Вход переменного тока с активным pfc. Что даёт PFC? (Power Factor Correction). Адаптация стандартной схемотехники под наши задачи

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!

И.П. Сидоров Ю.А.

внимание. Высокое напряжение, опасно для жизни.

Внимание при реализации приведенной схемы корректора коэффициента мощности необходимо иметь опыт работы с опасными для жизни напряжениями и соблюдать предельную осторожность.

в схеме действует опасное для жизни напряжение 400 вольт

В случае допущения ошибок при сборке, напряжение в схеме может достигать 1000 и более вольт.

В момент включения и проверки собранной схемы необходимо пользоваться защитными очками.

Принципиальная электрическая схема (исправленная) корректора коэффициента мощности показана на рис. 1.

рис. 1. корректор коэффициента мощности - схема. открыть в большом размере
Предыдущая схема - открыть в большом размере

На схеме цветными блоками отмечены функциональные узлы:

• Коричневый - фильтр помех;
• Синий - модуль мягкого старта (soft-start);
• Красный - внутренний источник питания;
• Зеленый - корректор коэффициента мощности;
• Голубой - модуль контроля рабочих параметров;
• Желтый - модуль включения вентилятора принудительного охлаждения.

На исправленном варианте схемы отмечено (доступно и в большом размере):
красный прямоугольником - новые элементы схемы;
зеленым овалом - новые точки подключения конденсаторов C3 и С4.

Фильтр помех защищает питающую сеть от помех генерируемых при коммутации ключевых транзисторов. Также фильтр защищает схему от помех питающей сети и всплесков напряжения в сети.

Модуль мягкого старта ограничивает потребления тока из питающеё сети в момент первичной зарядки выходных электролитических конденсаторов. Этот модуль генерирует инвертированный сигнал KKM_SUCCESS. При появление сигнала (так как сигнал инвертированный - момент при котором напряжение упадет ниже 1В) можно включить нагрузку подключенную к выходу корректора коэффициента мощности. В случае игнорирования этого сигнала некоторые элементы схемы могут выйти из строя.

Внутренний источник питания генерирует постоянное напряжение 15В (допустимы отклонения +/-2В). Это напряжение используется для питания внутренних схем ККМ.

Корректор коэффициента мощности - основная часть схемы. ККМ выполнен на контроллере ir1155s, рабочая частота в данной схеме 160кГц (допустимы отклонения +/-5кГц). Для усиления токов управления коммутирующих транзисторов используется одноканальный драйвер tc4420, драйвер обеспечивает силу тока управляющих сигналов до 6А.

Модуль контроля рабочих параметров контролирует уровень пониженного питающего напряжения; рабочую температуру ККМ, момент достижения номинального напряжения на выходе ККМ

Модуль включения вентилятора принудительного охлаждения выполняет включение вентиляторов при появлении соответствующего сигнала.

Таблицы номиналов элементов схемы ККМ .

При сборке корректора коэффициента мощности необходимо использовать только оригинальные комплектующие. В случае использования неоригинальных комплектующих (контрафактных, поддельных и прочее), ККМ работать не будет или будет работать не верно и пр.

Этап 1. необходимо выполнить монтаж всех элементов за исключением:
R3 - варистор;
L3 - дроссель ККМ
C25.2-C25.4 - выходные электролитические конденсаторы, установить только один.

Монтажная плата спроектирована с учетом установки в корпус из радиаторного профиля. В этом случае стенки корпуса для элементов D1, D9, Q5, Q6 выполняют роль теплоотвода, а отведение тепла от дросселя L3 будет затруднено. Температура дросселя, в этом случае, служит индикатором нагрева всего устройства и поэтому терморезистор R40 устанавливается под дросселем.

В случае использования корпуса конструкции в которой роль теплоотвода для элементов D1, D9, Q5, Q6 будет использоваться радиатор - терморезистор R40 необходимо установить на поверхность радиатора. Необходимо обеспечить электроизоляцию корпуса радиатора и терморезистора.

Затем монтажную плату необходимо очистить от остатков флюса и других загрязнений.

Монтажная плата после этого этапа сборки будет выглядеть следующим образом

рис. 2. Верхняя часть монтажной платы ККМ.

На этой монтажной плате терморезистор и отводящий провод помещены в термоусадочную изоляцию. Так как терморезистор будет прикреплен к радиатору механическим способом, для повышения прочности электроизоляции он помещен в дополнительную термоусадочную изоляцию.

рис. 3. Нижняя часть монтажной платы ККМ.

К плате ККМ нужно подключить вентилятор 12В ток не более 0,2А.

ВНИМАНИЕ!!! В устройстве действует опасное для жизни напряжение 400 вольт.

