Что повлияло на создание новых стандартов блоков питания

Обновлено: 06.07.2024

Компьютерные блоки питания довольно неординарная тема для данной рубрики. В отличие от остального железа, историю компьютерных питателей никто никогда не отслеживал, ибо вид этот эволюционировал довольно медленно, не принципиально и особого интереса не представлял. Однако сегодня, оглянувшись назад на эволюцию компьютерных БП, можно отметить множество интересных деталей.

Предки

Какими были блоки питания первых компьютеров, история умалчивает, однако можно с уверенностью сказать, что они представляли собой целые подстанции, ведь чтобы прокормить лампового монстра размером со здание, нужно море энергии. Для получения требуемых напряжений использовались огромные трансформаторы с сердечником из стальных пластин и медными обмотками. Эти устройства были простыми и надежными, но имели один недостаток: чтобы получить выходное напряжение 12 вольт и мощность 300 ватт, нужен трансформатор 10-15 килограммов весом. Для линии 3.3 В придется добавить трансформатор весом еще в 5 кг.

Трансформатор весит немало.

С течением времени компьютеры и их энергопотребление постоянно уменьшались. Вероятнее всего, первый качественный скачок в компьютерном БП-строении произошел во время появления первого полностью полупроводникового компьютера TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer) компании BELL Labs в 1955 году, который содержал в себе около 800 транзисторов и 10000 диодов, потребляя при этом менее 100 ватт энергии. Этот компьютер называли «Летающим TRADIC’ом», так как он устанавливался на стратегические бомбардировщики ВВС США Б-52. Естественно, что вес устройства для самолета должны были уменьшить максимально.

Первый стандарт

Первые унифицированные блоки питания (потомки которых стоят сегодня в наших компьютерах), получившие широкое распространение, появились вместе с первым компьютером IBM-PC на основе процессора 8086 в 1976 году. Данные БП имели совершенно различный внешний вид, каждый производитель делал корпуса блоков по-своему, в зависимости от конструкции кузова компьютера. Часто доходило до того, что блок питания был собран не на единой печатной плате, а состоял из нескольких модулей, размещенных в одном большом корпусе, для чего это делалось, до сих пор не ясно, возможно, из каких-то соображений безопасности. Однако о начинке этого не скажешь.

Идея импульсного блока питания заключается в том, что мы преобразуем ток не в том виде, в каком он поступает из сети (в обычном трансформаторе первичная обмотка рассчитана на сетевое переменное напряжение), а сперва выпрямляем его, преобразуем при помощи генератора в высокочастотные прямоугольные импульсы и после этого подаем на трансформаторы. Чем выше частота импульсов, тем ниже требования к габаритам сердечника, который может быть выполнен уже не из стали, а из ферромагнитных сплавов. Напряжение на первичной обмотке трансформатора используется для обратной связи с генератором импульсов, благодаря чему блок питания может поддерживать стабильное выходное напряжение. Импульсные блоки питания обладают сравнительно маленьким весом и габаритами, высоким КПД, могут выдавать большую пиковую мощность, но в их преимуществах кроются их недостатки: они не могут работать без нагрузки и не имеют гальванической развязки с сетью, из-за чего в случае выхода силовых элементов из строя на компоненты ПК поступит очень высокое напряжение и они сгорят.

Схемотехника тех, первых питальников была весьма близка к современной. Помимо стандартных молексов, они имели разбитую на две части колодку, предназначенную для подключения БП к материнской плате. В то время (впрочем, «то время» продолжалось вплоть до начала производства БП стандарта ATX в 1995-1996 годах) производители не учитывали патологическую криворукость большинства юзеров, поэтому обе части колодки были полностью одинаковые. Естественно, юзеры часто путали колодки местами, в результате чего сжигали материнскую плату, при этом сжигание проходило порой весьма зрелищно, с огнем, дымом и спецэффектами. Первые модификации имели мощность порядка 75 – 150 ватт.

Блок питания IBM PC/XT.

Чуть позже, с выходом 286 процессора и платформы АТ (Advanced Technology) в 1984 году и ее модификации Baby AT – в 1995, появилась новая модификация блоков питания с соответствующим названием, которая имела незначительные схематические изменения, не позволявшие, тем не менее, подключать блоки питания от XT к AT, несмотря на их полную механическую совместимость. Данная модификация компьютерных питателей оставалась неизменной очень долго, вплоть до внедрения блоков питания нового стандарта ATX.

Блоки нового поколения были разработаны как замена устаревшему стандарту AT в 1995 году, тем не менее, окончательное вытеснение AT произошло лишь в конце 90-х. Многие производители долго не прекращали производство плат AT/ATX, которые можно было подключать как к старым, так и к новым блокам питания.

Колодки питания AT.

Хотя принципы работы и остались прежними, новые блоки питания получили много дополнительных функций и отличий от морально устаревающих AT. Одним из основных изменений новых блоков являлась практически полностью измененная система запуска и управления. В отличие от предыдущего поколения, где запуск питальника и включение компьютера осуществлялось простым замыканием контактов цепи 220 вольт и какие бы то ни было возможности управления питанием отсутствовали как класс. Новые питатели получили современную систему, позволяющую программно управлять жизнью компьютера (стандарт Расширенного управления питанием, или ACPI). Это позволило программно включать и выключать компьютер по различным событиям, например, по таймеру или вызову по телефонной линии, а также управлять режимами работы, например, переводя его в интеллектуальный спящий режим (Suspend-to-RAM), при котором создается видимость отключения компьютера, в то время как основные его узлы, память и процессор продолжают работать. Для реализации этих возможностей в блок был добавлен модуль дежурного питания, который постоянно, даже при «выключенном» компьютере (но будучи включенным в сеть), подает на материнскую плату напряжение 5 вольт. Таким образом, материнская плата стандарта ATX постоянно находится под напряжением и «ждет» нажатия подключенной к ней кнопки POWER. При срабатывании данной кнопки на материнской плате запускается специальный генератор, подающий сигнал на линию PS-ON блока питания. При этом в блоке питания производится внутренний тест, в ходе которого происходит проверка всех выходных напряжений, и в случае его успешного прохождения вырабатывается сигнал POWER-OK. При поступлении данного сигнала на материнскую плату происходит запуск процессора и следом всей системы. В блоки стандарта ATX также было добавлено питающее напряжение 3.3 вольта, нужда в котором появилась из-за постоянно растущих аппетитов CPU.

