K-Flash

«Некоторые подробности, касающиеся блоков питания»

Сбои в работе компьютерной системы (в простонародье «глюки») сопровождали пользователей очень давно. Они были разного происхождения, различного характера. Причины, вызывающие их, были различны для каждого нового поколения систем: с каждым появлением нового аппаратного либо программного обеспечения появлялись новые преимущества, но так же проявлялись и ошибки, вызванные несовершенством технологий, их «сыростью», незавершенностью и беззащитностью перед форс-мажорными обстоятельствами. Вспомним причины прошлых лет, на которые чаще всего списывались сбои в работе компьютерной техники:

• Начало 90-тых годов. Времена безраздельного господствования 386-х процессоров в классе «mainstream», 486-х в классе «high-end», и робкое зарождение эпохи «Pentium». Подавляющее большинство системных сбоев и ошибок списывалось в те времена на работу вирусов, а также некачественный взлом программ и игр.
• Середина 90-тых годов. Pentium 166 MMX в паре с Windows 95 – центр цифровой домашней вселенной. В этот период становится очевидно, что не вирусами едиными можно вызвать сбой – новые продукты Microsoft вернули утраченную популярность кнопке «Reset». Ошибки программистов сделали актуальной опцию автосохранения открытого рабочего проекта через промежутки времени: участились случаи, когда после нескольких часов напряженной работы компьютер зависал, и пользователь после перезагрузки оказывался перед чистым листом.
• Конец 90-тых годов. Кроме проблем с софтом от Microsoft, пользователи наконец то стали видеть закономерность, что на брендовых комплектующих система работает стабильнее, чем на безымянных.

В 21 веке проблема выбора «правильного» железа и аппаратных сбоев встала еще острее в некоторых моментах, чем программные сбои. Проблемы программного обеспечения стали решаться довольно тривиально: на имеющуюся проблему делаются пакеты обновлений, сервис-паки и патчи, либо просто выпускается новая версия, лишенная этих недостатков. С аппаратным обеспечением куда сложнее. Конечно, проблемы системной логики в большинстве случаев можно решить, перепрошив биос, проблемы с работой HDD – выполнив низкоуровневое форматирование фирменной утилитой, а проблему охлаждения – установив дополнительный вентилятор. Ну а как решить проблему некачественного исполнения системной платы, видеокарты, памяти, блока питания и т.д.? Да никак: лучшее лечение – профилактика!

Качественный БП – основа стабильности работы системы.

Проблема качественного электропитания возникла относительно недавно. Вероятно, она существовала еще задолго до этого. Но ввиду того, что настольные компьютерны недалекого прошлого потребляли гораздо меньшую мощность, чем современные системысобратья, проблема не была столь актуальной. Довольно редко можно было встретить десктопный АТ-шный блок питания мощнее 200 Вт: процессоры и видеоадаптеры «двоек» и «троек» потребляли единицы Ватт, а дополнительная периферия, такая как звуковая карта, дополнительный винчестер, привод CD-ROM, встроенный модем и т.д., в большинстве отсутствовали. Но даже при присутствии их потребление не составляло опасности для БП.

Перелом наступил с появлением «прожорливого» Pentium II. Стараниями Intel был введен новый стандарт питания – ATX, предусматривающий, среди прочего, 20-контактную колодку, поскольку принятый до этого AT не мог уже обеспечить надлежащего питания по току. Выросла и номинальная мощность производимых блоков питания – стандартом стали 230-250 Вт. Инициатором следующего обновления опять оказалась корпорация Intel. С появлением Р4 выяснилось, что уже и АТХ не способен обеспечить нормальное питание для этой системы. Не то, чтобы ему не хватало 250 Вт. Просто суммарный ток, идущий по цепи 12 В был настолько высоким, что сечения проводника и площади уверенного контакта в разъеме не хватало, чтобы обеспечить надлежащий уровень амплитуды тока. В некоторых случаях это бы вызывало искрение и нагрев контактов разъема питания – плата через короткое время выходила из строя.. Поэтому питание процессора было выведено на отдельный 4-контактный разъем, а стандарт получил название АТХ 12V (20 + 4 контактов).