Плату ККМ необходимо подключить к регулируемому источнику переменного напряжения 220В 50 Гц с ограничением силы тока 0,05 А.

После подачи питания, светодиод D8 должен светиться, напряжение на стабилитроне D5 должно быть в пределах 14-17 вольт. В случае отсутствия напряжения, необходимо проверить напряжение на конденсаторе С12 оно должно быть около 310 вольт. Если напряжение присутствует это означает неработоспособность дежурного источника питания. Частой причиной его неработоспособности является неверная сборка импульсного трансформатора T1.

Напряжение на выводе 4 микросхемы U1 (ir1155s) должно быть около 3,62 В, напряжение на выводе 6 около 3,75 В.

С помощью осциллографа необходимо проверить работу модуля ККМ. Для этого щуп осциллографа нужно подключить к выводу 6 или 7 микросхемы U3 (tc4420). Импульсы на выводе должны соответствовать следующему изображению.

рис. 4. График сигналов на выходе микросхемы драйвера tc4420.

Частота импульсов должна быть 160кГц (+/- 5кГц). Частота импульсов задается конденсатором С10. Увеличение емкости приводит к уменьшению частоты.

Амплитуда сигналов на выводах SG силовых транзисторов будет немного ниже, чем на выводе их драйвера (рис. 5).

рис. 5. График сигналов на выходах SG силовых транзисторов.

При этом график сигнала на резисторах Rg (R17, R18) будет следующим (рис. 6).

рис. 6. График сигнала на резисторах Rg (R17, R18).

Далее, контролируя сигналы на выводе драйвера, необходимо плавно уменьшать напряжение. При входном напряжении 150-155 вольт, генерация импульсов должна прекратиться. После прекращения генерации импульсов, входное напряжение необходимо плавно увеличивать, при входном напряжении 160-165 вольт, генерация импульсов должна возобновиться.

Продолжая плавно увеличивать напряжение, при достижении 270-280 вольт (АС) должны сработать реле (определить можно по их характерному звуку). Напряжение сигнала KKM_SUCCESS должно быть не более 1 вольта. Затем напряжение необходимо плавно уменьшать, при снижении напряжения до 250-260 вольт, реле должны выключиться, сигнал на выходе KKM_SUCCESS должен быть более 5 вольт.

Используя термофен, необходимо нагреть терморезистор, при достижении температуры 45-50 С° должен включиться вентилятор, при достижении температуры 75-85 С° генерация импульсов должна прекратиться. Во время остывания терморезистора последовательно должны возобновиться генерация импульсов и выключиться вентилятор.

Отключите питание.

ВНИМАНИЕ!!! после отключения питания в схеме некоторое время (несколько минут) будет сохраняться опасное для жизни напряжение.

Этап 3. Необходимо установить оставшиеся элементы схемы: R3, L3, C25.2-C25.4 и теплотвод для элементов D1, D9, Q5, Q6. На теплоотвод необходимо установить терморезистор обеспечив низкое тепловое сопротивление между ними. Также необходимо обеспечить низкое тепловое сопротивление между D1, D9, Q5, Q6 и радиатором. В случае затрудненной передачи тепла к радиатору эти элементы выйдут из строя.

Качество установки радиатора, с точки зрения теплоотведения, удобно проконтролировать с помощью тепловизора.

Теплоотвод нужно соединить с шиной Earth (на монтажной плате рядом с Y конденсаторами имеются необходимые для этого монтажные отверстия).

Крайне важно проверить электроизоляцию между шинами Earth и N или L (шины N-L используются для подачи электропитания). Напряжение пробоя электроизоляции должно быть не менее 1000 Вольт. Проверять напряжение пробоя изоляции свыше 1000 Вольт не следут. Эту процедуру можно выполнить с помощью специального прибора - тестера электроизоляции.

ВНИМАНИЕ!!!. В случае нарушения проверяемой электроизояции, при проверке некоторые элементы схемы могут выйти из строя.

Пример сборки корректора коэффициента мощности показан на следующих изображениях.

Этап 4. Подключите ККМ к питающий сети ограничив потребляемую силу тока 10А. После включения напряжение на выходе ККМ должно быть около 385-400 В. Также должен быть слышен звук включения реле. Подключите к выходу ККМ резистивную нагрузку 300 Ом. Напряжение на выходе ККМ должно остаться в техже пределах. PF должен быть не ниже 0,7.

Подключите ККМ к питающей сети без ограничителя тока. Увеличивая нагрузку до 2000 ватт PF должен также возрастать до значения не ниже 0,95. График PF в зависимости от нагрузки показан на рис. 7.

рис. 7. График зависимости PF от нагрузки.