Это Китай

Во время становления стандарта ATX появилось такое явление, как дешевые китайские корпуса с блоками питания отвратительного качества. Такой корпус можно было купить за 20 долларов, в то время как вменяемый блок питания без корпуса стоил порядка 40 безусловных единиц. Схемы питальников таких корпусов были до предела упрощены, из них были выкинуты все возможные фильтры, а номиналы и стоимость остальных деталей сведены к минимуму, по принципу «лишь бы включался». Часто это были детали не только с заниженными номиналами, но и неизвестных производителей – о качестве таких радиоэлементов оставалось только догадываться. Естественно, подобная экономия приносила свои плоды и притом довольно быстро.

Блок питания стандарта Baby AT.

Такие блоки работали около полугода, после чего сгорали, унося с собой в могилу большую часть компьютера. Это происходило из-за установки недостаточно мощных силовых элементов, которые в силу экономии на радиаторах были вынуждены работать в предельных режимах, быстро изнашивались и выходили из строя. Остальная начинка компа гибла в связи с отсутствием какой-либо защиты.

Китайский БП во всей красе – фильтры отсутствуют
как класс :)

Нередко встречались блоки, в которых отсутствовала схема генерации сигнала POWER-OK, а на соответствующий контакт было просто заведено 5 вольт.

Разъем дополнительного питания CPU.

Примерно в то время и появилась методика проверки качества БП «на глазок» по его весу. Кию0йская экономия сразу бросалась в глаза за счет практически отсутствующих радиаторов, дросселей и фильтров, что здорово снижало вес блока, в то время как качественный экземпляр был (и остается) весьма увесист. Китайские подельщики также были замечены за банальным мошенничеством, некоторые дельцы по бросовым ценам закупали партии устаревших маломощных блоков питания и… просто меняли наклейки на корпусах. Так, словно по мановению волшебной палочки, 150-200-ваттные блоки превращались в питальники мощностью 235, 250 а иногда и все 300 Вт. Стоит отметить, что времена откровенно дерьмовых БП прошли – в настоящее время дешевую китайскую подделку найти довольно сложно.

Тссссс!

Примерно во время появления формата ATX в хороших фирменных блоках питания стали появляться и различные дополнительные модули, перечислим основные.

Блок питания с широколопастным
тихим вентилятором.

Технология сниженного шума. Так как домашние компьютеры получали все большее распространение, проблема шума охлаждающих систем компьютера стала актуальна как никогда. Поэтому многие крупные производители начали устанавливать в свои блоки питания специальные блоки, которые регулировали частоту вращения вентилятора в зависимости от температуры внутри блока. Таким образом, в спокойном режиме работы, при низкой загрузке процессора снижалась температура активных элементов в блоке и вентилятор начинал крутиться медленнее, компьютер работал тихо.

Технология PFC

Название технологии Power Factor Correction можно перевести как «Коррекция фактора мощности». Данная система призвана снизить потребляемую блоком питания реактивную мощность. Что такое фактор мощности? Этот термин обозначает отношение активной (полезной) мощности к полной (полученной). Под полной мощностью в данном случае понимается сумма активной и реактивной мощностей. В процессе работы импульсный блок питания потребляет мощность короткими импульсами, при этом примерно треть мощности никак не используется, тем не менее, создавая нагрузку на сеть. Таким образом, фактор мощности составляет примерно 0.7, при идеальном равном единице. PFC стал активно использоваться производителями в начале 2000-х годов, когда с выходом процессоров Intel Pentium и стремительным развитием графических чипов мощность среднестатистической домашней системы перевалила далеко за 300 ватт.

Модульный блок питания Thermaltake.

Самый дешевый и распространенный метод коррекции называется пассивным PFC. Это просто последовательно подключенный к БП дроссель, который способствует некоторому сглаживанию импульсов, впрочем, особо большого эффекта от применения такого PFC нет – при использовании дросселя фактор мощности вырастает весьма незначительно: на 0.04-0.07 единиц.

Активная версия PFC представляет собой довольно сложный узел питальника. Активная коррекция хорошо стабилизирует напряжение, что улучшает конечные характеристики блока. При использовании Active PFC форма тока практически полностью соответствует обычной резистивной нагрузке. При этом коэффициент мощности блока может доходить до 0.99. Однако эта цифра сильно зависит от текущей нагрузки питальника. При минимальной нагрузке эффект применения активной коррекции практически сходит на нет, становясь сравнимым с блоком, имеющим обычный пассивный PFC.

Стоит отметить, что покупка блока питания с системой Active PFC может повлечь за собой замену ИБП. Дело в том, что многие блоки, имеющие в своем составе Active PFC, плохо работают с дешевыми источниками бесперебойного питания. Это связанно с формой тока на выходе ИБП.

Расширенный АТХ

Но время шло, и аппетиты компьютерного железа неуклонно росли, простого увеличения мощности питальников стало недостаточно. Примерно во время выхода Intel Pentium 4 (конец 2000 года) на материнских платах формата АТХ появились дополнительные разъемы, установленные, как правило, недалеко от процессора. В новых блоках питания, продававшихся в то время, появился дополнительный четырехпиновый коннектор на 12 вольт, а на маркировке блоков – гордая надпись «P4 ready!». Дело в том, что той мощности, которую способен дать ATX-коннектор стало не хватать, ведь потребление процессоров резко подскочило, поэтому пришлось добавлять к стандарту такой вот костыль. Скорее всего, причиной этого также стало довольно сильное удаление разъема АТХ от модуля питания материнской платы, и дабы не было проблем с проводниками на печатной плате, разъем поставили почти у самого процессора.

Nesteq Nova 600W External Silent PSU.

