Самый важный блок: Заметки о правильном питании современного компьютера

Авторы: Олег Нечай, Юрий Ревич, Тарас Комраз

Энергоснабжение - залог существования любого современного государства, города, предприятия, дома. И компьютера. Без качественного питания компьютер будет работать нестабильно, а может и вовсе не заработать. Именно поэтому так важно подобрать надежный и качественный блок питания.

Как ни странно, еще несколько лет назад многие не уделяли должного внимания выбору блока питания, считая его чем-то вроде бесплатного приложения к корпусу. Этим с удовольствием пользовались многочисленные китайские фирмочки, не обремененные заботой о качестве своей продукции. Нередко красивый на вид и, судя по наклейкам, мощный блок питания переставал справляться с нагрузкой, стоило лишь добавить в систему чуть более производительную видеокарту или еще один жесткий диск.

К счастью, за последние годы ситуация в корне изменилось: сегодня напороться на заведомо низкопробный товар можно либо прельстившись дешевизной, либо просто в сомнительном месте. Тем не менее и до сих пор нередки случаи, когда написанное на этикетке, мягко говоря, не соответствует действительности. Встречаются модели, не обеспечивающие заявленной мощности или быстро выходящие из строя при максимальной нагрузке. Но особой популярностью у многих, даже вполне добросовестных производителей пользуются придуманные пиарщиками громкие названия зачастую несуществующих "технологий", якобы реализованных в их продукции. Чаще всего эти "технологии" представляют собой обязательный элемент схемы современного блока питания, без которого он попросту не будет соответствовать стандарту. Однако случается, что и отсутствие того или иного элемента маркетологи умудряются назвать новой технологией с каким-либо пафосным именем.

Чтобы разговор получился предметным, начнем с краткого изложения принципов работы блоков питания. Обсудив их важнейшие параметры, мы рассмотрим разновидности и правила выбора БП.

Коэффициент мощности (в англоязычной документации - power factor) отражает соотношение между максимумами тока и напряжения (то есть разность фаз между ними) в сети переменного тока. Мощность представляет собой произведение тока на напряжение. Если их фазы совпадают (как при работе на обычную активную нагрузку - например, лампочку накаливания), то коэффициент мощности равен 1. Если же нагрузка носит реактивный характер, то есть обладает собственной индуктивностью или емкостью (именно такую нагрузку для сети представляет импульсный блок питания), то фазы тока и напряжения начинают "разъезжаться" и коэффициент мощности становится меньше единицы. В этом случае полезная мощность в нагрузке (в ваттах, Вт) оказывается меньше, чем произведение тока на напряжение (в вольт-амперах, ВА). Отметим, что коэффициент мощности - это не мера эффективности работы, как КПД, - разница между вольт-амперами и ваттами никуда не девается в физическом смысле, она всего лишь приводит к таким неприятным последствиям, как увеличение потерь в проводах, и - при больших мощностях - к некоторым другим, связанным с разбалансировкой фаз в питающей сети.

Для борьбы с реактивной мощностью используют две разные схемы коррекции коэффициента мощности (PFC) - пассивную (P-PFC) и активную (A-PFC). В первом случае это просто включенная в схему катушка индуктивности или дроссель, сглаживающий импульсные колебания, а во втором - специальная линейная схема, согласующая индуктивные и резистивные нагрузки.

Эффективность пассивной схемы невелика: если без нее коэффициент мощности составляет 0,60-0,65 (то есть блок питания попусту "прогоняет" через себя больше трети полученной мощности и возвращает ее в сеть), то с нею вырастает всего лишь до 0,70-0,75. Активная схема гораздо эффективнее: с нею бесполезная нагрузка на сеть почти полностью отсутствует, а коэффициент мощности равен 0,95-0,99!

Несмотря на рекламные заявления, значение коэффициента мощности никак не сказывается на работе компьютера, и применение блоков питания без схем коррекции лишь создает дополнительную нагрузку на квартирную электропроводку. На самом же деле схемы коррекции коэффициента мощности имеет смысл использовать в дата-центрах или крупных офисах с большим количеством компьютеров и ИБП.