Если значение PF не увеличивается до значения 0,95 при увеличении нагрузки это свидетельствует о некорректной работе ККМ. Вероятными причинами такой некорректной могут быть: резистивный датчик тока, дроссель, ошибки при изготовлении монтажной платы, контрафактные элементы D9, Q5, Q6, С18.1, C18.2, внутренний источник питания недостаточной мощности.

Осциллограммы потребляемых токов и выходных пульсаций.

В ходе нагрузочных тестов был определен КПД (рис. 8). Если принять во внимание погрешность измерительных приборов, вероятно, реальный КПД будет на 1-2% ниже. КПД был измерен при подключении ККМ к питающей сети с помощью двух дополнительных фильтров синфазных помех.

рис. 8. КПД корректора коэффициента мощности.

Данные для обоих графиков были получены при напряжениях питающей сети 200 и 240 вольт.

Этап 5. После всех проверок, разрядный резистор R23 можно удалить. Сборку и проверку ККМ на этом этапе можно считать завершенной.

Вопросы и предложения пишите на адрес электронной почты с пометкой ККМ или PFC.

Содержимое корзины

PFC - это Power Factor Correction, что переводится с англ. как "Коррекция фактора мощности", встречается также название "Компенсация реактивной мощности".
Применительно к импульсным блокам питания этот термин означает наличие в блоке питания соответствующего набора схемотехнических элементов, который также принято называть "PFC". Эти устройства предназначены для снижения потребляемой блоком питания реактивной мощности. Источники питания без PFC создают мощные импульсные помехи по электросети для параллельно включенных электроприборов.
Для количественной оценки внесенных искажений и помех существует коэффициент мощности (КМ или Power Factor). Собственно фактором (или коэффициентом мощности) называется отношение активной мощности (мощности, потребляемой блоком питания безвозвратно) к полной, т.е. к векторной сумме активной и реактивной мощностей. По сути коэффициент мощности (не путать с КПД!) есть отношение полезной и полученной мощностей, и чем он ближе к единице - тем лучше.

Разновидности PFC

PFC бывает двух разновидностей - пассивный и активный.
Наиболее простым и потому наиболее распространенным является так называемый пассивный PFC . Пассивные PFC делают на реактивном элементе - дросселе. К сожалению, для получения приемлемой эффективности его размеры получаются соизмеримые с размерами трансформаторного варианта построения этого блока питания, что экономически не выгодно. Большие геометрические размеры дросселя получаются потому, что он должен работать на частоте 50Hz (точнее 100Hz из-за удвоения частоты после выпрямления) и он никак не может быть меньше соответствующего трансформатора на такую же мощность. Довольно часто в БП под вывеской "пассивный PFC" скрывается дроссель весьма малых размеров. Точнее сказать, там не может быть дросселя достаточных размеров из-за весьма ограниченного места в корпусе данного БП. Подобный декоративный PFC может испортить динамические характеристики БП или стать причиной неустойчивой работы.

Активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение.
Помимо того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности, так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания - он 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, эффективность использования которых увеличивается более чем в два раза. Ещё одним преимуществом использования активного PFC является более низкий уровень высокочастотных помех на выходных линиях, т.е. такие БП рекомендуются для использования в ПК с периферией, предназначенной для работы с аналоговым аудио/видео материалом.

Международные организации и PFC

Международная электротехническая комиссия (МЭК) или IEC (International Electrotechnical Commission) и международная организация по стандартизации или ISO (International Organization for Standardization) устанавливают ограничения на содержание и уровни гармоник во входном токе вторичных источников электропитания. Использование электроприборов, не удовлетворяющих стандартам этих организаций, запрещено во многих странах, поэтому разработчики серьезной аппаратуры обязательно должны об этом помнить.

Ни для кого не секрет, что одним из главных блоков компьютера является блок питания . При покупке мы обращаем свое внимание на различные характеристики: на максимальную мощность блока, характеристики системы охлаждения и на уровань шума. Но не все задаются вопросом что такое PFC ?

Итак, давайте разберемся что дает PFC

Применительно к импульсным блокам питания (в системных блоках компьютеров в настоящее время используются БП только такого типа) этот термин означает наличие в блоке питания соответствующего набора схемотехнических элементов.

Power Factor Correction - переводится как «Коррекция фактора мощности», встречается также название «компенсация реактивной мощности».

Собственно фактором или коэффициентом мощности называется отношение активной мощности (мощности, потребляемой блоком питания безвозвратно) к полной, т.е. к векторной сумме активной и реактивной мощностей. По сути коэффициент мощности (не путать с КПД!) есть отношение полезной и полученной мощностей, и чем он ближе к единице – тем лучше.

PFC бывает двух разновидностей – пассивный и активный .
При работе импульсный блок питания без каких-либо дополнительных PFC потребляет мощность от сети питания короткими импульсами, приблизительно совпадающими с пиками синусоиды сетевого напряжения.

