового трансформатора или печатной платы блока. Как правило, эти колебания (в статьях они приводятся с временной разверткой 4 мс/дел) наблюдаются у многих блоков нижнего ценового диапазона и достаточно редко встречаются у моделей среднего класса. Размах этих пульсаций растет пропорционально нагрузке на блок питания и в максимуме также иногда может выходить за допустимые рамки.

Также к блоку питания при нагрузке 150 Вт подключается уже упоминавшийся выше в предыдущем разделе статьи генератор прямоугольных импульсов, после чего с помощью осциллографа измеряется амплитуда импульсов на другом проводе блока питания, то есть не на том, к которому подключен генератор. Таким образом проверяется общая реакция блока на подобную импульсную нагрузку, и, в частности, то, насколько хорошо он будет подавлять помехи от каждого из подключенных к нему устройств. Впрочем, из-за наличия резких всплесков напряжения в моменты переключения генератора точность измерения не слишком высока, однако иногда и из этих измерений можно сделать интересные выводы.

И, наконец, измерения КПД и коэффициента мощности блоков. Пожалуй, это наименее важный и интересный раздел – как показал опыт, эти параметры достаточно близки для различных блоков, а так как для абсолютного большинства пользователей они не имеют никакого значения, так как небольшие их колебания не оказывают никакого влияния на работу компьютера (а больших колебаний среди разных моделей однотипных блоков не наблюдается), то измерения проводятся только в достаточно редких случаях. Так, коэффициент мощности измеряется для блоков, для которых заявлена его коррекция, а КПД – либо заодно с коэффициентом мощности (фактически значение КПД получается автоматически, для этого не требуется дополнительных измерений), либо если по той или иной причине возникают подозрения, что у данного блока он выходит за допустимые рамки, что бывает крайне редко.

Хотелось бы также под конец сказать о том, что я не измеряю и измерять не буду, несмотря на наличие потенциальной возможности. Я весьма негативно отношусь к тестам, в которых измеряется абсолютно максимальная выдаваемая блоком питания мощность – когда в ходе теста нагрузка на блок повышается до момента срабатывания защиты или же просто сгорания блока. Такие тесты дают слишком сильный разброс результатов не только в зависимости от конкретного экземпляра блока, но и в зависимости от того, как именно экспериментатор его нагружает – то есть как распределяется нагрузка по шинам блока. Кроме того, для нормального функционирования компьютера нужна не некая номинальная способность блока питания держать такую-то мощность, а способность выдавать напряжения и пульсации в пределах установленного стандартом допуска, на что в таких тестах, к сожалению, внимание обычно не обращается. Поэтому получаемые в подобных тестах цифры хоть и весьма красивы, но, увы, имеют не слишком много отношения к реальности.

Итак, разработанная нами на данный момент методика тестирования блоков питания позволяет не только весьма детально исследовать поведение блока питания, но и наглядно сравнить различные блоки питания – и особенно наглядным это стало благодаря построению кросс-нагрузочных характеристик, по которым можно весьма объективно и без дополнительных оговорок сказать, что из себя представляет тот или иной блок.

Articles

За и против блока питания с активным PFC

Стабильная работа компьютера напрямую зависит от качественного напряжения которое мы подпитываем его. Поскольку многим из нас не подвластно контролировать качество напряжения в сети, но зато мы можем с помощью добротного блока питания подстраховать нас от нежелательных проблем.
Итак, современные многоядерные процессоры, видеокарты (уже модно стало ставить их парами), различные USB-приборы (зачастую запитывающиеся от компьютера) вынуждают нас приобретать все более мощные блоки питания (БП). А между тем, практически все современные БП уважаемых брэндов с мощностью от 450 Вт оснащаются устройствами коррекции коэффициента мощности (PFC - Power Factor Correction ).

Что такое PFC и что нам от этого?

Пассивный RFC

Является наиболее простым и распространенным, и представляет собой обычный дроссель большой емкости (и размеров), включенный последовательно с блоком питания. Надо сказать, что проблему он практически не решает, а места занимает много.

Активный PFC

Представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение. Результирующий коэффициент мощности такого блока может достигать 0,95...0,98 при работе с полной нагрузкой.
Помимо того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, он еще и улучшает работу блока питания - дополнительно стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора блока: блок становится заметно менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению.
Также при использовании активного PFC достаточно легко разрабатываются блоки с универсальным питанием 110...230В, не требующие ручного переключения напряжения сети.
Также использование активного PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных (доли секунды) провалов сетевого напряжения - в такие моменты блок работает за счет энергии конденсаторов высоковольтного выпрямителя. Ещё одним преимуществом использования активного PFC является более низкий уровень высокочастотных помех на выходных линиях, то есть такие БП рекомендуются для использования в ПК с периферией, предназначенной для работы с аналоговым аудио/видео материалом.