Несколько позже вышел SATA, и в питальниках начали появляться разъемы питания этого стандарта. Примерно во время перехода с платформы Socket 478 на LGA мы вновь увидели прибавку в кабельном ассортименте блоков питания: на этот раз потолстел сам ATX-коннектор. К основному разъему добавился дополнительный, на 4 контакта, содержащий линии 3.3, 12, 5 вольт и GND. Также были добавлены коннекторы 12 вольт для питания видеокарт. В современных игровых системах видеокарты – первые и основные потребители энергии. И мощности все растут…

Игры с охлаждением

Сравнительно недавно начали появляться блоки питания, не содержащие в себе каких-либо активных элементов охлаждения. Радиаторы силовых элементов в таких блоках выведены на заднюю панель и охлаждаются «забортным» воздухом вне компьютера. Большинство таких блоков имеют довольно маленькую мощность, ведь рассеивать большое количество энергии при пассивном охлаждении весьма сложно. При этом цена на такие питальники весьма высока – заметно выше дорогих и мощных блоков, имеющих классическую систему охлаждения.

Тихий и красивый Yesico FL-550.

Многие производители в погоне за снижением шумовых характеристик своих блоков избрали другой путь. Вместо стандартных вентиляторов в блоки начали устанавливать тихоходные вентили с большими лопастями. Таким образом, шум резко падал, а эффективность охлаждения оставалась на прежнем уровне.

Тепловыделение системы также оказало свое влияние на блоки питания. С ростом количества ваттов, отдаваемых системой в воздух, наведение порядка в проводах внутри системы уже перестало быть пустой тратой времени – производители начали убирать провода в оплетку и заплетать их в аккуратные косички. Бытует мнение, что они подсмотрели это у моддеров :). У моддеров же была подсмотрена и концепция модульного блока питания, заключающаяся в том, что все коннекторы питальника подключаются к нему в соответствующие разъемы на корпусе, а лишние «хвосты» можно отключить и убрать, чтобы не мешали циркуляции воздуха.

В 2004-2005 годах развитие блоков питания пошло по пути моды и «гламура» :). В блоки питания стали устанавливать светодиодную подсветку, LCD-дисплейчики с информацией о мощности, температуре и скорости вращения вентиляторов. Некоторые модели сейчас даже комплектуются отдельным модулем для 3.5”-слота, осуществляющим мониторинг напряжений по основным линиям питания. Что ж, почему бы и нет, если юзер платит?

Уже сейчас очевидно, что нарастание мощностей неизбежно. Киловаттным блоком сегодня уже никого не удивишь. Остается надеяться, что в будущем нам не придется вместе с витухой тянуть к компу отдельную проводку, как к сварочному аппарату. В свете текущего пути развития процессоров в сторону многоядерности не за горами тот день, когда киловатный блок питания станет нормальным явлением, а ведь процессоры видеокарт тоже могут быть многоядерными…

В блоке питания АТХ, например, количество выходных напряжения увеличилось: добавились напряжения +3,3 и +5 В SB (Stand-By). Последнее было введено для реализации таких функций, как "пробуждение" компьютера по сигналу из локальной сети, от модема, по нажатию клавиши на клавиатуре или мыши, а также для реализации "дремлющего" режима S3 Suspend-to-RAM, в котором все текущие данные хранятся в оперативной памяти даже при выключенном компьютере. Очевидно, что напряжение +5 В SB должно присутствовать вне зависимости от того, включен или выключен компьютер (если, конечно, он физически не отключен от розетки), поэтому его стабилизатор - это практически отдельный миниатюрный маломощный блок питания, функционирующий непрерывно. В АТХ кнопка включения лишь дает на блок питания команду остановить ШИМ-контроллер основного стабилизатора, но сам блок при этом остается подключенным к сети, и в нем продолжает работать стабилизатор дежурного режима +5 В SB. Для того чтобы отключить блок полностью, требуется либо воспользоваться имеющейся на многих моделях клавишей на задней стенке блока, либо физически отключить его от сети 220 В. Постепенно в стандарт АТХ вносились изменения, но до определенного момента они не оказывали существенного влияния на блок питания. Новой тенденцией, приведшей к заметному с точки зрения пользователя изменению БП, был переход на 12-В питание стабилизатора процессора.

С выпуском мощных процессоров семейства Pentium 4 потребляющих значительно большие токи, компания Intel выпустила инженерное дополнение к стандарту АТХ 2.03, названное "ATX12V" и т. д.

До этого обычным решением было питание стабилизатора процессора от +5В шины. Очевидно, что для процессора с потребляемой мощностью, скажем, 50 Вт даже без учета потерь на расположенном на системной плате стабилизаторе (а это еще как минимум 10%) ток при питании от упомянутой шины составит 10 А, что весьма немало. Такие токи, во-первых, осложняют размещение компонентов на системной плате, ибо крупный разъем питания АТХ зачастую трудно расположить в удобном для разработчика печатной платы месте (как можно ближе к стабилизатору питания процессора), а во-вторых, недостаточно плотный контакт в разъеме питания системной платы вызывал перегрев контактов и разъема с дальнейшим ухудшением контакта и более чем вероятными сбоями системы. Выходом из этой ситуации стал переход на питание стабилизатора ЦП от +12-В шины. Известно, что если напряжение в 2,4 раза больше, то ток при той же потребляемой мощности будет в 2,4 раза меньше, а, кроме того, установленный на плате стабилизатор, как и любой преобразователь постоянного тока, увеличивает свой КПД с ростом входного напряжения. Однако возникла другая проблема: поскольку до последнего времени серьезных потребителей +12 В на системной плате не было, то в разъеме ее питания был предусмотрен всего один провод для этого напряжения, что могло привести к перегреву и обгоранию контактов из-за чрезмерно большого тока через них. Эта проблема была решена добавлением еще одного разъема питания системной платы - маленького четырех контактного ATX12V, который не только добавил два дополнительных провода +12 В, но и благодаря своим скромным размерам позволил размещать его рядом со стабилизаторами питания процессора, серьезно упростив работу разработчикам печатных плат. Таким образом, компания Intel выпустила инженерное дополнение к стандарту АТХ 2.03, названное "ATX12V". Помимо вышеупомянутого разъема, в нем были ужесточены требования к блоку питания: при той же суммарной выходной мощности, что и раньше, блок должен был обеспечивать большие токи по шинам +12 и +3,3 В. Более того, устанавливалась нижняя граница максимального тока по шине +12 В - 10 А вне зависимости от суммарной мощности БП; блок, не обеспечивающий такого тока, не может считаться соответствующим стандарту ATX12V. Так как физически новые блоки отличались от старых лишь дополнительным разъемом, то в продаже в большом количестве появились различные переходники для адаптации АТХ-блоков питания к стандарту ATX12V. Разумеется, в связи с возросшими требованиями к нагрузочным токам для мощных систем такая адаптация была некорректна, но у систем со сравнительно небольшим энергопотреблением никаких проблем не возникало.