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.

Пассивный PFC несколько сглаживает импульсы тока, растягивая их во времени – однако для серьезного влияния на коэффициент мощности необходим дроссель большой индуктивности, габариты которого не позволяют установить его внутри компьютерного блока питания. Типичный коэффициент мощности БП с пассивным PFC cоставляет всего лишь около 0,75 .

Активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение.
Как видно, 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.

Помимо того, что активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности , так еще, в отличие от пассивного, он улучшает работу блока питания - он 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.

Такие БП имеют специфическую особенность – их эксплуатация 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.

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, эффективность использования которых увеличивается более чем в два раза. Ещё одним преимуществом использования активного PFC является более низкий уровень высокочастотных помех на выходных линиях, т.е. такие БП рекомендуются для использования в ПК с периферией, предназначенной для работы с аналоговым аудио/видео материалом.

А теперь немного теории

Обычная, классическая, схема выпрямления переменного напряжения сети 220V состоит из диодного моста и сглаживающего конденсатора. Проблема в том, что ток заряда конденсатора носит импульсный характер (длительность порядка 3mS) и, как следствие этого, очень большим током.

Например, для БП с нагрузкой в 200W средний ток из сети 220V будет 1A, а импульсный - в 4 раза больше. Если таких БП много и (или) они мощнее? ... тогда токи будут просто сумасшедшими - не выдержит проводка, розетки, да и платить придется больше за электричество, ведь качество тока потребления весьма сильно учитывается.

Например, на больших заводах имеются специальные конденсаторные установки для компенсации "косинуса". В современной компьютерной технике столкнулись с теми же проблемами, но ставить многоэтажные конструкции никто не будет, и пошли другим путем - в блоках питания ставят специальный элемент по уменьшению "импульсности" потребляемого тока - PFC.

Разные типы разделены цветами:

• красный - обычный БП без PFC,
• желтый - увы, "обычный БП с пассивным PFC",
• зеленый - БП с пассивным PFC достаточной индуктивности.

На модели показаны процессы при включении БП и кратковременном провале через 250mS. Большой выброс напряжения при наличии пассивного PFC получается потому, что в дросселе накапливается слишком большая энергия при заряде сглаживающего конденсатора. Для борьбы с этим эффектом производят постепенное включение БП - вначале последовательно с дросселем подключается резистор для ограничения стартового тока, потом он закорачивается.

Для БП без PFC или с декоративным пассивным PFC эту роль выполняет специальный терморезистор с положительным сопротивлением, т.е. его сопротивление сильно возрастает при нагревании. При большом токе такой элемент очень быстро нагревается и величина тока уменьшается, в дальнейшем он охлаждается из-за уменьшения тока и никакого влияния на схему не оказывает. Т.о., терморезистор выполняет свои ограничивающие функции только при очень больших, стартовых токах.

Для пассивных PFC импульс тока при включении не так велик и терморезистор зачастую не выполняет свою ограничивающую функцию. В нормальных, больших пассивных PFC кроме терморезистора ставится еще специальная схема, а в "традиционных", декоративных этого нет.

И по самим графикам. Декоративный пассивный PFC дает всплеск напряжения, что может привести к пробою силовой схемы БП, усредненное напряжение несколько меньше случая без_PFC и при кратковременном пропадании питания напряжение падает на бОльшую величину, чем без_PFC. На лицо явное ухудшение динамических свойств. Нормальный пассивный PFC также имеет свои особенности. Если не учитывать начального всплеска, который в обязательном порядке должен быть компенсирован последовательностью включения, то можно сказать следующее:

Выходное напряжение стало меньше. Это правильно, ведь оно равно не пиковому входному, как для первых двух типов БП, а "действующему". Отличие пикового от действующего равно корню из двух.
Пульсации выходного напряжения значительно меньше, ведь часть сглаживающих функций переходит на дроссель.
- Провал напряжения при кратковременном пропадании напряжения также меньше по той же причине.
- После провала следует всплеск. Это очень существенный недостаток и это основная причина, почему пассивные PFC не распространены. Этот всплеск происходит потому же, почему он происходит при включении, но для случая начального включения специальная схема может что-то откорректировать, то в работе это сделать много труднее.
- При кратковременном пропадании входного напряжения выходное меняется не так резко, как в других вариантах БП. Это очень ценно, т.к. медленное изменение напряжения схема управления БП отрабатывает весьма успешно и никаких помех на выходе БП не будет.

Для других вариантов БП при подобных провалах на выходах БП обязательно пойдет помеха, что может сказаться на надежности функционирования. Как часты кратковременные пропадания напряжения? По статистике, 90% всех нестандартных ситуаций с сетью 220V приходится как раз на такой случай. Основной источник возникновения, это переключения в энергосистеме и подключение мощных потребителей.