У некоторых схем активной коррекции предыдущего поколения был существенный недостаток, препятствующий их использованию с источниками бесперебойного питания (ИБП): в случае критического снижения напряжения и перехода ИБП на питание от батареи схема A-PFC резко повышала энергопотребление, в результате чего в ИБП срабатывала защита от перегрузки, и компьютер моментально выключался. Впрочем, у современных блоков питания такой проблемы, насколько мне известно, уже нет. (Увы, ее проявления еще встречаются. Например, в очень популярных блоках питания Delta и их аналогах, продаваемых под другими брэндами. Столкнувшись с этой напастью, я "вылечил" ее заменой ИБП на экземпляр мощностью 1400VA, при мощности самого БП 425W, хотя скорее всего хватило бы и "тысячника". Есть и другой способ: взять ИБП с честной синусоидой, а не с ее ступенчатой аппроксимацией - тогда мощность может быть еще ниже. Некоторые пользователи перепаивали схему A-PFC, но тут уж надо иметь опыт и решительность, как у Сергея Леонова. - С.В.)

Главная функция блока питания - обеспечить подачу к элементам электросхемы компьютера постоянного стабилизированного напряжения с заданными характеристиками. Поскольку "в розетке" ток переменный, да еще и с избыточным для низковольтных комплектующих напряжением, обязательным компонентом блока питания является понижающий трансформатор.

Напомним физические принципы работы трансформатора, основанные на явлении электромагнитной индукции. На замкнутый стальной сердечник надеты две (или более) индукционные катушки, одна из которых, первичная, подключается к источнику напряжения, а другая, вторичная, - к нагрузке. После подачи на первичную обмотку в сердечнике возникает переменное магнитное поле, за счет явления электромагнитной индукции возбуждающее электродвижущую силу (ЭДС) во вторичных обмотках. Полная ЭДС в каждой обмотке пропорциональна числу ее витков. На холостом ходу, то есть в отсутствие нагрузки, напряжение на концах вторичной обмотки равно индуцированной в ней ЭДС, а при подключении нагрузки в ней появляется ток, и напряжение на ее концах уже не равно полной ЭДС. Силы тока в первичной и вторичной обмотках обратно пропорциональны соответствующим напряжениям, то есть, понижая в несколько раз напряжение, мы во столько же раз увеличиваем силу тока. Соотношение токов в первичной и вторичной обмотках равно обратному отношению числа витков обмоток.

Компьютерные блоки питания - импульсные, с широтно-импульсной модуляцией, где понижающий трансформатор работает на существенно большей частоте, нежели частота переменного тока в электросети. В таких блоках ток проходит через выпрямитель, после чего постоянное напряжение питает импульсный генератор, в котором оно преобразуется в импульсы с частотой от 10 кГц до 1 МГц и затем подается на понижающий трансформатор. Эти блоки более компактны, они используются в различном оборудовании, где требуется высокий КПД и несколько выходных напряжений. Их главные недостатки - высокий уровень высокочастотных импульсных помех (снижаются специальными фильтрами и экранированием корпуса БП), а также низкое значение коэффициента мощности - подробнее об этом написано во врезке. (Кстати, компьютеры очень желательно включать через что-то типа "Пилота", обладающего встроенным фильтром высокочастотных помех - не для защиты компьютера от бросков напряжения в сети - БП их, как правило, отлично отрабатывает, - а для защиты сети от помех, создаваемых компьютером. - С.В.)

Современные блоки питания стандарта ATX выдают постоянные напряжения +12, +5, +3,3 и -12 В. Напряжение +12 В подается на центральный процессор, графический ускоритель, а также на дисковые накопители и другие устройства с электродвигателями (например, корпусные кулеры), напряжение +5 В - на чипсет, контроллеры накопителей, платы расширения и различные микросхемы на системной плате, напряжение +3,3 В - на некоторые другие микросхемы. Допустимое стандартом ATX отклонение от номинального напряжения - ±5%, и, как правило, все блоки питания укладываются в эти нормы.

Важная характеристика блока питания - его КПД, то есть процентное отношение отдаваемой мощности к мощности, получаемой из сети. Значение КПД при номинальной нагрузке для компьютерных блоков питания составляет обычно около 80% - можно считать, что остальные 20% идут на нагрев компонентов. Многие современные БП, соответствующие требованиям Energy Star 4.0, имеют КПД не ниже 80% при любой нагрузке выше 20%. При низкой нагрузке КПД падает примерно до 65% - это означает, что если вы используете в компьютере со скромной конфигурацией мощный блок питания "про запас", то вы не только зря потратили деньги при его покупке, но и постоянно приплачиваете лишнего за электричество.