Следующее заметное изменение принесла версия 1.2 все того же стандарта ATX12V. Напряжение -5 В, до этого момента обязательное для всех блоков питания, практически уже не использовалось: оно подавалось только на системную плату. Даже в более старых компьютерах, где еще использовались ISA-платы, это напряжение, как правило, не требовалось. В связи с этим в стандарте ATX12V 1.2 напряжение -5 В стало необязательным, и вскоре на рынке появились БП, у которых в разъеме питания системной платы отсутствовал соответствующий провод. Тем временем наметилась новая тенденция: если раньше потребление по шине +3,3 В росло, то теперь оно, напротив, стало падать, ибо все больше производителей стали использовать на своих платах отдельные стабилизаторы, питающиеся от +5 или чаще +12 В и формирующие необходимые для платы напряжения. Более того, современные графические платы питаются уже не от AGP, а от отдельного разъема питания, на который просто не заводится напряжение +3,3 В. Соответственно, требования к этому напряжению падают, а к нагрузочной способности по шине +12 В, наоборот, увеличиваются, особенно учитывая постоянно растущее энергопотребление процессоров.

Для удовлетворения вышеописанных требований был разработан стандарт ATX12V, версия 2.0 (не путать со стандартом АТХ 2.0; ATX12V 2.0 соответствует версии 2.2 стандарта АТХ). Это не просто косметические улучшения БП: изменения довольно серьезны, и старые блоки питания, хотя и будут частично совместимы с системными платами стандарта ATX12V 2.0, во многих случаях придется заменить.
Основное отличие нового стандарта в том, что теперь в блоке питания предусмотрены сразу две шины +12 В. Связано это с тем, что увеличить нагрузочный ток по одной шине выше 20 А нельзя - по требованиям стандартов безопасности мощность цепей, к которым есть открытый доступ для оператора, не должна превышать 240 В-А (12 Вх20 А). При этом заметно уменьшились максимальные нагрузочные токи по шинам +3,3 и +5 В (до полутора раз по сравнению с блоками ATX12V 1.1 той же мощности).

Кроме того, разъемы питания Serial ATA-винчестеров теперь стали обязательны, впрочем, последние модели блоков питания ATX12V 1.1 уже выпускались с ними. Также стоит отметить появление в стандарте рекомендаций по максимальным нагрузочным токам для БП мощностью 350 и 400 Вт - до этого регламентировались токи для блоков питания до 300 Вт включительно, что оставляло производителям более мощных БП больший простор для выбора характеристик, а это, в свою очередь, приводило к тому, что блоки большой мощности сильно различались между собой по возможностям, а некоторые не во всем превосходили даже стандартный 300 Вт блок питания. Блоки стандарта ATX12V 2.0 были актуальны с появлением корпусов и системных плат нового стандарта ВТХ.

Стандарт EPS12V - это стандарт для серверов начального уровня, так что его описание несколько выходит за рамки этой статьи. Однако упомянуть о нем все же необходимо: дело в том, что в продаже достаточно часто встречаются соответствующие ему блоки питания мощностью 400-500 Вт, которые представляют определенный интерес и для владельцев мощных систем стандарта АТХ. Физически блоки стандарта EPS12V по габаритам и расположению крепежных отверстий совместимы с блоками АТХ, так что ничто не препятствует их установке в обычный АТХ-корпус. Разъем питания системной платы стандарта EPS12V аналогичен таковому в ATX12V 2.0-платах, причем не только физически (это 24-контактный разъем такого же типа), но и по разводке контактов; таким образом, к ЕР512V-блоку питания можно без проблем подключать системные платы ATX12V 2.0 и при наличии физической возможности подключить более крупный разъем также и платы ATX12V 1.1 (при отсутствии такой возможности следует использовать переходник).

Кроме АТХ и ATX12V, существует еще несколько форм-факторов блоков, предназначенных для различных типов компактных корпусов. Стандарт ATX12V для них родительский. Во-первых, это SFX (SFX12V) - компактные блоки питания для microATX- и flехАТХ-корпусов, по форме довольно близкие к своим "старшим собратьям", но заметно отличающиеся размерами. Сейчас выпущена третья версия стандарта (3.0), в которой он приводится в соответствие с ATX12V 2.0, т. е. в первую очередь основной разъем питания системной платы заменяется на 24-контактный, а блок оснащается вторым выходом + 12 В. Предыдущие версии блоков питания SFX электрически соответствуют более ранним версиям стандарта АТХ. Новый стандарт описывает БП мощностью от 160 до 300 Вт, что достаточно много для microATX-системы.

Стандарт TFX12V описывает другое семейство компактных блоков - Thin Form Factor, т. е. тонкие блоки. Это сравнительно молодой стандарт, описывающий немного меньшие, чем SFX, блоки, предназначенные для сверх компактных корпусов. Максимальная мощность, определяемая стандартом, составляет уже 270 Вт. Электрически TFX-блоки совместимы с обычными АТХ-блоками, поэтому при необходимости можно подключить системную плату стандарта АТХ к блоку питания стандарта TFX и наоборот.

Стандарт - CFX12V, описывает блоки мощностью от 220 до 275 Вт, предназначенные для установки в корпуса нового форм-фактора - microBTX. Внешне CFX-блоки выглядят довольно необычно: они имеют не привычную форму параллелепипеда, а более сложную, с выступом, который в собранном компьютере будет нависать над системной платой, благодаря чему удается уменьшить размеры всего системного блока. Разъемы CFX-блоков также полностью аналогичны разъемам ATX12V 2.0 как механически, так и электрически.