Одним словом, все говорит в пользу использования БП с активным PFC - именно он и обеспечит тот высококачественный бензин для наших компьютеров!
Скрытая проблема о котором и не догадывались: ИБП для БП с активным PFC

Вот, купили вы компьютер - не пожалели денег на блок питания и все такое. Работаете, играете, все в порядке - душа радуется. К сожалению не все так легко и просто как нам хотелось бы, так как сеть у нас не идеальная, то мы будем иметь дело со скачками и провалами электричества.
Ну, тут все просто, - скажете вы. Покупайте ИБП (Источник Бесперебойного Питания - бесперебойник), втыкай в него монитор и системный блок, и всегда успеешь сделать Shut Down (Отключение) своей Винде. Главное - чтобы мощность ИБП (он же UPS - Uninterruptible Power Supply) coответствовала мощности блока питания компьютера плюс потребляемая мощность монитора.
Но дело в том, что эксплуатация БП с активным PFC совместно с дешёвыми ИБП, выдающими ступенчатый сигнал при работе от батарей, может приводить к сбоям в работе компьютера, поэтому производители рекомендуют использовать в таких случаях ИБП класса Smart, всегда подающие на выход синусоидальный сигнал.
Есть еще один нюанс. Все ИБП грубо делятся на резервные, линейно-интерактивые и непрерывного действия (OnLine). Для первых двух время переключения питания с внешней сети на батареи составляет несколько миллисекунд, и этого в случае обычных блоков питания оказывается достаточно. А вот БП с активным PFC при исчезновении питания мгновенно и резко увеличивает потребление электричества в несколько раз. При этом ваш бесперебойник либо отключается, либо сгорает, а компьютер аварийно обесточивается со всеми вытекающими аппаратными, программными и финансовыми последствиями.

Есть 4 варианта выхода из сложившейся ситуации:

Раз уж вы приобрели классный блок питания с активной компенсацией мощности, а электричество у вас часто пропадает или просто скачет (как и везде в нашей стране, где электросети не рассчитаны на всеобщую компьютеризацию), и существование без бесперебойника радостным не назовешь, тогда выбирайте способ решения проблемы сами.

1. Самый дешевый (но не всегда приемлемый). Поменять БП на другой, без активной PFC.

2. Обходиться без UPS . Это чревато тем, что может сгореть материнка (финансовые затраты), может слететь система (затраты времени на ее переустановку), но хуже всего, что может накрыться винт, и вся ваша работа может накрыться медным тазом прямо перед сдачей заказчику.

3. Самый верный выход (не из дешевых, затраты - от 300 у.е.). Покупка ИБП непрерывного действия (OnLine). В таких источниках бесперебойного питания применяется технология двойного преобразования напряжения, что обеспечивает превосходную защиту, как обычных компьютеров, так и серверов.

Механизм двойного преобразования напряжения позволяет устранить все помехи, возникающие в сети электропитания. Выпрямитель преобразует переменное напряжение электросети в постоянное. Постоянное напряжение используется для зарядки батарей и питания инвертора. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное (с сигналом синусоидальной формы), которое непрерывно питает компьютер.
При отсутствии напряжения в сети питание инвертора осуществляется при помощи батарей, таким образом, компьютер не останется без электричества ни на мгновение!

4. Тоже выход . Не дешевле предыдущего, но более громоздкий - это покупка линейно-интерактивного ИБП типа Smart (с синусоидой на выходе) с запасом по мощности в 3-5 раз (это обязательное условие!). Стоить он будет в тех же пределах, что и OnLine, но весить будет гораздо больше! Да и вентилятор в нем будет помощнее (и погромче).
Вот такие мины заложил мир компьютеров в кошельки наивных пользователей:))) Может вы, уважаемый читатель, думаете, что мы преувеличиваем проблему? - Отнюдь. Вот и на сайтах уважаемых производителей UPS (например, АРС) так об этом и пишут - не работают, мол, резервные и линейно-интерактивные ИБП с активными PFC!

Немного о мощности

Не беспокойтесь, для понимания, как это работает, вам не потребуются университетские знания физики. Мы просто объясним, чем отличается хороший блок питания от плохого. Если вы знаете основные принципы работы, то вряд ли совершите неудачную покупку. Итак, идём дальше.