Еще одна важная характеристика блока питания - сила тока на линиях с разным выходным напряжением. О ней частенько забывают, что иногда выходит боком при выборе БП простым сложением энергопотребления компонентов компьютера. Меж тем о силе тока забывать нельзя, что еще в конце XIX века продемонстрировал гениальный физик Никола Тесла, без последствий для здоровья подвергавший себя воздействию напряжения в 2 млн. вольт. Но с крохотным значением силы тока.

Сегодня даже на самом дешевом БП имеется наклейка с указанием мощности и силы тока по каждой из линий с разными напряжениями. По этим данным (которые, впрочем, не всегда достоверны) можно прикинуть реальные возможности конкретной модели.

Со всеми требованиями к электрике (и не только) можно ознакомиться в издаваемом Intel стандарте по конструированию блоков питания ATX с длинным названием Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factors. В настоящее время действует версия 1.1 (март 2007 года). В этом документе содержатся таблицы рекомендуемой нагрузки на БП различной мощности, данные в которых можно сравнить со значениями силы тока по линиям с разным напряжением, указанные на этикетке. При этом вас может ожидать неприятный сюрприз: встречаются случаи, когда блок с заявленной мощностью, скажем, 450 Вт по нагрузке тянет лишь ватт на триста. Например, если такой БП выдает по шине +12 В лишь 20 А, а не 25-30 А, то современный графический ускоритель высокого класса не сможет работать в полную силу.

Именно из-за недостаточной нагрузочной способности многие дешевые блоки питания не способны выдать заявленные "ватты" по нужной линии +12V, благополучно отдавая их по менее востребованным +5V и +3.3V. Отсюда и рассказы о том, что с новой видеокарточкой не "заводится" полукиловаттный блок питания, хотя на самом деле качественного БП мощностью 500 Вт вполне достаточно для работы мощного ПК с четырехъядерным процессором и двумя топовыми видеокартами.

Удивились? А зачем тогда выпускают блоки питания на киловатт и больше, - спросите вы? Отвечаю: такие блоки питания пригодятся любителям разгона, тем, кто водружает на компьютер экзотические системы охлаждения и организует дисковые массивы из восьми и более накопителей. Речь идет об исключительных случаях, когда компьютерные системы используются нестандартным образом в специфических целях. Для обычного домашнего компьютера такой БП просто ни к чему, даже если вы целыми днями кодируете видео, а потом ночь напролет рубите монстров. Кстати, современный ПК даже с мощной игровой видеокартой в среднем потребляет не больше 300 Вт.

И еще немного о токе. Современные комплектующие требуют низковольтного питания, но с довольно высокой силой тока, поэтому в целях безопасности было решено ограничить ее на одиночных линиях. В частности, на одной шине +12 В сила тока не должна превышать 18 А (хотя на мощных 800-1000-ваттных экземплярах красуется гордое "20A". - С.В.). Однако из-за нецелесообразности физической реализации в небольшом БП нескольких шин с одинаковым напряжением конструкторы поступают проще: на каждый разъем единой линии устанавливаются шунты (то есть низкоомные сопротивления), подключающиеся к микросхеме, в которой реализована защита по напряжению, отрубающая питание при превышении на одном из разъемов 18 А.

Как ни странно, существуют и конструкции, в которых вместо отключения виртуальной линии при превышении тока она, наоборот, объединяется с другими. Конечно, теоретически такой блок питания способен вынести гораздо большие нагрузки, чем модели с реальной защитой, но насколько он соответствует требованиям безопасности - вопрос открытый.

Прежде всего блоки питания отличаются габаритами. Самые распространенные БП для настольных компьютеров относятся к форм-фактору ATX с дополнительным 12-вольтовым разъемом питания и имеют стандартные габариты 150х86х140 мм. Они строго выдерживаются всеми производителями, что позволяет легко менять один блок питания на другой. Однако модели повышенной мощности, как правило, имеют нестандартные, увеличенные габариты, что вызвано необходимостью установки двух силовых трансформаторов, способных выдать нужную мощность. Речь идет о блоках питания мощностью 1000 Вт и выше - они длиннее стандартных примерно на 40-50 мм, что следует учитывать при выборе мощных моделей.