На рисунке показана эффективность PFC по уменьшению импульсов тока:

Для БП без PFC сила тока достигает 7.5A, пассивный PFC уменьшает ее в 1.5 раза, а нормальный PFC уменьшает ток значительно больше.

Линейный и импульсный источники питания

Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения 110-230 В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, - 12 В, 5 В и 3,3 В (а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже). Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений.

Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, - линейный и импульсный. В основе простейшего линейного БП лежит трансформатор, на котором напряжение переменного тока понижается до требуемого значения, и затем ток выпрямляется диодным мостом.

Однако от БП требуется еще и стабилизация выходного напряжения, что обусловлено как нестабильностью напряжения в бытовой сети, так и падением напряжения в ответ на увеличение тока в нагрузке.

Чтобы компенсировать падение напряжения, в линейном БП параметры трансформатора рассчитываются так, чтобы обеспечить избыточную мощность. Тогда при высоком токе в нагрузке будет наблюдаться требуемый вольтаж. Однако и повышенное напряжение, которое возникнет без каких-либо средств компенсации при низком токе в полезной нагрузке, тоже неприемлемо. Избыточное напряжение устраняется за счет включения в цепь неполезной нагрузки. В простейшем случае таковой является резистор или транзистор, подключенный через стабилитрон (Zener diode). В более продвинутом - транзистор управляется микросхемой с компаратором. Как бы то ни было, избыточная мощность просто рассеивается в виде тепла, что отрицательно сказывается на КПД устройства.

В схеме импульсного БП возникает еще одна переменная, от которой зависит напряжение на выходе, в дополнение к двум уже имеющимся: напряжению на входе и сопротивлению нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоит ключ (которым в интересующем нас случае является транзистор), управляемый микроконтроллером в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Чем выше длительность открытых состояний транзистора по отношению к их периоду (этот параметр называется duty cycle, в русскоязычной терминологии используется обратная величина - скважность), тем выше напряжение на выходе. Из-за наличия ключа импульсный БП также называется Switched-Mode Power Supply (SMPS).

Через закрытый транзистор ток не идет, а сопротивление открытого транзистора в идеале пренебрежимо мало. В действительности открытый транзистор обладает сопротивлением и рассеивает какую-то часть мощности в виде тепла. Кроме того, переход между состояниями транзистора не идеально дискретный. И все же КПД импульсного источника тока может превышать 90%, в то время как КПД линейного БП со стабилизатором в лучшем случае достигает 50%.

Другое преимущество импульсных источников питания состоит в радикальном уменьшении габаритов и массы трансформатора по сравнению с линейными БП такой же мощности. Известно, что чем выше частота переменного тока в первичной обмотке трансформатора, тем меньше необходимый размер сердечника и число витков обмотки. Поэтому ключевой транзистор в цепи размещают не после, а до трансформатора и, помимо стабилизации напряжения используют для получения переменного тока высокой частоты (для компьютерных БП это от 30 до 100 кГц и выше, а как правило - около 60 кГц). Трансформатор, работающий на частоте электросети 50-60 Гц, для мощности, требуемой стандартным компьютером, был бы в десятки раз массивнее.

Линейные БП сегодня применяются главным образом в случае маломощных устройств, когда относительно сложная электроника, необходимая для импульсного источника питания, составляет более чувствительную статью расходов в сравнении с трансформатором. Это, к примеру, блоки питания на 9 В, которые используются для гитарных педалей эффектов, а когда-то - для игровых приставок и пр. А вот зарядники для смартфонов уже сплошь импульсные - тут расходы оправданны. Благодаря существенно меньшей амплитуде пульсаций напряжения на выходе линейные БП также применяются в тех областях, где это качество востребованно.

⇡ Общая схема блока питания стандарта ATX

БП настольного компьютера представляет собой импульсный источник питания, на вход которого подается напряжение бытовой электросети с параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на выходе есть ряд линий постоянного тока, основные из которых имеют номинал 12, 5 и 3,3 В. Помимо этого, БП обеспечивает напряжение -12 В, а когда-то еще и напряжение -5 В, необходимое для шины ISA. Но последнее в какой-то момент было исключено из стандарта ATX в связи с прекращением поддержки самой ISA.

На упрощенной схеме стандартного импульсного БП, представленной выше, можно выделить четыре основных этапа. В таком же порядке мы рассматриваем компоненты блоков питания в обзорах, а именно:

1. фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
2. первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
3. основной трансформатор;
4. вторичная цепь - выпрямители тока со вторичной обмотки трансформатора (rectifiers), сглаживающие фильтры на выходе (filtering).