Другой игрок процессорного рынка – AMD, в этой гонке принимал пассивное участие, отказываясь оперативно реагировать на нововведения, устроенные конкурентом. Долгое время материнские платы для процессоров K6, K6-II и K6-III продолжала запитываться по стандарту АТ, в то время как большинство плат конкурента использовали АТХ. Наряду с этим, в некоторых платах для процессоров Celeron применялось двойное питание (АТ и АТХ одновременно). AMD перешла на ATX только с вводом в серийное производство процессоров Athlon на ядре K7. По непонятным причинам, AMD до сих пор не приняла стандарт ATX 12V – у владельцев однопроцессорных плат под Socket 462 разъем питания 4-pin не задействован. Этот факт свидетельствует отнюдь не в пользу AMD: Athlon потребляет энергию на уровне Р4, при этом питание подается с общего потока, а не по отдельному каналу, как Р4. Поэтому, система на AMD гораздо более критична к качеству питания. К сожалению, этот фактор способствовал распространению обывательского мнения, что система на процессорах Intel в целом стабильнее, чем на AMD. А дело то совсем не в этом… Но вернемся к этому вопросу чуть позже.

Сколько мне нужно Ватт?

Не вдаваясь в подробности ниже, я могу сразу дать ответ – минимум 300 Вт. Почему? Да потому, что 300 Вт – это тот минимум, который позволит в течение хотя бы нескольких лет не задумываться о покупке нового БП. Ведь мощности основных потребителей питания (процессор, видеокарта, материнская плата и т.д) постоянно растут; периферийные устройства, которые хоть и не так много потребляют, но в связи с их растущей доступностью все равно когда либо окажутся внутри системного блока, тоже отнимают свой кусок общей мощности.

Но это все слова, где же факты и цифры, спросят некоторые. Нет проблем. Для этого всего то и надо сделать, что просуммировать данные потребления мощности каждого элемента. Но проблема заключается в том, что составить расчет с точностью до 1 Вт невозможно, поскольку производители очень редко дают информацию о потреблении мощности производимых устройств. К тому же, у каждого производителя свои мерки - мощность, потребляемая жесткими дисками разных компаний, может сильно отличаться. Это касается и других устройств. Поэтому расчет делается весьма приблизительный, с условием «лучше больше, чем меньше». Данные взяты из множества источников, найденных поисковиком. И поскольку, как говорилось выше, данные различны, представим их в интервалах.

Теперь все суммируем по минимуму и по максимуму:
Pmin = 90+30+10+30+50+25+7+10+2+10 = 254 Вт
Pmax = 50+15+5+7+10+10+5+5+1+8 = 116 Вт

Таким образом, в среднем потребляемая мощность среднестатистического ПК лежит в пределах 116-254 Вт. От этих цифр и стоит отталкиваться. Следует также заметить, на примере процессора, что мощность 90 Вт – это не постоянное, а пиковое, кратковременное потребление в течение короткого времени. К тому же, это значение применимо, скорее, к топовым моделям, младшие потребляют значительно меньше. Например, Celeron 800 по имеющимся данным, потребляет всего 15-20 Вт. Это же касается и жестких дисков, энергопотребление которых достигает максимума при записи, а при чтении и, особенно, в холостом режиме, уменьшается. Еще интереснее ситуация с видеоадаптерами. Видеокарты уровня 50 и более Ватт рассчитаны на слот AGP Pro. Обычный слот AGP 4x имеет предел по питанию в 25 Вт. При необходимости использовать более мощный девайс производители выходят из положения, размещая на видеокарте отдельный разъем питания (как например в ATI Radeon 9700 и Voodoo 5):

Таким образом, видеокарта в стандартном слоте не выйдет за пределы 25 Вт. К тому же, максимум по мощности она достигает при активном использовании «горячих» возможностей в 3D-играх. В штатном режиме устройство потребляет гораздо меньше. «Так что ты нам лапшу вешаешь насчет 300 Вт? Тут при желании и в 100 Вт можно вложиться!» - могут предположить самые нетерпеливые, - «в чем подвох?» А подвох в том, что допустимая мощность БП, например 300 Вт – также не постоянная, а пиковая. БП может ее выдать, но кратковременно. Ситуацию можно сравнить с двигателем автомобиля – если при холостом режиме хорошо надавить газ, стрелка тахометра под рев двигателя конечно ляжет в крайнее правое положение, но… В таком режиме двигатель вряд ли продержится более 10 минут.

Точно так же и блок питания – короткое время при большой нагрузке он выдает положенную мощность, а после начинаются отклонения: начинает греться трансформатор, транзисторы преобразователя напряжения, выпрямительные диоды и т.д. Нетрудно сделать вывод, что чем больше радиаторы на транзисторах, чем больше трансформатор – тем дольше продержится блок питания в пределах заданных допусков. Упрощенная структура блока питания

Рассмотрим структуру БП: 1. Выпрямитель сетевого напряжения;
2. Регулируемый преобразователь напряжения;
3. Трансформатор;
4. Выпрямитель и сглаживающий фильтр;
5. Контур обратной связи.