Реактивный ток и реактивная мощность

Одна из важных проблем, касающихся энергопотребления при использовании импульсных источников питания - это "реактивный" ток, вызванный индуктивностью. Обратите внимание, что потребляемая мощность в режиме ожидания не имеет ничего общего с режимом простоя. Кроме того, нагрузка в этом случае никак не пересекается с энергопотреблением при полной нагрузке, однако использует те же компоненты. Реактивную мощность нужно существенно снижать (в лучшем случае её вообще быть не должно), чтобы она не приводила к потере энергии на сопротивлении, которая будет выделяться в виде тепла. Подобное бесполезное потребление энергия должна уменьшаться практически до нуля внутренними цепями импульсных блоков питания.

Эффективная мощность и полная мощность

Эффективная мощность противоположна реактивной в том, что она отражает реальное энергопотребление. Полная мощность представляет собой сумму активной и реактивной мощностей.

Коэффициент мощности

Этот показатель высчитывается как отношение между эффективной мощностью и полной мощностью и находится в промежутке между 0 (худший результат) и 1 (идеальный результат). Итак, при покупке блока питания вам нужно убедиться, что у него высокий коэффициент мощности: это один из ключевых показателей качества для блоков питания.

Active PFC

Active Power Factor Correction (PFC) означает активную коррекцию коэффициента мощности. Коэффициент мощность является важной характеристикой для блока питания, поскольку он отражает соотношение между активной и полной мощностями.

Преимущества:

• Идеальной можно считать активную мощность около 99%;
• Высокая эффективность (при низких нагрузках уже меньше);
• Очень стабильная подача питания;
• Меньшее энергопотребление;
• Меньшее тепловыделение;
• Меньший вес.

Недостатки:

• Стоит дороже;
• Большая вероятность выхода из строя.

Passive PFC

С помощью пассивной коррекции коэффициента мощности реактивные токи можно снижать, используя крупные катушки индуктивности. Подобный способ проще и дешевле, но он не самый эффективный.

Преимущества:

• Стоит дешевле;
• Отсутствие электромагнитных помех.

Недостатки:

• Требуется лучшее охлаждение;
• Не подходит для высоких нагрузок;
• Высокое энергопотребление (потери энергии);
• Тяжелее;
• Низкая активная мощность (примерно от 70% до 80%).

Как определить эффективность блока питания?

Основные принципы, правила и положения

Одним из ключевых показателей эффективности блока питания является, соответствует ли он стандартам Energy Star 5.0 и 80 PLUS. Последний будет приоритетным для вычислительной техники и является стандартом, признанным повсеместно в мире. Кроме того, если речь идёт о европейских странах, то нужно также проверить соответствие стандартам CE и ErP.

Блоки питания стандарта 80 PLUS являются более эффективными.

Принципы и спецификации, естественно, влияют на эффективность и на качество питания. Блок питания, отмеченный сертификатом 80 PLUS, будет соответствовать определенным требованиям, что устанавливается посредством набора тестов. Мы хотели бы упомянуть, что условия стрессового тестирования 80 PLUS не соответствуют напрямую спецификации ATX, при этом они выполняются в условиях американских электрических сетей питания, работающих с меньшим напряжением. В условиях России и Европы, с сетями 230 В, эффективность блоков питания 80 PLUS будет чуть выше, чем в США.

Концепция 80 PLUS была расширена: сейчас она подразумевает несколько уровней эффективности, Platinum, Gold, Silver и Bronze, и спецификации каждого из этих стандартов имеют собственный набор требований. Таким образом, блок питания стандарта "80 PLUS Platinum" или "80 PLUS Gold" будет более эффективным, чем обычный блок питания. В то же время, эти блоки питания и стоят дороже.

По таблице ниже можно проследить, как уровень спецификации устройства влияет на его работу при заданной нагрузке, и оценить каждый конкретный уровень спецификации.

	Эффективность при нагрузке 20%	Эффективность при нагрузке 50%	Эффективность при нагрузке 100%
80 Plus	80,00%	80,00%	80,00%
80 Plus Bronze	82,00%	85,00%	82,00%
80 Plus Silver	85,00%	88,00%	85,00%
80 Plus Gold	87,00%	90,00%	87,00%
80 Plus Platinum	90,00%	92,00%	89,00%

Потребление энергии выключенного компьютера

При выключении компьютера? блок питания, как правило, продолжает работать. Это необходимо для поддержки некоторых функций, как Wake-on-LAN. Блок питания будет тратить некоторое количество мощности даже тогда, когда компьютер выключен. Современные блоки питания, особенно те, которые продаются в Европе, согласно заявлениям производителей, тратят не более 1 Вт в таком режиме. Если для вас действительно важна экономия, то такое решение будет правильным.

СОДЕРЖАНИЕ