⇡ Фильтр ЭМП

Фильтр на входе БП служит для подавления двух типов электромагнитных помех: дифференциальных (differential-mode) - когда ток помехи течет в разные стороны в линиях питания, и синфазных (common-mode) - когда ток течет в одном направлении.

Дифференциальные помехи подавляются конденсатором CX (крупный желтый пленочный конденсатор на фото выше), включенным параллельно нагрузке. Иногда на каждый провод дополнительно вешают дроссель, выполняющий ту же функцию (нет на схеме).

Фильтр синфазных помех образован конденсаторами CY (синие каплевидные керамические конденсаторы на фото), в общей точке соединяющими линии питания с землей, и т.н. синфазным дросселем (common-mode choke, LF1 на схеме), ток в двух обмотках которого течет в одном направлении, что создает сопротивление для синфазных помех.

В дешевых моделях устанавливают минимальный набор деталей фильтра, в более дорогих описанные схемы образуют повторяющиеся (полностью или частично) звенья. В прошлом нередко встречались БП вообще без фильтра ЭМП. Сейчас это скорее курьезное исключение, хотя, покупая совсем дешевый БП, можно, все-таки нарваться на такой сюрприз. В результате будет страдать не только и не столько сам компьютер, сколько другая техника, включенная в бытовую сеть, - импульсные БП являются мощным источником помех.

В районе фильтра хорошего БП можно обнаружить несколько деталей, защищающих от повреждения само устройство либо его владельца. Почти всегда есть простейший плавкий предохранитель для защиты от короткого замыкания (F1 на схеме). Отметим, что при срабатывании предохранителя защищаемым объектом является уже не блок питания. Если произошло КЗ, то, значит, уже пробило ключевые транзисторы, и важно хотя бы предотвратить возгорание электропроводки. Если в БП вдруг сгорел предохранитель, то менять его на новый, скорее всего, уже бессмысленно.

Отдельно выполняется защита от кратковременных скачков напряжения с помощью варистора (MOV - Metal Oxide Varistor). А вот никаких средств защиты от длительного повышения напряжения в компьютерных БП нет. Эту функцию выполняют внешние стабилизаторы со своим трансформатором внутри.

Конденсатор в цепи PFC после выпрямителя может сохранять значительный заряд после отключения от питания. Чтобы беспечного человека, сунувшего палец в разъем питания, не ударило током, между проводами устанавливают разряжающий резистор большого номинала (bleeder resistor). В более изощренном варианте - вместе с управляющей схемой, которая не дает заряду утекать при работе устройства.

Кстати, наличие фильтра в блоке питания ПК (а в БП монитора и практически любой компьютерной техники он тоже есть) означает, что покупать отдельный «сетевой фильтр» вместо обычного удлинителя, в общем-то, без толку. У него внутри все то же самое. Единственное условие в любом случае - нормальная трехконтактная проводка с заземлением. В противном случае конденсаторы CY, соединенные с землей, просто не смогут выполнять свою функцию.

⇡ Входной выпрямитель

После фильтра переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диодного моста - как правило, в виде сборки в общем корпусе. Отдельный радиатор для охлаждения моста всячески приветствуется. Мост, собранный из четырех дискретных диодов, - атрибут дешевых блоков питания. Можно также поинтересоваться, на какой ток рассчитан мост, чтобы определить, соответствует ли он мощности самого БП. Хотя по этому параметру, как правило, имеется хороший запас.

⇡ Блок активного PFC

В цепи переменного тока с линейной нагрузкой (как, например, лампа накаливания или электроплитка) протекающий ток следует такой же синусоиде, как и напряжение. Но это не так в случае с устройствами, имеющими входной выпрямитель, - такими как импульсные БП. Блок питания пропускает ток короткими импульсами, примерно совпадающими по времени с пиками синусоиды напряжения (то есть максимальным мгновенным напряжением), когда подзаряжается сглаживающий конденсатор выпрямителя.

Сигнал тока искаженной формы раскладывается на несколько гармонических колебаний в сумме с синусоидой данной амплитуды (идеальным сигналом, который имел бы место при линейной нагрузке).

Мощность, используемая для совершения полезной работы (которой, собственно, является нагрев компонентов ПК), указана в характеристиках БП и называется активной. Остальная мощность, порождаемая гармоническими колебаниями тока, называется реактивной. Она не производит полезной работы, но нагревает провода и создает нагрузку на трансформаторы и прочее силовое оборудование.

Векторная сумма реактивной и активной мощности называется полной мощностью (apparent power). А отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (power factor) - не путать с КПД!

У импульсного БП коэффициент мощности изначально довольно низкий - около 0,7. Для частного потребителя реактивная мощность не составляет проблемы (благо она не учитывается электросчетчиками), если только он не пользуется ИБП. На бесперебойник как раз таки ложится полная мощность нагрузки. В масштабе офиса или городской сети избыточная реактивная мощность, создаваемая импульсными БП уже значительно снижает качество электроснабжения и вызывает расходы, поэтому с ней активно борются.