Кроме того, в блоках питания высокой мощности обычно применяются кулеры увеличенного до 120-140 мм диаметра - модели меньшей мощности обходятся 80-мм вентиляторами. Кстати, вопреки распространенному мнению, кулеры большого диаметра вовсе не обязательно тише небольших "пропеллеров". Во многих случаях это действительно так, но иногда попадаются истеричные экземпляры, которые невозможно заставить замолчать. Не стоит забывать и о том, что у многих БП скорость вращения кулеров регулируется в зависимости от нагрузки, и одна и та же модель при работе с офисными приложениями будет почти безмолвна, а при запуске компьютерных игр - разбудит даже убиенныых монстров.

В принципе, в замене кулера на менее шумный нет ничего сложного, но если вы не дружите с электричеством, мы категорически не советуем вам залезать в недра блока питания, где есть детали, работающие под высоким напряжением. Производители специально подчеркивают, что блок питания - необслуживаемый компонент, и тем самым снимают с себя всякую ответственность за поведение излишне любопытных клиентов (Я менял - мне понравилось. Новый пропеллер подключил к материнской плате, и это позволило управлять им средствами BIOS. - С.В.)

Выпускаются и блоки питания меньших размеров, соответствующих форм-факторам СFX (Сompact Form Factor), LFX (Low Profile Form Factor), SFX (Small Form Factor), TFX (Thin Form Factor) и Flex ATX. Габариты этих моделей, которые предназначены для установки в нестандартные и миниатюрные корпуса, приведены в упомянутом выше документе Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factors.

Блоки питания отличаются также способом крепления кабелей: в классических моделях они несъемные, а в так называемых модульных ненужные кабели, дабы не болтались в системном блоке, можно извлечь из гнезд. Отношение к такому способу крепления может быть двояким: с одной стороны, лишние разъемы, согласно "науке о контактах", способны снизить надежность системы и создать лишнее сопротивление. С другой - отсутствие в корпусе компьютера ненужных кабелей улучшает циркуляцию воздуха, снижает наводки, да и просто делает вид внутренностей аккуратнее. В конце концов, этими разъемами не пользуются так часто, чтобы они могли расшататься и снизить надежность работы, а сопротивление разъема так ничтожно, что в реальных условиях эксплуатации им можно пренебречь. Иными словами, нет ничего криминального в использовании в БП съемных кабелей. Тем не менее многие компании выпускают абсолютно одинаковые модели, но с разным креплением кабелей - консерваторы предпочтут "классику", а моддеры - модульные модификации.

Некоторые производители любят снабжать кабели не мягкими, удобными и практичными нейлоновыми оплетками, а пластиковыми экранирующими трубками, смысл которых понятен, видимо, только тому, кто их придумал. Экранировка силовым кабелям вряд ли пригодится, а жесткие кожухи только выглядят красиво, но на деле очень непрактичны.

Стандарт ATX12V последней версии 2.2 был принят в 2005 году. Именно тогда произошел переход на 12-вольтовое питание стабилизатора процессора, в результате чего 5-вольтовая шина утратила былое значение. В целях безопасности в стандарте было предусмотрено ограничение по силе тока (не более 18 А) на каждую линию шину +12 В.

Документ установил минимальную энергоэффективность (КПД) для блока питания - 70% при полной, 72% при нормальной (около 50%) и 65% при легкой (около 20%) нагрузке. Рекомендуемый КПД - 77% при полной, 80% при нормальной и 75% при легкой нагрузке.

Вместо основного разъема питания 2х10 появился новый разъем 2х12, в котором реализованы линии питания для шины PCI Express (до 75 Вт). Поскольку в разъеме появились дополнительные контакты +12 В, +5 В и +3,3 В, отпала необходимость в разъеме Aux Power, и от него отказались.

Чаще всего задача выбора блока питания встает либо при апгрейде системы, либо при сборке нового компьютера. При этом если корпуса нижней и средней ценовых категорий практически всегда оснащаются блоками питания (их качество соответствует цене), то дорогие корпуса обычно продаются без них.

Главная задача при выборе БП - загрузить его работой, то есть подобрать такую модель, чтобы она с небольшим запасом покрывала все энергетические потребности системы. При правильном выборе блок будет работать с максимальным КПД, а комплектующие не будут испытывать недостатка в питании.