Без Intel внутри: на рентгене видны компоненты импульсного блока питания, использованного в оригинальном микрокомпьютере Apple II, вышедшем в 1977 году

Компьютерным блокам питания не уделяется должного внимания.

Как энтузиаст технологий, вы наверняка знаете, какой у вашего компьютера микропроцессор и сколько у него физической памяти, однако есть вероятность, что вам ничего не известно о его блоке питания. Не тушуйтесь – даже производители разрабатывают БП в последнюю очередь.

А жаль, поскольку на создание БП для персональных компьютеров ушло довольно много сил, и это было серьёзное улучшение по сравнению с теми схемами, что питали другую потребительскую электронику вплоть до конца 1970-х. Этот прорыв стал возможен благодаря огромным скачкам в полупроводниковой технологии, сделанным полвека назад, в частности, улучшениям в импульсных стабилизаторах напряжения и инновациям в интегральных схемах. Но при этом данная революция прошла мимо внимания общественности, и даже неизвестна многим людям, знакомым с историей микрокомпьютеров.

В мире БП не обошлось без выдающихся чемпионов, включая и личность, упоминание которой может вас удивить: Стива Джобса. Согласно его авторизованному биографу, Уолтеру Айзексону, Джобс очень серьёзно относился к БП передового персонального компьютера Apple II и его разработчику, Роду Холту. Джобс, как утверждает Айзексон, заявлял следующее:

Вместо обычного линейного БП, Холт создал такой, который использовался в осциллографах. Он включал и выключал энергию не 60 раз в секунду, а тысячи раз; это позволяло ему сохранять энергию на гораздо меньших промежутках времени, в результате чего он испускал гораздо меньше тепла. «Этот импульсный БП был таким же революционным, как логическая плата Apple II, — сказал позже Джобс. – Рода не часто хвалят за это в книжках по истории, а должны были бы. Сегодня все компьютеры используют ИБП, и все они скопированы со схемы Рода Холта».

Это серьёзное заявление показалось мне не слишком достоверным, и я провёл своё расследование. Я обнаружил, что, хотя ИБП и были революционными, эта революция произошла в конце 1960-х и середине 1970-х, когда ИБП приняли эстафету у простых, но неэффективных линейных БП. Apple II, появившийся в 1977, получил преимущества этой революции, но не вызывал её.

Исправление джобсовской версии событий – не какая-то мелочь из инженерной области. Сегодня ИБП представляют собой повсеместный оплот всего, мы используем их ежедневно для зарядка наших смартфонов, планшетов, ноутбуков, камер и даже некоторых автомобилей. Они питают часы, радио, домашние аудиоусилители, и другую мелкую бытовую технику. Спровоцировавшие эту революцию инженеры заслуживают признания своих заслуг. Да и вообще, это весьма интересная история.

БП в настольных компьютерах, таких, как Apple II, преобразует переменный линейный ток в постоянный ток, и выдаёт очень стабильное напряжение для питания системы. БП можно сконструировать множеством разных способов, но чаще всего встречаются линейные и импульсные схемы.

Со всеми бородавками

В прошлом небольшие электронные устройства обычно использовали громоздкие БП-трансформаторы, получившие уничижительное прозвище «стенные бородавки». В начале XXI века технологические улучшения позволили начать практическое применение компактных импульсных источников питания малой энергии для питания небольших устройств. С падением стоимости импульсных AC/DC адаптеров они быстро заменили собой громоздкие БП у большинства домашних устройств.

Apple превратила зарядник в хитроумное устройство, представила прилизанную зарядку для iPod в 2001 году, внутри которой был компактный обратноходовой преобразователь под управлением интегральных схем (слева на картинке). Вскоре получили широкое распространение USB-зарядки, а ультракомпактный зарядник в виде дюймового куба от Apple, появившись в 2008, стал культовым (справа).

Самые модные зарядники высокого уровня подобного типа сегодня используют полупроводники на основе нитрида галлия, способные переключаться быстрее кремниевых транзисторов, и потому более эффективные. Развивая технологии в другом направлении, сегодня производители предлагают USB-зарядки уже по цене меньше доллара, хотя и экономя при этом на качестве питания и системах безопасности.

Типичный линейный БП использует громоздкий трансформатор для преобразования высоковольтного AC в розетке в низковольтный AC, который затем превращается в низковольтный DC при помощи диодов, обычно четырёх штук, подключенных в классическую схему диодного моста. Для сглаживания выходного напряжения диодного моста применяются крупные электролитические конденсаторы. Компьютерные БП используют схему под названием линейный стабилизатор, уменьшающую напряжение DC до нужного уровня и удерживающую его на этом уровне даже при изменениях в нагрузке.

Линейные БП тривиальны в проектировании и создании. Они используют дешёвые низковольтные полупроводниковые компоненты. Однако у них есть два больших минуса. Один – необходимость в использовании крупных конденсаторов и громоздких трансформаторов, которые никак нельзя запихнуть в нечто столь маленькоё, лёгкое и удобное, как зарядники, которые мы все используем для наших смартфонов и планшетов. Другой – схема линейного стабилизатора, основанная на транзисторах, превращает излишнее напряжение DC – всё, что выше необходимого уровня – в паразитное тепло. Поэтому такие БП обычно теряют более половины потребляемой энергии. И им часто требуются крупные металлические радиаторы или вентиляторы, чтобы избавляться от этого тепла.

ИБП работает на другом принципе: линейный вход AV превращается в высоковольтный DC, который включается и выключается десятки тысяч раз в секунду. Высокие частоты позволяют использовать гораздо более мелкие и лёгкие трансформаторы и конденсаторы. Особая схема точно управляет переключениями для контроля выходного напряжения. Поскольку таким БП не нужны линейные стабилизаторы, они теряют очень мало энергии: обычно их эффективность достигает 80-90%, и в итоге они гораздо меньше греются.

Однако ИБП обычно гораздо более сложные, чем линейные, и их сложнее проектировать. Кроме того, они выдвигают больше требований к компонентам, и нуждаются в высоковольтных транзисторах, способных эффективно включаться и выключаться с высокой частотой.