В частности, подавляющее большинство компьютерных БП оснащаются схемами активной коррекции фактора мощности (Active PFC). Блок с активным PFC легко опознать по единственному крупному конденсатору и дросселю, установленным после выпрямителя. В сущности, Active PFC является еще одним импульсным преобразователем, который поддерживает на конденсаторе постоянный заряд напряжением около 400 В. При этом ток из питающей сети потребляется короткими импульсами, ширина которых подобрана таким образом, чтобы сигнал аппроксимировался синусоидой - что и требуется для имитации линейной нагрузки. Для синхронизации сигнала потребления тока с синусоидой напряжения в контроллере PFC имеется специальная логика.

Схема активного PFC содержит один или два ключевых транзистора и мощный диод, которые размещаются на одном радиаторе с ключевыми транзисторами основного преобразователя БП. Как правило, ШИМ-контроллер ключа основного преобразователя и ключа Active PFC являются одной микросхемой (PWM/PFC Combo).

Коэффициент мощности у импульсных блоков питания с активным PFC достигает 0,95 и выше. Кроме того, у них есть одно дополнительное преимущество - не требуется переключатель сети 110/230 В и соответствующий удвоитель напряжения внутри БП. Большинство схем PFC переваривают напряжения от 85 до 265 В. Кроме того, снижается чувствительность БП к кратковременным провалам напряжения.

Кстати, помимо активной коррекции PFC, существует и пассивная, которая подразумевает установку дросселя большой индуктивности последовательно с нагрузкой. Эффективность ее невелика, и в современном БП вы такое вряд ли найдете.

⇡ Основной преобразователь

Общий принцип работы для всех импульсных БП изолированной топологии (с трансформатором) один: ключевой транзистор (или транзисторы) создает переменный ток на первичной обмотке трансформатора, а ШИМ-контроллер управляет скважностью их переключения. Конкретные схемы, однако, различаются как по количеству ключевых транзисторов и прочих элементов, так и по качественным характеристикам: КПД, форма сигнала, помехи и пр. Но здесь слишком многое зависит от конкретной реализации, чтобы на этом стоило заострять внимание. Для интересующихся приводим набор схем и таблицу, которая позволит по составу деталей опознавать их в конкретных устройствах.

	Транзисторы	Диоды	Конденсаторы	Ножки первичной обмотки трансформатора
Single-Transistor Forward	1	1	1	4
	2	2	0	2
	2	0	2	2
	4	0	0	2
	2	0	0	3

Помимо перечисленных топологий, в дорогих БП встречаются резонансные (resonant) варианты Half Bridge, которые легко опознать по дополнительному крупному дросселю (или двум) и конденсатору, образующим колебательный контур.

Single-Transistor Forward

⇡ Вторичная цепь

Вторичная цепь - это все, что находится после вторичной обмотки трансформатора. В большинстве современных блоков питания трансформатор имеет две обмотки: с одной из них снимается напряжение 12 В, с другой - 5 В. Ток сначала выпрямляется с помощью сборки из двух диодов Шоттки - одной или нескольких на шину (на самой высоконагруженной шине - 12 В — в мощных БП бывает четыре сборки). Более эффективными с точки зрения КПД являются синхронные выпрямители, в которых вместо диодов используются полевые транзисторы. Но это прерогатива по-настоящему продвинутых и дорогих БП, претендующих на сертификат 80 PLUS Platinum.

Шина 3,3 В, как правило, выводится от той же обмотки, что и шина 5 В, только напряжение понижается с помощью насыщаемого дросселя (Mag Amp). Специальная обмотка на трансформаторе под напряжение 3,3 В - экзотический вариант. Из отрицательных напряжений в текущем стандарте ATX осталось только -12 В, которое снимается со вторичной обмотки под шину 12 В через отдельные слаботочные диоды.

ШИМ-управление ключом преобразователя изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно - на всех вторичных обмотках сразу. При этом потребление тока компьютером отнюдь не равномерно распределено между шинами БП. В современном железе наиболее нагруженной шиной является 12-В.

Для раздельной стабилизации напряжений на разных шинах требуются дополнительные меры. Классический способ подразумевает использование дросселя групповой стабилизации. Три основные шины пропущены через его обмотки, и в результате если на одной шине увеличивается ток, то на других - падает напряжение. Допустим, на шине 12 В возрос ток, и, чтобы предотвратить падение напряжения, ШИМ-контроллер уменьшил скважность импульсов ключевых транзисторов. В результате на шине 5 В напряжение могло бы выйти за допустимые рамки, но было подавлено дросселем групповой стабилизации.

