С ростом количества энергии,  потребляемой современными компьютерами, выросли и мощности компьютерных блоков питания (БП). При этом наращивать мощность только за счет увеличения числа блоков и/или силовых элементов (диодных сборок, транзисторов) стало невозможным, потому что, если оставить коэффициент полезного действия (КПД) на прежнем уровне (60-70 %), то на силовых элементах БП мощностью 600 Вт при полной загрузке будет рассеиваться 180 Вт. Для сравнения - такую мощность в состоянии рассеять только хорошие процессорные кулеры. Появилась необходимость использования узлов с большим КПД. Также все больше компонентов компьютера (процессор, видеокарта) стали запитываться от канала 12 В. Требования к каналам 5 В и 3.3 В становились все ниже. Поэтому в современных БП сила тока по линиям 5 В и 3.3 В суммарно не превышает 30 А. К тому же многие БП (по заявлению производителей) могут выдать всю паспортную мощность по линиям 12 В.
Для тестирования к нам в лабораторию попал блок питания для энтузиастов ENERMAX REVOLUTION ERV1050EWT мощностью 1050 Вт.

 

 

Блок питания комплектуется следующим образом:

Содержит:
1) Непосредственно сам блок питания.
2) Шнуры для подключения устройств.
3) Сетевой шнур.
4) Сумочка для хранения неиспользуемых кабелей.
5) Хомуты для фиксации проводов в корпусе (очень полезная штука).
6) Инструкция (в том числе и на русском языке).
7) Крепежные винты.

Конфигурация  кабелей блока питания показана в таблице:

Длины прилагающихся проводов с лихвой хватит для установки блока питания даже в корпуса форм-фактора bigtower.
Особенностью блока является наличие разъема таходатчика вентилятора для подключения к материнской плате.

 

БП охлаждается одним вентилятором с диаметром крыльчатки 130 мм на двух шарикоподшипниках. Типоразмер вентилятора 140 мм.

 

Вентилятор имеет маркировку Silence RL4Z-B1352512LB-3M. Грубая оценка мощности, потребляемой нашим стендом, была сделана с помощью калькулятора и равнялась  440+366 Вт (два разогнанных стенда) после 2-х часов прогона 3DMark06 скорость вращения вентилятора составили 970 об/мин, при этом температура выдуваемого воздуха (открытый стенд) составила 39 С⁰, температура воздуха в комнате 23 С⁰. На таких оборотах вентилятор практически не слышно с расстояния полуметра, если не брать во внимание еле уловимый призвук трущихся деталей, характерный для вентиляторов на шарикоподшипниках. Такой шум от БП не назойлив и, если вспомнить, что компьютер, потребляющий 1000 Вт, будет шуметь куда больше, то рассматривать проблему шума считаю в данном случае неуместным. Примечательно то, что при выключении БП вентилятор продолжает работать около 65-и секунд. Первый раз мы были шокированы - показалось, что либо не выключен компьютер, либо вентилятор так всегда и будет крутиться.

Теперь перейдем к рассмотрению внутреннего устройства БП.

 

 

Первое, что бросилось в глаза - это то, что основная плата сделана из текстолита и дорожки разведены с обеих сторон. Большинство бюджетных БП и блоков среднего ценового диапазона, а также некоторые из дорогих изделий основаны на плате из гетинакса. Текстолит более прочен по сравнению с гетинаксом, также к нему лучше приклеивается медная фольга, поэтому плата из текстолита выдерживает большее количество перепаек, чем плата из гетинакса, к тому же стеклотекстолит имеет большую жесткость и, соответственно, меньше подвержен деформации, на него можно ставить более тяжелые компоненты. Но это плюс только для тех случаев, когда может возникнуть потребность в перепайке деталей БП.

Теперь последовательно опишем все особенности схемотехники данного БП.

На входе стоит фильтр нижних частот 2-го порядка с частотой среза около 50 кГц. Он ослабляет высокочастотные помехи, идущие из сети в БП и обратно. Далее стоит выпрямитель сетевого напряжения, состоящий из двух параллельно соединенных диодных мостов GBU2006. Документации на них найти не удалось, но по аналогии в маркировке с диодными мостами других производителей предположим, что это диодные мосты 20 А, 600 В. С установленным небольшим радиатором способны долговременно выдерживать ток порядка 11-12 А, что несколько больше тока, потребляемого блоком питания, который при питании от сети с напряжением 100 В на максимальной мощности будет потреблять ток 12,5 А (действующее значение).
Выпрямленный ток идет на схему коррекции коэффициента мощности (PFC - Power Factor Correction) на контроллере ICE2PCS01

 

В качестве ключевого транзистора выступают четыре параллельно соединенных полевых транзистора FQA24N50F 24 А, 500 В



 

Применение в блоке питания схемы коррекции коэффициента мощности увеличивает цену, габариты, массу БП, но при этом позволяет расширить диапазон рабочих напряжений БП, использовать электролитические конденсаторы и силовые транзисторы в преобразователе с меньшими запасами по напряжениям, уменьшить требования к ёмкости сглаживающих конденсаторов, но и одновременно увеличивает требования к их качеству. Конденсаторы  должны хорошо работать при импульсных нагрузках и иметь низкий ESR (Effective Serial Resistance) - эквивалентное последовательное сопротивление. Конденсаторы фильтра - это три параллельно соединенных конденсатора 220 мкФ, рассчитанных на напряжение 400 В. Далее идет его величество преобразователь. Его величество потому, что до знакомства с этим БП таких схемотехнических решений, примененных в блоках питания, нам не встречалось.