Должен упомянуть, что некоторые компьютеры использовали БП, не являвшиеся ни линейными, ни импульсными. Одной грубой, но эффективной техникой было запитать мотор от розетки и использовать его для раскрутки генератора, выдававшего необходимое напряжение. Мотор-генераторы использовались несколько десятилетий, по меньшей мере, с момента появления машин от IBM с перфокартами в 1930-х и до 1970-х, питая, среди прочего, суперкомпьютеры Cray.

Ещё один вариант, популярный с 1950-х и вплоть до 1980-х, использовал феррорезонансные трансформаторы – особый тип трансформаторов, дающих на выходе постоянное напряжение. Также в 1950-х для регулирования напряжения ламповых компьютеров использовался дроссель насыщения, контролируемая катушка индуктивности. В некоторых современных БП для ПК он вновь появился под именем "магнитного усилителя", давая дополнительное регулирование. Но в итоге все эти старые подходы уступили место ИБП.

Принципы, лежащие в основе ИБП, известны инженерам-электрикам с 1930-х, однако эта технология редко использовалась в эру электронных ламп. В то время в некоторых БП использовались специальные ртутные лампы, тиратроны, и их можно считать примитивными, низкочастотными импульсными стабилизаторами. Среди них — REC-30, питавшая телетайп в 1940-х, а также блок питания компьютера IBM 704 от 1954 года. Но с появлением в 1950-х силовых транзисторов ИБП начали быстро улучшаться. Pioneer Magnetics начала производить ИБП в 1958. General Electric выпустила ранний проект транзисторного ИБП в 1959.

В 1960-е НАСА и аэрокосмическая индустрия стала основной движущей силой в развитии ИБП, поскольку для аэрокосмических нужд преимущества малого размера и высокой эффективности имели приоритет перед большой стоимостью. К примеру, в 1962-м спутник Telstar (первый спутник, начавший передачу телевидения) и ракета "Минитмен" использовали ИБП. Годы шли, цены пали, и ИБП начали встраивать в потребительскую технику. К примеру, в 1966 Tektronix использовала ИБП в портативном осциллографе, что позволяло ему работать как от розетки, так и от батареек.

Тенденция ускорялась по мере того, как производители начали продавать ИБП другим компаниям. В 1967 RO Associates представила первый ИБП на 20 КГц, который назвала первым коммерчески успешным примером ИБП. Nippon Electronic Memory Industry Co. начала разработку стандартизованных ИБП в Японии в 1970. К 1972 году большинство производителей БП продавали ИБП или готовились к их выпуску.

Примерно в это время индустрия компьютеров начала использовать ИБП. Среди ранних примеров – микрокомпьютер PDP-11/20 от Digital Equipment 1969 года, и микрокомпьютер 2100A от Hewlett-Packard 1971 года. В публикации 1971 года заявлялось, что среди компаний, использующих ИБП, отметились все главные игроки рынка: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs и RCA. В 1974 в списке микрокомпьютеров, использующих ИБП, отметились Nova 2/4 от Data General, 960B от Texas Instruments и системы от Interdata. В 1975 ИБП использовались в терминале HP2640A, похожем на пишущую машинку Selectric Composer от IBM, и в портативном компьютере IBM 5100. К 1976 году Data General использовала ИБП в половине своих систем, а HP – в мелких системах типа 9825A Desktop Computer и 9815A Calculator. ИБП начали появляться и в домашних устройствах, например, в некоторых цветных телевизорах к 1973 году.

ИБП часто освещались в электронных журналах той эпохи, как в виде рекламы, так и в статьях. Ещё в 1964 году Electronic Design рекомендовал использовать ИБП из-за более высокой эффективности. На обложке от октября 1971 года журнала Electronics World красовался ИБП на 500 Вт, а название статьи гласило: «Блок питания с импульсным стабилизатором». Computer Design в 1972 детально описывал ИБП и постепенный захват ими компьютерного рынка, хотя упомянул и о скептицизме некоторых компаний. На обложке Electronic Design 1976 года было написано «Переключаться внезапно стало легче», и описывалась новая интегральная схема управления ИБП. В журнале Electronics была длинная статья на эту тему; в Powertec были двухстраничные рекламные материалы о преимуществах ИБП со слоганом «The big switch is to switchers» [большие изменения для переключателей]; Byte объявлял о выпуске ИБП для микрокомпьютеров компанией Boschert.

Роберт Бошерт, уволившийся с работы и начавший собирать БП у себя на кухне в 1970-м, был ключевым разработчиком этой технологии. Он концентрировался на упрощении схем, чтобы сделать импульсные БП конкурентными по цене с линейными, и к 1974 году уже выпускал недорогие БП для принтеров в промышленных количествах, а потом в 1976 выпустил и недорогие ИБП на 80 Вт. К 1977 Boschert Inc. выросла до компании из 650 человек. Она делала БП для спутников и истребителя Grumman F-14, а позже – компьютерные БП для HP и Sun.

Появление недорогих высоковольтных высокочастотных транзисторов в конце 1960-х и начале 1970-х, выпускаемых такими компаниями, как Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) и Motorola, помогло вывести ИБП в мейнстрим. Более высокие частоты переключения повышали эффективность, поскольку тепло в таких транзисторах рассеивалось в основном в момент переключения между состояниями, и чем быстрее устройство могло совершать этот переход, тем меньше энергии оно тратило.

Частоты транзисторов в то время увеличивались скачкообразно. Транзисторная технология развивалась так быстро, что редакторы Electronics World в 1971 могли заявлять, что БП на 500 Вт, представленный на обложке журнала, невозможно было произвести всего на 18 месяцев ранее.

Ещё один заметный прорыв случился в 1976, когда Роберт Маммано, сооснователь Silicon General Semiconductors, представил первую интегральную схему для контроля ИБП, разработанную для электронного телетайпа. Его контроллер SG1524 кардинально упростил разработку БП и уменьшил их стоимость, что вызвало всплеск продаж.

К 1974 году, плюс-минус пару лет, каждому человеку, хотя бы примерно представлявшему себе состояние индустрии электроники, было ясно, что происходит реальная революция в конструкциях БП.

