Способы коррекции в блоках питания фактора мощности: типы PFC. Принцип действия активного и пассивного PFC. Преимущества активного типа PFC по сравнению с пассивным.
Весьма значимым аспектом в блоке питания является тип его PFC, бывающий Пассивным или Активным.
PFC (т.е. Power Factor Correction) можно перевести как «Корректировка фактора мощности», попадается также наименование «компенсация реактивной мощности».
Самый простой вид — Пассивный. Он способствует небольшому сглаживанию импульсов тока, растягивая их по времени. Блоки питания с PFC активного типа более сложны и более современны.
Активный PFC не только гарантирует коэффициент мощности, приближенный к идеальному, но, в отличие от PFC пассивного, еще и улучшает функционирование блока питания.
С ним дополнительно стабилизируется входное напряжение главного стабилизатора блока, и блок оказывается намного менее чувствительным к снижению сетевого напряжения.
Плюс, применяя активный PFC, довольно легко разрабатывать блоки с универсальным способом питания 110. 230В, не нуждающиеся в ручном переключении напряжения сети.
Применение активного PFC также улучшает реагирование блока питания при коротких периодах (доли секунды) падения напряжения сети – в данные мгновения блок функционирует за счет энергии, выделяемой конденсаторами высоковольтного выпрямителя, при этом эффективность их работы возрастает больше, чем в 2 раза.
Следующий плюс применения активного PFC — на выходных линиях понижается уровень помех высокой частоты.
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.
Выбрать блок питания для компьютера не так просто, как может казаться. От выбора блока питания будет зависеть стабильность и срок службы компонентов компьютера, поэтому стоит подойти к этому вопросу более серьезно. В данной статье я попытаюсь перечислить основные моменты, которые помогут определиться в выборе надежного блока питания.
Мощность.
На выходе блок питания дает следующие напряжения +3.3 v, +5 v, +12 v и некоторые вспомогательные -12 v и + 5 VSB. Основная нагрузка ложится на линию +12 V.
Мощность (W – Ватт)расчитывается по формуле P = U x I, где U – это напряжение (V – Вольт), а I – сила тока (A – Ампер). Отсюда вывод, чем больше сила тока по каждой линии, тем больше мощность. Но не все так просто, допустим при большой нагрузке по комбинированной линии +3.3 v и +5 v, может уменьшиться мощность на линии +12 v. Разбирем пример на основе маркировки блока питания Cooler Master RS-500-PSAP-J3 – это первое фото, которое я нашел в интернете.
Указано, что максимальная суммарная мощность по линиям +3.3V и +5V = 130W, также указано, что максимальная мощность по линии +12V = равна 360W. Обратите внимание, что указаны две виртуальные линии +12V1 и +12V2 по 20 Ампер каждая – это вовсе не означает, что общий ток 40А, так как при токе в 40А и напряжении 12V, мощность бы была 480W (12×40=480). На самом деле указан максимально возможный ток на каждой линии. Реальный же максимальный ток легко рассчитать по формуле I=P/U, I = 360 / 12 = 30 Ампер.
Также обратите внимание на строчку ниже:
The +3.3V & +5V & +12V total output shall not exceed 427.9 W – получается что суммарная мощность по всем линиям не должна превышать 427.9W. В итоге мы получаем не 490W (130 + 360), а всего лишь 427.9. Опять же важно понимать, что если нагрузка на линии +3.3V и 5V будет, скажем 100W, то отняв от максимальной мощности 100W, т.е. 427.9 – 100 = 327.9. В итоге мы получим 327.9W в остатке на линии +12V. Конечно, в современных компьютерах нагрузка на линии +3.3V и +5V вряд ли будет больше 50-60W, поэтому смело можно считать, что мощность на линии +12V будет 360W, а ток 30A.
Расчет мощности блока питания.
Для расчета мощности блока питания можете воспользоваться этим калькулятором http://www.extreme.outervision.com/psucalculatorlite.jsp , сервис на английском языке, но думаю разобраться можно.
По своему опыту могу сказать, что для любого офисного компьютера вполне достаточно блока питания на 300W. Для игрового хватит БП на 400 – 500W, для самых мощных игровых с очень мощной видеокартой или с двумя в режиме SLI или Crossfire – необходим блок на 600 – 700W.
Процессор обычно потребляет от 35 до 135W, выдеокарта от 30 до 340W, материнская плата 30-40W, 1 планка памяти 3-5W, жесткий диск 10-20W. Учитывайте также, что основная нагрузка ложится на линию 12V. Да, и не забудьте добавить запас 20-30% с расчетом на будущее.
КПД.
Не маловажным будет КПД блока питания. КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение выходной мощности к потребляемой. Если бы блок питания мог преобразовать электрическую энергию без потерь, то его КПД был 100%, но пока это невозможно.