Рис. 11: Преобразователь

Эта схема сдвоенного прямоходового преобразователя напряжения с поочередным включением, содержащая два прямоходовых преобразователя напряжения, работающих со сдвигом по фазе 180 C⁰, применен контроллер ШИМ UCC28220 производства Texas Instruments.
Микросхема контроллера ШИМ располагается на плате контроллера PFC. В качестве ключевых транзисторов используются полевые транзисторы K20J60T (20 А, 600 В) производства Toshiba.
Такое схемотехническое решение позволяет снизить пульсации тока входных и выходных конденсаторов [1]. Данный тип преобразователя носит название 2 SWITCH FORWARD (рис 12). Подробнее с типами DC-DC преобразователей можно ознакомиться в брошюре.

 

 

Преимуществом применения двух транзисторов в каждом преобразователе вместо одного является возможность установки в БП транзисторы с меньшим предельным напряжением сток-исток, которые не только дешевле (пара транзисторов на 600 В стоит дешевле одного на 1000 В), но и имеют сопротивление в открытом состоянии в 3-5 раз ниже, чем высоковольтные аналоги. В итоге такое схемотехническое решение имеет целый ряд преимуществ над преобразователем типа FORWARD (больший КПД, более легкий отвод тепла от ключевых транзисторов, меньшая стоимость).
Идем дальше, а далее второй приятный сюрприз от этого БП. Выходной выпрямитель был построен не на диодах Шоттки, а по схеме синхронного выпрямителя.

 

Эпюры входного и выходного напряжения схемы синхронного выпрямителя (полученные в ходе моделирования в САПР Micro-Cap 8), показаны на рисунке:

Такое схемное решение позволяет увеличить КПД по сравнению с диодами Шоттки (КПД не выше 86%) и довести его до 96% и более [2]. В БП установлено 2 синхронных выпрямителя каждый из которых состоит из четырех полевых транзисторов IRFB3307 (75 А, 20В) соединенных по 2 в параллель.

Выходной фильтр состоит из восьми конденсаторов 2200 мкФ на напряжение 16 В производства United Chemi-Con. Каждый из них имеет внутренний импеданс не более 9 мОм (на частоте 100 кГц) и способен обеспечить пиковый ток 3.22 А.

Для киловаттного блока считаю величину пикового тока отдаваемого выходными фильтрами 25 А недостаточной для обеспечения необходимого импульсного тока.
Особенностью данного БП можно отметить наличие керамических конденсаторов в выходном фильтре.

 

Честно говоря, это первый блок питания на нашей практике, в котором изначально имеются керамические конденсаторы в выходном фильтре, а ведь их там порой так не хватает. Этот факт безоговорочно записываем в плюс. 
Датчиками потребляемого тока служат 6 шунтов, установленных на основной плате БП.

 

Основной преобразователь вырабатывает только напряжение 12 В, остальные (3,3 В и 5 В) вырабатываются дополнительными DC-DC преобразователями, расположенными на плате с разъемами для подключения кабелей.

 

Такое схемотехническое решение позволяет практически полностью исключить зависимость напряжений друг от друга или так называемые «качели», что, безусловно, является плюсом.
Преобразователи основаны на контроллере ШИМ Anpec APW7073 и собраны по его типовой схеме включения. В качестве ключевых транзисторов применены полевые транзисторы APM2510 и APM2556, включенные попарно параллельно. Должны сказать, что у транзисторов APMxxxx плохая слава среди ремонтников железа [3], но не факт, что в данном случае все будет также плохо.
Еще пара особенностей, которые бы хотелось отметить:
1)    Источник дежурного питания способен выдать ток 5 А, чего достаточно для питания 10 USB каналов максимальным током (по 0.5 А на каждый канал). Преобразователь выполнен на микросхеме ICE2A265

 

1.    Монтаж и пайка БП выполнены на высоком уровне. Это обязательно для изделия такого класса.
2.    Из-за модульности блока питания возрастает суммарная длина проводов, что увеличивает выходное сопротивление, а также дополнительный разъем уменьшает надежность цепи.  С другой стороны, модульное подключение проводов позволяет использовать только те из них, которые будут задействованы. Это позволит снизить количество проводов внутри корпуса, а следовательно и сопротивление потоку воздуха, создаваемого корпусными вентиляторами. Так же на разъемах указано к какой из "виртуальных" линий +12V они относятся, это помогает равномерно распределять нагрузку на блок питания, создаваемую видеокартами в multi-GPU системах.