Напряжение на шине 3,3 В дополнительно регулируется еще одним насыщаемым дросселем.

В более совершенном варианте обеспечивается раздельная стабилизация шин 5 и 12 В за счет насыщаемых дросселей, но сейчас эта конструкция в дорогих качественных БП уступила место преобразователям DC-DC. В последнем случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением 12 В, а напряжения 5 В и 3,3 В получаются благодаря преобразователям постоянного тока. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.

Выходной фильтр

Финальной стадией на каждой шине является фильтр, который сглаживает пульсации напряжения, вызываемые ключевыми транзисторами. Кроме того, во вторичную цепь БП в той или иной мере пробиваются пульсации входного выпрямителя, чья частота равна удвоенной частоте питающей электросети.

В состав фильтра пульсаций входит дроссель и конденсаторы большой емкости. Для качественных блоков питания характерна емкость не менее 2 000 мкФ, но у производителей дешевых моделей есть резерв для экономии, когда устанавливают конденсаторы, к примеру, вдвое меньшего номинала, что неизбежно отражается на амплитуде пульсаций.

⇡ Дежурное питание +5VSB

Описание компонентов блока питания было бы неполным без упоминания об источнике дежурного напряжения 5 В, который делает возможным спящий режим ПК и обеспечивает работу всех устройств, которые должны быть включены постоянно. «Дежурка» питается от отдельного импульсного преобразователя с маломощным трансформатором. В некоторых БП встречается и третий трансформатор, использующийся в цепи обратной связи для изоляции ШИМ-контроллера от первичной цепи основного преобразователя. В других случаях эту функцию выполняют оптопары (светодиод и фототранзистор в одном корпусе).

⇡ Методика тестирования блоков питания

Одним из основных параметров БП является стабильность напряжений, которая находит отражение в т.н. кросс-нагрузочной характеристике. КНХ представляет собой диаграмму, в которой на одной оси отложен ток или мощность на шине 12 В, а на другой - совокупный ток или мощность на шинах 3,3 и 5 В. В точках пересечения при разных значениях обеих переменных определяется отклонение напряжения от номинала на той или иной шине. Соответственно, мы публикуем две разные КНХ - для шины 12 В и для шины 5/3,3 В.

Цвет точки означает процент отклонения:

• зеленый: ≤ 1%;
• салатовый: ≤ 2%;
• желтый: ≤ 3%;
• оранжевый: ≤ 4%;
• красный: ≤ 5%.
• белый: > 5% (не допускается стандартом ATX).

Для получения КНХ используется сделанный на заказ стенд для тестирования блоков питания, который создает нагрузку за счет рассеивания тепла на мощных полевых транзисторах.

Другой не менее важный тест - определение размаха пульсаций на выходе БП. Стандарт ATX допускает пульсации в пределах 120 мВ для шины 12 В и 50 мВ - для шины 5 В. Различают высокочастотные пульсации (на удвоенной частоте ключа основного преобразователя) и низкочастотные (на удвоенной частоте питающей сети).

Этот параметр мы измеряем при помощи USB-осциллографа Hantek DSO-6022BE при максимальной нагрузке на БП, заданной спецификациями. На осциллограмме ниже зеленый график соответствует шине 12 В, желтый - 5 В. Видно, что пульсации находятся в пределах нормы, и даже с запасом.

Для сравнения приводим картину пульсаций на выходе БП старого компьютера. Этот блок изначально не был выдающимся, но явно не стал лучше от времени. Судя по размаху низкочастотных пульсаций (обратите внимание, что деление развертки напряжения увеличено до 50 мВ, чтобы колебания поместились на экран), сглаживающий конденсатор на входе уже пришел в негодность. Высокочастотные пульсации на шине 5 В находятся на грани допустимых 50 мВ.

В следующем тесте определяется КПД блока при нагрузке от 10 до 100% от номинальной мощности (путем сравнения мощности на выходе с мощностью на входе, измеренной при помощи бытового ваттметра). Для сравнения на графике приводятся критерии различных категорий 80 PLUS. Впрочем, большого интереса в наши дни это не вызывает. На графике приведены результаты топового БП Corsair в сравнении с весьма дешевым Antec, а разница не то чтобы очень велика.

Более насущный для пользователя вопрос - шум от встроенного вентилятора. Непосредственно измерить его вблизи от ревущего стенда для тестирования БП невозможно, поэтому мы измеряем скорость вращения крыльчатки лазерным тахометром - также при мощности от 10 до 100%. На нижеприведенном графике видно, что при низкой нагрузке на этот БП 135-миллиметровый вентилятор сохраняет низкие обороты и вряд ли слышен вообще. При максимальной нагрузке шум уже можно различить, но уровень все еще вполне приемлемый.