Входное переменное напряжение Uвх выпрямляется выпрямителем 1 в постоянное. Далее, при помощи преобразователя 2 напряжение преобразуется в переменное, но уже не 50 Гц, а, по разным источникам, 20-60 кГц. После чего оно опять выпрямляется выпрямителем-фильтром 4 и подается на выход Uвых. Контур обратной связи 5 состоит из множества управляющих и корректирующих цепей. Его работа – поддерживать выходное напряжение на необходимом уровне.

Внешние визуальные признаки отличия качественного от некачественного БП

Если БП опломбирован стикером, то главный критерий качества БП, как это не банально, будет его масса. Качественный БП 300 Вт должен весить 2 и более кг. Львиную долю общей массы составляет вес трансформатора, радиаторов, а также заполнение платы элементами (конденсаторы, соленоиды, резисторы) Если же масса БП в районе одного килограмма – это свидетельствует об уменьшенном размере трансформатора. Если есть возможность заглянуть внутрь БП,задача упрощается. Отсутствие элементов фильтров пульсаций так же внесет свои коррективы как в общую массу, так и в качество работы БП.

БП – важная составляющая вентиляции

Мало кто обращал внимание на то, что БП, кроме своих основных функций, выполняет также по совместительству роль вытяжного устройства. Качественный корпус спроектирован таким образом, что внутри происходит непрерывный охлаждающий цикл: холодный воздух снизу с помощью вытяжного устройства поднимается вверх, при этом охлаждая встречающиеся по пути горячие устройства. При этом, чем оптимальнее расположены воздухозаборные отверстия, тем лучше будет происходить охлаждение. Взгляните на изображения, и вам станет все понятно. Как вы считаете, какой процессор чувствует себя комфортнее? 

Иногда вместо нижних отверстий производители вставляют дополнительный вентилятор, для более эффективной вентиляции.

Методы проверки БП на соответствие характеристик в домашних условиях.

Типичная ситуация – компьютерная система, системный блок запитывает БП неизвестного происхождения. Компьютер периодически сбоит. Можно ли выяснить, является ли БП причиной «глюков», или причина в другом железе и сыром софте? К сожалению, прямого метода, который можно было бы воспроизвести в домашних условия, нет. Безусловно, попытки выяснить точные параметры предпринимались, и неоднократно, как отдельными независимыми энтузиастами, так и крупными организациями. Но проблема состоит в том, что компьютерная система является сложнейшим электронным устройством, и смоделировать идентичную модель со схожими характеристиками едва ли представляется возможным. Некоторые делали просто – проверяли выходные характеристики БП, подключая к выходу … резистор и делая однозначные выводы. Да, именно резистор (или поочередно резисторы разного сопротивления)!. При этом эти «специалисты» упускали из виду, что реальная нагрузка компьютерного блока питания в лице компьютерной системы имеет, кроме активной составляющей, существенную реактивную составляющую (вспомните батарею конденсаторов на материнской плате). К тому же, система, как нагрузка, имеет переменный хаотический характер, где имеют место множественные переходные процессы, пренебрежение которыми может иметь тяжкие последствия. Именно поэтому сравнительные тестирования блоков питания в компьютерной прессе чрезвычайно редки – отсутствует утвержденная однозначная методика тестирования. А большинство проведенных доселе авторских тестов должны содержать в своем заголовке «IMHO»…

Идеальной моделью для тестирования была бы сама компьютерная система. Но велика вероятность того, что в результате экспериментов ее можно вывести из строя, а значит, тестирование выйдет неоправданно дорогостоящим и . К тому же, для снятия характеристик понадобятся дорогостоящие приборы. Таким образом, прямое тестирование со снятием количественных характеристик в домашних условиях невозможно. Тем не менее, есть способы снятия второстепенных характеристик, значения которых пропорциональны основным характеристикам. Например, вот один из способов, который был проверен автором несколько лет назад. Данный тест выявляет, какой реальный запас по мощности у БП в отношении конкретной системы.

Внимание! Поскольку тест выходит за рамки правил эксплуатации компьютера, использование его может вывести компьютер из строя! “Composter” не несет ответственности….

Для теста, кроме компьютера, понадобится вольтметр и переменный регулируемый трансформатор (латор). В качестве латора можно использовать старые переменные трансформаторы, которые в 70-80-тых годах широко использовались в сельской местности с плохим уровнем напряжения для питания радио- и телеаппаратуры.