 

Тестирование

Тестирование проходило в 2 этапа:

1)    Испытание на резистивной нагрузке

В качестве нагрузки выступали отрезки вольфрамовой спирали. Нагружалась только линии 12 В, при этом суммарный ток нагрузки составил ~ 4*22 А. Действующее напряжение после 30 минут работы составило 12,19 В. Но действующее напряжение, в принципе, не имеет значения потому, что DC-DC преобразователи процессора, видеокарты, памяти, северного моста могут нормально функционировать в диапазоне входных напряжений от 11,40 до 12,6 В. Следовательно, они не требовательны к действующему напряжению питания. Больший интерес представляют пульсации напряжения:

 

Отчетливо видны выбросы в момент включения каждого плеча преобразователя, но при этом размах пульсаций 59 мВ, что составляет менее 0,5% от 12 В и легко вписывается в рамки 120 мВ ограниченные технической документацией ATX12V Power Supply Design Guide
на блоки питания стандарта ATX. В спектре выходного напряжения отчетливо видны 2 гармоники 73 кГц и 146 кГц.

  Первая соответствует частоте работы каждого из плеч преобразователя, а вторая - гармоника второго порядка.
Казалось бы, осталось сделать выводы и закончить статью, но, если рассматривать первую часть объективно, можно заметить, что условия тестирования далеки от реальных. Далеки потому, что в системном блоке компьютера вся основная нагрузка (преобразователи CPU, GPU) импульсная. А так как конечному пользователю, по барабану как блок питания греет спирали, а важно как он работает в системном блоке. Поэтому было проведено еще одно тестирование.

2)    Испытание в реальных условиях

Для «полевых» испытаний был собран стенд: 

• - Процессоры: Core 2 Quad Q6600@4100 МГц(1,65 В) и Core 2 Duo Е8400@4900 МГц(1,75 В)
• - Материнские платы: 2xBiostar TPower i45
• - Оперативная память: 2x512 Mb и 2x1024 Mb Micron
• - Дисковая подсистема: 3x320 Gb SAMSUNG SATA-II
• - Видео подсистема: GeForce 9800GX2@770/1100 MHz, GeForce GTX260 216pp@750/1100 MHz и в качестве обработчика физики GeForce 9600gt
• - Мелкая нагрузка в виде вентиляторов
• - Охлаждение: на процессорах проточная вода +4 C⁰, видеокарты на стоке
• - Блок питания: ENERMAX REVOLUTION ERV1050EWT, материнская плата второго компьютера (slave) питалась от отдельного БП.

Такая конфигурация была выбрана из-за того, что в распоряжении нашей лаборатории не было стенда, способного потреблять требуемую мощность. Поэтому было решено собрать тестовый стенд из двух компьютеров.

Фото стенда с тестерами прилагается:

 

Как и следовало ожидать, результаты этих испытаний были совсем другими…

Ну, вот и началось… При работе на реальную нагрузку пульсации напряжения составляют уже не 59 мВ, а 83 мВ. Вот вам и методика тестирования БП.
Еще один примечательный момент - во время смены заставки в 3DMark 2003 (когда из системника доносится высокочастотный свист) пульсации составляют даже не 83 мВ, а 103 мВ, что уже вплотную приближается к границе, определенной стандартом.

 

Как видно, при работе на реальную нагрузку БП работает хуже. От этих показаний величины пульсаций и нужно отталкиваться.

Вот теперь можно подводить итоги.

Выводы

Достоинства:

• Модульное исполнение.
• Невысокий уровень шума.
• Низкая рабочая температура.
• Качественный монтаж и пайка.
• Ряд схемотехнических решений, позволяющих увеличить КПД, уменьшить пульсации выходного напряжения 12 В и исключить зависимость выходных напряжений друг от друга.
• Высокая мощность и способность выдать ее всю по линиям 12 В.

Недостатки:

 

• Из минусов можно отметить только довольно высокую стоимость.

Блок питания ENERMAX REVOLUTION ERV1050EWT является отличным выбором для мощного компьютера, в том числе  с разгоном и даже экстремальным разгоном, благодаря высокой эффективности и низкому уровню шума. Использование данного БП в офисных машинах неуместно, а у владельцев мощных игровых систем он, безусловно, найдет себе место.

 

Благодарности и ссылки:

Выражаю благодарность Российскому представительству Gigabyte technology за предоставленный блок питания.
Спасибо Ивану aka Kim55 за предоставленный компьютер, помощь в фотографировании и моральную поддержку.
А также Игоря Свадковского aka White за пересылку блока и Максима aka demiurg за помощь в подготовке материала.

1.    http://www.power-e.ru/2005_02_36.php
2.    http://zpostbox.narod.ru/az10.htm
3.    http://www.rom.by/search/node/дохлые%20APM

ОБСУДИТЬ МАТЕРИАЛ МОЖНО В ЭТОЙ ТЕМЕ НАШЕГО ФОРУМА.