Повторимся, что покупка мощного блока питания "про запас" нерациональна - вы просто выбросите деньги на ветер. Вдобавок не исключено, что к тому времени, когда вы соберетесь в очередной раз модернизировать систему, появятся новые разъемы и новые требования к энергоснабжению, так что лучшим решением может стать покупка нового блока питания.

Прикинуть необходимую мощность БП можно, исходя из примерных показателей энергопотребления основных комплектующих. Точные данные можно получить только после сборки системы и последующих измерений, но они нам и не нужны: после расчета мы просто приплюсуем 10% и получим оптимальную мощность блока питания для систем среднего класса - проверено, и не раз. Если вы собираете систему из высокопроизводительных комплектующих, лучше добавить 20% - пиковое энергопотребление у такого ПК может быть заметно выше номинального, и лучше иметь достаточный запас мощности [По следующей ссылке можно найти калькулятор для расчета потребляемой мощности ПК, но, как правило, они дают завышенное значение мощности: www.journeysystems.com/?powercalc].

Современный процессор с материнской платой потребляют 100-150 Вт - это зависит прежде всего от модели процессора. В частности, двухъядерные AMD Athlon 64 X2 в среднем потребляют заметно больше, чем двухъядерные же Intel Core 2 Duo, но бывают и исключения. На каждый гигабайт оперативной памяти добавим по 10 Вт.

Энергопотребление графических ускорителей варьируется в чрезвычайно широких пределах: если бюджетная карточка может потреблять всего 40-60 Вт, то топовые модели класса GeForce 8800 Ultra или Radeon HD 2900XT при пиковой нагрузке запросто перешагивают 200 Вт. Надо учитывать, что в трехмерных приложениях энергопотребление видеокарты в два-три раза выше, чем в двухмерных, поэтому при недостаточной мощности БП карта может прекрасно работать с офисными приложениями, но мгновенно подвешивать систему при запуске игр.

Максимальное энергопотребление современного жесткого диска в режиме записи составляет около 15 Вт, оптические приводы потребляют от 15 до 20 Вт. На мелочевку вроде звуковых кодеков и USB-контроллеров накинем еще 30 Вт.

Сложив, получим 210 Вт (100+40+10+15+15+30). Накинув 10%, получим оптимальную мощность блока питания для минимальной конфигурации - около 230 Вт. Для системы с мощной видеокартой - около 410 Вт. Сравните полученную мощность, например, с рекомендацией nVidia устанавливать карту GeForce 8800 GTX в систему с блоком питания на 450 Вт - очень близкие цифры, не так ли?

Теперь прикинем нагрузку. Главные потребители сидят на линии +12 В: центральный процессор - 7,5 А, графический ускоритель - 18-22 А, винчестер - не больше 1 А. В сумме имеем около 30 А - предельный ток для блока питания мощностью 400 Вт. Запасов по остальным линиям хватит для питания памяти, USB-устройств и разной мелочи. Запомним цифру "30" - именно столько, и не меньше, ампер должен отдавать качественный современный универсальный блок питания по линии +12 В.

По поддерживаемой нагрузке на самой востребованной линии можно оценить, насколько реальна заявленная мощность. К примеру, имеется блок питания с заявленной мощностью 460 Вт. По двум линиям +12 B он теоретически отдает 16+18=34 А. Велик соблазн умножить силу тока на напряжение, получив мощность 408 Вт. Так вот - не повторяйте ошибку многих авторов обзоров в Интернете. Если на БП написано что-то вроде "12V1 18A, 12V2 16A", надо не доставать калькулятор, а читать дальше. Там обязательно будет дописано "MAX: 12V1+12V2 at 345W". Делим 345 на 12 и получаем 29 A, а никак не 34. Вот на эту силу тока и следует рассчитывать.

За последние лет пять энергосберегающие технологии так далеко продвинулись вперед, что рост производительности уже не означает увеличения энергопотребления. Конечно, и для мощных моделей найдется работа, но я не удивлюсь, если о киловаттных блоках питания вскоре забудут как о досадных курьезах. Нет никаких сомнений в том, что через несколько лет компьютеры будут все мощнее, а их энергопотребление все ниже. И не за горами то время, когда мы будем искренне удивляться, что столь маломощные компьютерные системы могли потреблять такую уйму энергии.