Лидеры и последователи: Стив Джобс демонстрирует персональный компьютер Apple II в 1981 году. Впервые представленный в 1977, Apple II выиграл от промышленного сдвига от громоздких линейных БП к небольшим и эффективным импульсным. Но Apple II не запустил этот переход, как позже утверждал Джобс.

Персональный компьютер Apple II представили в 1977. Одной из его особенностью был компактный ИБП без вентилятора, дававший 38 Вт мощности и напряжение в 5, 12, –5, и –12 В. Он использовал простую схему Холта, ИБП с топологией обратноходового офлайнового преобразователя. Джобс заявил, что сегодня каждый компьютер копирует революционную схему Холта. Но была ли эта схема революционной в 1977? И скопировал ли её каждый производитель компьютеров?

Нет и нет. Похожие обратноходовые преобразователи в то время уже продавали Boschert и другие компании. Холт получил патенты на парочку особенностей своего БП, но их так и не стали широко использовать. А создание управляющей схемы из дискретных компонентов, как сделали для Apple II, оказалось технологическим тупиком. Будущее ИБП принадлежало специализированным интегральным схемам.

Если и был микрокомпьютер, оказавший долгосрочное влияние на проектирование БП, это был IBM Personal Computer, запущенный в 1981. К тому времени, всего через четыре года после выхода Apple II, технология БП серьёзно изменилась. И хотя оба этих ПК использовали ИБП с топологией обратноходового офлайнового преобразователя и несколькими выходами, это и всё, что между ними было общего. Контуры питания, управления, обратной связи и стабилизации были разными. И хотя БП для IBM PC использовал контроллер на интегральной схеме, в нём было почти в два раза больше компонентов, чем в БП от Apple II. Дополнительные компоненты давали дополнительную стабилизацию выходного напряжения и сигнал «качественное питание», когда все четыре напряжения были верными.

В 1984 году IBM выпустила значительно обновлённую версию ПК, под названием IBM Personal Computer AT. Его БП использовал множество новых схем, полностью отказавшись от обратноходовой топологии. Он быстро стал стандартом де факто и оставался таковым до 1995 года, когда Intel представила форм-фактор ATX, который, как и другие вещи, определившие БП ATX, по сей день остаётся стандартом.

Но, несмотря на появление стандарта ATX, компьютерные системы питания стали сложнее в 1995 году, когда появился Pentium Pro – микропроцессор, требовавший меньшего напряжения и больших токов, чем БП ATX мог дать напрямую. Для такого питания Intel представил модуль регулирования напряжения (VRM) – импульсный преобразователь DC-DC, устанавливаемый рядом с процессором. Он уменьшал 5 В от БП до 3 В, используемых процессором. В графических картах многих компьютеров тоже есть VRM, питающий установленные в них высокоскоростные графические чипы.

Сегодня быстрому процессору от VRM может требоваться целых 130 Вт – что гораздо больше, чем полватта мощности, которые использовал процессор Apple II, 6502. Современный процессор в одиночку может использовать в три раза больше мощности, чем целый компьютер Apple II.

Растущее потребление энергии компьютерами стало причиной беспокойства, связанной с окружающей средой, в результате чего появились инициативы и законы, требующие более эффективных БП. В США правительственный сертификат Energy Star и промышленный 80 Plus требуют от производителей выдавать более «зелёные» БП. Им удаётся это сделать при помощи различных технологий: более эффективного энергопотребления в режиме ожидания, более эффективных стартовых схем, резонансных схем, уменьшающих потери питания в импульсных транзисторах, схемы типа active clamp, заменяющие импульсные диоды более эффективными транзисторами. Улучшения в технологиях силовых транзисторов MOSFET и высоковольтных кремниевых выпрямителей, произошедшие в последние десять лет, также послужили увеличению эффективности.

Технология ИБП продолжает развиваться и другими путями. Сегодня, вместо аналоговых схем, многие поставщики используют цифровые чипы и программные алгоритмы, контролирующие выход. Разработка контроллера БП стала как вопросом проектирования железа, так и вопросом программирования. Цифровое управление питанием позволяет поставщикам общаться с остальной системой с большей эффективностью и вести логи. И хотя эти цифровые технологии по большей части используются в серверах, они начинают влиять на разработку настольных ПК.

Сложно увязать всю эту историю с мнением Джобса о том, что Холт должен быть известен шире, или что «Рода не часто хвалят за это в книжках по истории, а должны были бы». Даже самые лучшие разработчики БП не становятся известными за пределами крохотного сообщества. В 2009 году редакторы Electronic Design пригласили Бошерта в свой "Инженерный зал славы". Роберт Маммано получил награду "достижения всей жизни" в 2005 году от редакторов Power Electronics Technology. Руди Севернс получил другую такую награду в 2008 году за инновации в ИБП. Но никто из этих светил в области проектирования БП даже не отмечен в Википедии.

Часто повторяемое мнение Джобса о том, что Холта незаслуженно не заметили, привело к тому, что работу Холта описывают в десятках популярных статей и книжек про Apple, от "Реванша нердов" Пола Киотти, появившейся в журнале California в 1982, до биографии Джобса, бестселлера за авторством Айзексона, вышедшего в 2011. Так что весьма иронично, что, хотя его работа над Apple II вовсе не была революционной, Род Холт, вероятно, стал самым известным разработчиком БП всех времён.

Правильное качественное питание настольного компьютера можно назвать одним из наиболее важных вопросов, решаемых в процессе конструирования надёжной производительной системы. Разумеется, в современном ПК предостаточно значительно более сложных компонентов, нежели блок питания, однако именно от качества работы последнего в конечном итоге зависит стабильность системы в целом. Впрочем, как и безопасность пользователя: не стоит забывать, что БП – это единственный компонент системы, работающий непосредственно с напряжением переменного тока силовой сети.

Компоненты для ПК производят сотни компаний, блоки питания выпускаются фабриками десятка-другого производителей и поступают в продажу под своей торговой маркой или с маркировкой многочисленных OEM-заказчиков. Совместимость разнообразного компьютерного железа с источниками питания определяется сводом индустриальных стандартов, жёстко регламентирующих ключевые параметры качества питания и описывающих дополнительные характеристики в рекомендательной форме.