Приведу пример, для того, чтобы блоку питания с КПД 80% обеспечить на выходе мощность 400W, он должен потреблять от сети не больше 500W. Тот же блок питания, но с КПД 70%, будет потреблять около 571W. Опять же, если блок питания не сильно нагружен, например на 200W, то и потреблять от сети он будет тоже меньше, 250W при КПД 80% и приблизительно 286 при КПД 70%.
Существует организация, которая тестирует блоки питания на соответствие определенному уровню сертификации. Сертификация 80 Plus проводилась только для электросети 115В распространенной, например в США. Начиная с уровня 80 Plus Bronze, блоки питания тестируются для использования в электросети 230В. Например, для прохождения сертификации уровня 80 Plus Bronze КПД блока питания должен быть 81% при нагрузке 20%, 85% при нагрузке 50% и 81% при нагрузке 100%.
Наличие одного из логотипов на блоке питания говорит о том, что блок питания соответствует определенному уровню сертификации.
Плюсы блока питания с высоким КПД:
Во-первых, меньше энергии выделяется в виде тепла, соответственно системе охлаждения блока питания нужно отводить меньше тепла, следовательно, и шума от работы вентилятора меньше. Во-вторых, небольшая экономия на электричестве. В-третьих, качество у данных БП высокое.
Активный или пассивный PFC?
PFC (Power Factor Correction) – Коррекция фактора (коэффициента) мощности. Фактором мощности называется отношение активной мощности к полной (активной + реактивной).
Так как реальная нагрузка обычно имеет еще индуктивную и емкостную составляющие, то к активной мощности добавляется реактивная. Нагрузкой реактивная мощность не потребляется – полученная в течение одного полупериода сетевого напряжения, она полностью отдается обратно в сеть в течение следующего полупериода, впустую нагружая питающие провода. Получается, что от реактивной мощности толку ноль, и с ней по возможности борются, с помощью различных корректирующих устройств.
PFC – бывает пассивным и активным.
Преимущества активного PFC:
Активный PFC обеспечивает близкий к идеальному коэффициент мощности (у активного 0.95-0.98 против 0.75 у пассивного).
Активный PFC стабилизирует входное напряжение основного стабилизатора, блок питания становится менее чувствительным к пониженному сетевому напряжению.
Активный PFC улучшает реакцию блока питания во время кратковременных провалов сетевого напряжения.
Недостатки активного PFC:
Снижает надежность блока питания, так как усложняется устройство самого блока питания. Требуется дополнительное охлаждение. В целом преимущества активного PFC перевешивают его недостатки.
Подробно про PFC можно прочитать здесь.
В принципе можно не обращать внимания на тип PFC. В любом случае, при покупке блока питания меньшей мощности, в нем, скорее всего, будет пассивный PFC, при покупке более мощного блока от 500 W – вы, скорее всего, получите блок с активным PFC.
Система охлаждения блоков питания.
Наличие в блоке питания, вентилятора считается нормой, его диаметр чаще всего 120, 135 или 140 мм.
Кабели и разъемы.
Обратите внимание на количество разъемов и длину кабелей идущих от блока питания, в зависимости от высоты корпуса нужно выбрать БП с соответствующими по длине кабелями. Для небольшого корпуса достаточно длины 40-45 см.
Современный блок питания имеет следующие разъемы:
24-х контактный разъем для питания материнской платы. Обычно раздельный 20 и 4 контакта, бывает и цельный.
Разъем процессора. Обычно 4-х контактный, для более мощных процессоров используется 8-и контактный.
Разъем для дополнительного питания видеокарты. 6-и и 8-и контактный. 8-и контактный иногда сборный 6+2 контакта.
Разъем SATA для подключения жестких дисков и оптических приводов.
4-х контактный разъем (Molex) для подключения старых IDE жестких дисков и оптических приводов, также применяют для подключения вентиляторов.
4-х контактный разъем для подключения дисководов FDD.
Модульные кабели и разъемы.
Многие более мощные блоки питания сейчас используют модульное подключение кабелей с разъемами. Это удобно, тем, что нет надобности, держать неиспользуемые кабели внутри корпуса, к тому же меньше путаницы с проводами, просто добавляем по мере необходимости. Отсутствие лишних кабелей, также улучшает циркуляцию воздуха в корпусе. Обычно в этих блоках питания несъемные только разъемы для питания материнской платы и процессора.
Производители.
Производители блоков питания делятся на три группы:
- Производят свою продукцию – это такие бренды, как FSP, Enermax, HEC, Seasonic, Delta, Hipro.
- Производят свою продукцию, частично перекладывая производство на другие компании, например Corsair, Antec, Silverstone, PC Power & Cooling, Zalman.
- Перепродают под собственной маркой (некоторые влияют на качество и выбор компонентов, некоторые нет), например Chiftec, Cooler Master, Gigabyte, OCZ, Thermaltake.
Можно смело приобретать продукцию этих брендов. В интернете можно найти обзоры и тесты многих блоков питания и ориентироваться по ним.
Надеюсь, данная статья поможет вам дать ответ на вопрос «как выбрать блок питания для компьютера?».
“>