Методика тестирования проста. Она заключается в выявлении границы входного напряжения, при котором компьютер будет сохранять работоспособность. В исходном состоянии на вход БП подаются штатные 220В. Далее, входное напряжение при помощи переменного трансформатора уменьшается с определенным шагом (1-5 В). После каждого уменьшения визуально проверяется работоспособность системы при таком уровне напряжения. Уменьшение производится до тех пор, пока система не зависнет, или компьютер самостоятельно не пойдет на перезагрузку.

Этим методом автором был проверен компьютер 486 DX100 6 лет назад. Компьютер часто перезагружался, сбоил при любом скачке напряжения. Поверхностная проверка не принесла результатов: в холостом режиме БП исправно выдавал напряжение. Для тестирования был взят еще один БП, заведомо исправный. Проверка показала, что на исправном БП компьютер дотягивал до 175В, на неисправном перезагружался уже при 201 В.

Точно таким же путем можно проверить БП на повышение входного напряжения от номинального. Разумеется, этот способ опасен, и может привести к выходу из строя оборудования. Поэтому без лишней необходимости его использование категорически не рекомендуется.

Поверхностную проверку качества блока питания можно также провести по косвенным признакам. Для этого не понадобится дополнительное оборудование и приборы, достаточно будет программы мониторинга материнской платы и какого-нибудь дополнительного энергоемкого комплектующего (например, дополнительный HDD)
1. Этот способ подойдет для случая, когда системный блок опечатан, и вы не в состоянии не только посмотреть на размер трансформатора вашего БП, но и не знаете даже его названия. Для выполнения теста понадобится какая-нибудь программа, которая бы была в состоянии хорошо нагрузить вашу систему на продолжительное время: либо «тяжелая» демка, либо рендеринг сложной сцены, либо открытие-сохранение в Photoshop файла объемом в десяток гигабайт, либо перекодирование фильма с MPEG 2 в MPEG 4. Перед выполнением действия зарегистрируйте текущие уровни напряжения. После выполнения проверьте текущие значения с первоначальными: если они значительно изменились, на несколько десятых, значит БП нагрелся, соответственно, для него это тяжелая ноша. Менять!
2. Для этого способа должен быть доступ внутрь корпуса, и нужен дополнительный девайс (как мы условились выше, это будет HDD 7200 об/мин). Фиксируются напряжения до установки девайса, и после установки. Опять же, если произойдет изменение в несколько десятых – стоит задуматься о покупке нового БП.

А вот пример 2 в действии. AMD Athlon XP 1700+, EPoX 8KHAL+, RAM DDR 256 MB Samsung, HDD WD 40 GB 7200 об/мин, Video AOpen GF4 MX440 и т.д. В качестве блока питания был установлен один из самых популярных, но далеко не самых качественных БП (я думаю, постоянные посетители Компостера догадались, про какой БП идет речь  ) Разумеется, в целях рекламы илбо антирекламы производителя мы упоминать не будем. Первый скриншот показывает вольтаж текущей системы. Второй скриншот отображает напряжения после того, как в систему был добавлен еще один HDD 7200 об/мин. Как видно, падение напряжения значительное, что свидетельствует о «потрясающем» качестве девайса. Следует отметить, что проверять на падение напряжения лучше на платформе AMD, поскольку, как отмечалось выше, в системе на Р4 процессор ведет себя более посредственно в нагрузке БП.

Что нас ждет в будущем?

Будущее питания десктопных Intel–систем весьма прогнозируемо. В ближайшее время вряд ли что-то поколебит действующий стандарт ATX 12V – его ресурсы пока позволяют смело ориентироваться на будущие, более «прожорливые» системы. В даже в случае переворота в процессоростроении у Intel есть козырь в рукаве – широко распространенный серверный стандарт EPS 12V, который при желании может быть переведен в разряд десктопных.

У AMD будущее более туманно. Ресурсы питания по стандарту ATX практически исчерпаны. У AMD есть два пути – либо принять стандарт ATX 12V, либо разработать собственный. По разработке собственного у AMD есть печальный опыт, правда только в секторе дуальных систем. Компанией продвигался стандарт ATX-GES, но он не набрал должной популярности, в первую очередь, из-за несовместимости с другими платформами и высокой стоимостью. Поэтому, даже в дуальных системах AMD скорее всего перейдет на стандарт EPS 12V.

P.S. Большинство выводов сделано автором на основе личного опыта, умозаключений и эмпирических результатов, которые разумеется не могут быть всеобъемлющими, и не должны восприниматься, как аксиоматическая истина.