Основная цель этой публикации – рассказать о ключевых параметрах блоков питания, объяснить разницу между обязательными и рекомендованными характеристиками, то есть, представить всю необходимую информацию по имеющимся стандартам перед тем, как вы углубитесь в магазинные прайс-листы в поисках подходящего блока питания. Для тех, кто желает изучить требования, предъявляемые к блокам питания более глубоко и детально, в конце этой статьи приведён список ссылок на документы всех ключевых стандартов в этой области.

Стандарты блоков питания для ПК

По общепринятому определению, компьютерный блок питания – это силовой компонент системы, обеспечивающий питанием остальные элементы ПК. С точки зрения схемотехники, БП представляет собой модуль для преобразования переменного тока силовой сети 100-127В (США, Японии и на Тайване, а также местами в Южной Америке) или 220-240В (Европа и большинство других стран мира) в постоянный ток с уровнями напряжения, приемлемыми для питания компонентов компьютера.

Блок питания – лишь один из компонентов компьютерной системы, поэтому его ключевые характеристики определяются в качестве одной из многочисленных рекомендаций к системам определённого форм-фактора, а не наоборот. Например, именно стандартный форм-фактор ATX (Advanced Technology Extended), разработанный Intel в 1995 году, определяет габариты и другие характеристики блока питания, а не БП определяет форму систем ATX.

Изначально блоки питания, рассчитанные для работы в настольных компьютерных системах, в большинстве своём рассчитывались согласно требованиям стандарта ATX12V. Так было до версии стандарта ATX12V 2.2 (выпущена в марте 2005), после чего было принято решение объединить в едином документе требования по всем общепринятым форм-факторам настольных платформ, включая CFX12V, LFX12V, ATX12V, SFX12V и TFX12V. Со временем появился документ "Design Guide for Desktop Platform Form Factors, Revision 1.1" (март 2007), актуальный и по сей день.

Для справки: форм-факторы компьютеров определяются, главным образом, форматом системных плат, размеры некоторых из них приведены ниже в миллиметрах:

WTX - 356х425
AT – 350х305
Baby-AT – 330х216
BTX- 325х266
ATX- 305х244
LPX – 330х229
microBTX – 264х267
microATX - 244х244
microATX (минимум) – 171х171
FlexATX – 229х191
Mini-ITX – 170х170
Nano-ITX – 120х120
Pico-ITX – 100х72
PC/104 (-Plus) – 96х90
mobile-ITX – 60х60

Таким образом, если вы увидите в спецификациях блока питания упоминание о "соответствии стандарту ATX12V 2.3", имейте в виду, что такого документа в природе не существует. Последним, отдельно представленным документом был ATX12V 2.2, а маркировка версии "2.3" означает соответствие требованиям подпункта "ATX12V Specific Guidelines 2.3" в выше упомянутом документе руководства по дизайну настольных платформ, версии 1.1, общем для всех настольных форм-факторов.

Несмотря на то, что ATX12V является лишь подмножеством среди других форм-факторов ПК, говоря о настольных системах, мы обычно подразумеваем именно этот стандарт. Если, конечно, не идёт речь о миниатюрных "примочках к телевизору" для просмотра видео, компактных офисных машинках, серверных системах и прочих особых случаях, не вписывающихся в определение домашней или игровой настольной системы. Сегодня речь идёт именно о блоках питания ATX12V.

Также следует отметить, что публикация новых стандартов по блокам питания не отменяет предыдущие рекомендации и требования, а, как правило, лишь ужесточает их. Поэтому, сегодня мы изучим стандарт ATX12V 2.2, и в дополнение к нему дополнения "ATX12V Specific Guidelines 2.3" из документа "Design Guide for Desktop Platform Form Factors, Revision 1.1".

Требования этих документов можно назвать достаточными для выбора модели БП, подходящей для конструирования системы в целом, однако если говорить о конструировании именно современной системы, к обязательному рассмотрению необходимо принять ещё как минимум один документ – рекомендации 80PLUS.

Так или иначе, часть подводимой к ПК мощности рассеивается непосредственно самим блоком питания процессе его работы. Например, суммарное энергопотребление системы порядка 500 Вт и КПД блока питания уровня 75% на практике означают, что БП тратит на себя четверть потребляемой энергии. Около 125 Вт – а это мощность приличного паяльника, уходят у БП на "обогрев" самого себя! Если же БП обладает более высоким КПД – скажем, 87%, расходы на оплату электричества, равно как и охлаждение системы, можно значительно сократить.

Ещё один интересный пример. Допустим, вы запланировали купить блок питания "с запасом". Мало ли… Выбор пал на блок киловаттной мощности. Запас карман не тянет? Может быть, но не в случае с блоками питания. Представьте, как будет "вести" себя БП мощностью 1 кВт в системе, максимальная нагрузка которой даже на пике не превышает 500 Вт, от силы – 600 Вт. Редкая современная система – даже на 6-ядерном процессоре и паре мощнейших видеокарт, потребляет большую мощность.

Обычно блоки питания выходят на хороший показатель КПД при нагрузке от 40-50% и выше, оптимум – в районе 70-100% нагрузки. При меньшей загруженности коэффициент полезного действия обычно ниже. Посчитаем: киловаттник, да ещё и в случае, если он сертифицирован только по стандарту ATX12V, "обязан" показывать КПД при лёгкой загруженности на уровне 65-72%, то есть, нагрузив такой БП лишь 400-Вт нагрузкой, более четверти энергии будет затрачено на обогрев, а с учётом того, что большинство производительных настольных систем потребляют при нормальной нагрузке не более 250-350 Вт, потери могут достигать трети всей потребляемой энергии.

Вот почему к рекомендациям 80PLUS не стоит относиться пренебрежительно, как и в целом, к выбору блока питания не стоит подходить по остаточному принципу.

Стандарт ATX12V 2.2

Прежде всего, стандарт описывает требования ко входному напряжению силовой сети, с которым должен работать блок питания.

Читайте также: