Pfc активный или пассивный что лучше. Технология PFC в компьютерном блоке питания: что это, зачем и как работает

Сразу скажу, статья рассчитана на простого пользователя ПК, хотя можно было и углубиться в академические подробности.
Несмотря на то, что схемы не мои, я даю описание исключительно «от себя», которое не претендует не единственно правильное, а имеет целью объяснить «на пальцах» работу столь необходимого устройства, как БП компьютера.

Необходимость вникнуть в работу APFC у меня появилась в 2005 году, когда я имел проблему с произвольной перезагрузкой компьютера. Комп я купил на «мыльной» фирмочке не вникая особо в тонкости. В сервисе не помогли: на фирме работает, а у меня перезагружается. Я понял, что пришла очередь напрячься самому… Оказалось проблема в домашней сети, которая вечером просаживалась скачками до 160В! Начал искать схему, увеличивать ёмкость входных конденсаторов, слегка попустило, но проблему не решило. В процессе поиска информации увидел в прайсах непонятные буквы APFC и PPFC в названиях блоков. Позже выяснил, что у меня оказался PPFC и я решил купить себе блок с APFC, потом взял ещё и бесперебойник. Начались другие проблемы - выбивает бесперебойник при включении системника и пропадании сети, в сервисе разводят руками. Сдал его обратно, купил в 3 раза мощнее, работает по сей день без проблем.

Поделюсь с вами своим опытом и надеюсь, вам будет интересно узнать немного больше про компонент системника - БП, которому несправедливо отводят чуть ли не последнюю роль в работе компьютера.

Блоки питания FSP Epsilon 1010 представляют собой качественные и надёжные устройства, но учитывая проблемы наших сетей и другие случайности, они иногда тоже выходят из строя. Выкидывать такой блок жалко, а ремонт может приблизиться к стоимости нового. Но бывают и мелочи, устранив которые, можно вернуть его к жизни.

Как выглядит FSP Epsilon 1010:

Самое главное - понять принцип работы и разложить блок по косточкам.

Приведу пример фрагментов схем типового блока FSP Epsilon, которые мной нарыты в нете. Схемы составлены вручную очень усидчивым и грамотным человеком, который любезно вложил их для общего доступа:

1. Основная схема:
Рисунок 1:
Ссылка на полный размер: s54.radikal.ru/i144/1208/d8/cbca90320cd9.gif

2. Схема контроллера APFC:
Рисунок 2:
Ссылка на полный размер: i082.radikal.ru/1208/88/0f01a4c58bfc.gif

Модификации блоков питания данной серии отличаются количеством элементов (впаиваются дополнительно в ту же плату), но принцип работы одинаков.

Итак, что же такое APFC?

PFC - это коррекция коэффициента мощности (англ. power factor correction) PFC) - процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам. Если показать это на трёх пальцах, то это выглядит так:

Запустили блок питания, конденсаторы начали заряжаться - пошёл пик потребления тока совпадающий с пиком синусоиды переменного тока 220В 50Гц (лень рисовать). Почему совпадающий? А как они будут заряжаться при «0» вольт ближе к оси времени? Никак! Пики будут в каждой полуволне синусоиды, так как перед конденсатором стоит диодный мост.
- нагрузка блока потянула ток и разрядила конденсаторы;
- конденсаторы начали заряжаться и опять появились пики потребления тока на пиках синусоиды.

И того, мы видим «ёжика», которым обросла синусоида, и который вместо постоянного потребления «дёргает» ток короткими скачками в узкие моменты времени. А чего тут страшного, нехай себе дергает, скажете вы. А вот тут и порылась собака Баскервилей: эти пики перегружают электрическую проводку и даже могут привести к пожару при номинально рассчитанном сечении проводов. А если учитывать, что блок в сети не один? Да и работающим в одной сети электронным устройствам вряд ли понравится подобная «попиленная» сеть с помехами. Мало того, при заявленной паспортной мощности БП, вы будете платить за свет больше, так как нагрузкой уже выступают ваши сетевые провода в квартире (офисе). Возникает задача сбить пики потребления тока по времени в строну провалов синусоиды, тоесть приблизиться к подобию линейности и разгрузить проводку.

PPFC - пассивная коррекция коэффициента мощности. Это значит, что перед одним сетевым проводом БП стоит массивный дроссель, задача которого сбить по времени пики потребления тока во время заряда конденсаторов, учитывая нелинейные свойства дросселя (тоесть то, что ток через него отстаёт от приложенного к нему напряжения - вспоминайте школу). Выглядит это так: на максимуме синусоиды должен заряжаться конденсатор и он этого ждёт, но вот незадача - перед ним поставили дроссель. А вот дроссель не совсем обеспокоен тем, что нужно конденсатору - к нему приложили напряжение и возникает ток самоиндукции, который направлен в обратную сторону. Таким образом дроссель препятствует заряду конденсатора на пике входной синусоиды - в сети пик, а конденсатор разряжен. Странно, правда? А не этого ли мы хотели? Теперь синусоида спадает, но дроссель и тут ведёт себя как и большинство людей: (имеем - не ценим, теряем - жалеем) опять возникает ток самоиндукции только уже совпадающий с убывающим током, что и заряжает конденсатор. Что мы имеем: на пике - ничего, на провалах - заряд! Задача выполнена!
Именно так и работает схема PPFC за счет затягивания пиков потребления тока на провалы синусоиды (восходящий и нисходящий участки) с помощью всего лишь одного дросселя. Коэффициент мощности близок к 0,6. Неплохо, но не идеально.

APFC - активная коррекция коэффициента мощности. Это значит с использованием электронных компонентов, для которых требуется питание. В этом блоке питания фактически два блока питания: первый - стабилизатор 410В, второй - обычный классический импульсный блок питания. Это мы рассмотрим ниже.

APFC и принцип работы.

Рисунок 3:

Мы только подошли к принципу работы активной коррекции коэффициента мощности, поэтому определим некоторые моменты для себя сразу. Помимо основного назначения (приближение к линейности потребления тока по времени), APFC решает триединую задачу и имеет особенности:

Блок питания с APFC состоит из двух блоков: первый - стабилизатор 410В (собственно APFC), второй - обычный классический импульсный блок питания.
- схема APFC обеспечивает коэффициент мощности около 0,9. Это то, к чему мы стремимся - к «1».
- схема APFC работает на частоте около 200KHz. Согласитесь, дёрнуть ток 200000 раз в секунду по отношению к 50 Гц - это практически в каждый момент времени, тоесть линейно.
- схема APFC обеспечивает стабильное постоянное напряжение на выходе около 410B и работает от 110 до 250В (на практике от 40В). Это значит, что промышленная сеть практически не влияет на работу внутренних стабилизаторов.

Работа схемы:

Принцип работы APFC основан на накоплении энергии в дросселе и последующей отдаче её в нагрузку.
При подаче питания через дроссель, его ток отстаёт от напряжения. При снятии напряжения возникает явление самоиндукции. Вот его и кушает блок питания, а так как напряжение самоиндукции может приближаться у двойному приложенному - вот вам и работа от 110В! Задача схемы APFC - с заданной точностью дозировать ток через дроссель, чтобы на выходе всегда было напряжение 410В независимо от нагрузки и входного напряжения.

На рисунке 3 мы видим DC - источник постоянного напряжения после моста (не стабилизированный), накопительный дроссель L1, транзисторный ключ SW1, которым управляет компаратор и ШИМ. Схема сделана довольно смело на первый взгляд, так как ключ фактически делает короткое замыкание в розетке в момент открытия, но мы его простим, учитывая что замыкание происходит на микросекунды с частотой 200000 раз в секунду. А вот при неисправностях схемы управления ключом вы обязательно услышите и даже понюхаете, а может и увидите как сгорят силовые ключи в подобной схеме.

1. Транзистор SW1 открыт, ток в нагрузку течёт как и раньше через дроссель от "+ DC" - «L1» - «SW2» - «RL» к "-DC". Но дроссель сопротивляется движению тока (самоиндукция начало), при этом идёт накопление энергии в дросселе L1 - на нём растёт напряжение практически до напряжения DC, так как это короткое замыкание (правда на долю времени (пока всё исправно). Диод SW2 предотвращает разряд конденсатора C1 в момент открытия транзистора.
2. Транзистор SW1 закрылся… напряжение на нагрузке будет равно сумме напряжений источника DC1 и дросселя L1, который только что некисло приложился к источнику и выбросил ток самоиндукции с обратной полярностью. Магнитное поле дросселя пропадая пересечёт его, индуцируя на нём ЭДС самоиндукции противоположной полярности. Теперь ток самоиндукции имеет одно направление с пропадающим током источника (самоиндукция конец). Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока.
Так вот, в момент самоиндукции после закрытия транзистора и получается наша добавочка до 410В из-за добавления энергии от дросселя. Почему добавочка? Вспоминайте школу, сколько будет на выходе моста с конденсатором, если на входе 220в? Правильно, 220В умножить на корень из двух (1,41421356) = 311В. Вот это было бы без работы схемы APFC. Оно так и есть в точке, где мы ждём 410В, пока работает только дежурка +5В и не запущен сам блок. Сейчас нет смысла гонять APFC, дежурке и так хватит её 2 Ампера.
Всё это строго контролируется схемой управления с помощью обратной связи от точки 410В. Регулируется уровень самоиндукции временем открытия транзисторов, тоесть временем накопления энергии L1 - это широтно-импульсная стабилизация. Задача APFC - стабильно держать 410В на выходе при изменении внешних факторов сети и нагрузки.

Вот и получается, что в блоке питания с APFC - два блока питания: стабилизатор 410В и сам классический блок питания.

Сбивание зависимости пиков потребления тока от пиков синусоиды обеспечивается перенесением этих пиков на частоту работы схемы APFC - 200000 раз в секунду, что приближается к линейному потреблению тока в каждый момент времени синусоиды 50Гц 220В. Что и требовалось доказать.

Достоинства APFC:
- коэффициент мощности около 0,9;
- работа от любой капризной сети 110 - 250В, в том числе нестабильной сельской;
- помехоустойчивость:
- высокий коэффициент стабилизации выходных напряжений за счёт стабильного входного 410В;
- низкий коэффициент пульсаций выходных напряжений;
- малые размеры фильтров, так как частота около 200КГц.
- высокий общий КПД блока.
- малые помехи отдаваемые в промышленную сеть;
- высокий экономический эффект в оплате за свет;
- разгружается электрическая проводка;
- на предприятиях и в организациях телекоммуникаций, имеющих станционные батареи 60В, для питания критических серверов можно обойтись вообще без UPS - просто включите блок в цепь гарантированного питания 60В ничего не меняя и не соблюдая полярность (которой нет). Это позволит уйти от тех несчастных 15 минут работы от UPS до 10 часов от станционных батарей, чтобы не легла вся система управления в случае незапуска дизеля. А на это многие не обращают внимание или об этом не думали, пока дизель не обидится как-нибудь разок… Всё оборудование будет продолжать работать, а управлять будет нечем, так как компы поотрубаются через 15 минут. Изготовителем представлен диапазон работы 90 - 265В по причине отсутствия такого стандарта питания как переменные 60В, но практический предел работы был получен на величине 40В, ниже проверять небыло смысла.
Перечитайте пункт внимательно ещё раз и оцените возможности своих бесперебойников для критических серверов!

Недостатки APFC:
- цена;
- сложность в диагностике и ремонте;
- дорогие детали (транзисторы - около 5$ за шт., а их там до 5шт. иногда), зачастую стоимость ремонта себя не оправдывает;
- проблемы совместной работы с бесперебойниками (UPS) за счёт большого пускового тока. Выбирать UPS нужно с двукратным запасом мощности.

А теперь рассмотрим схему блока питания FSP Epsilon 1010 на рис. 1, 2.

У FSP Epsilon 1010 силовая часть APFC представлена тремя транзисторами HGTG20N60C3 с током 45А и напряжением 600В, стоящими в параллель: www.fairchildsemi.com/ds/HG/HGT1S20N60C3S.pdf
На нашей типовой схеме их 2 Q10, Q11, но это не меняет сути. Наш блок просто мощнее. Сигнал FPC OUT выходит с 12 ноги микросхемы CM6800G на 12 контакт модуля управления на рис №2. Далее через резистор R8 за затворы ключей. Так происходит управление APFC. Схема управления APFC питается от +15В дежурки через оптопару M5, резистор R82 - 8pin CB (A). Но запускается она только после запуска блока на нагрузку по сигналу PW-ON (зелёный провод 24 контактного разъёма на землю).

Типовые неисправности:

Симптомы:
- перегорает предохранитель с хлопком;
- блок «не дышит» вообще даже после замены предохранителя, что ещё хуже. Значит повреждения грозят обернуться более дорогим ремонтом.

Диагноз: отказ схемы APFC.

Лечение:
В диагностике отказа схемы APFC ошибиться сложно.
Принято считать, что блок с APFC можно запустить и без APFC, если он вышел из строя. И мы так посчитаем, и даже проверим это, особенно когда речь идёт об опасных экспериментах с дорогими транзисторами HGT1S20N60C3S. Выпаиваем транзисторы.
Блок удачно работает, если проблема была только в схеме APFC, но нужно понимать, что блок питания потеряет мощность до 30% и в эксплуатацию его пускать нельзя - только проверка. Ну а далее уже меняем транзисторы на новые, но включаем блок последовательно через лампу накала 220В 100Вт. Блок нагружаем например на старый HDD. Если лампа горит в пол накала и HDD запустился (трогаем пальцами), на блоке крутится вентилятор - есть вероятность, что на этом ремонт закончен. Запускаем без лампы с уменьшенной в 3 раза величиной предохранителя. И сейчас не сгорел? Ну тогда впаиваем родной F1 и вперёд на часовой тест под эквивалентом нагрузки ватт на 300-500! Горящая полным накалом лампа вам говорит об полном открытии ключевых транзисторов или их заупокойном состоянии, ищем проблему перед ними.
Если на каком-то этапе не повезло, возвращаемся к новой покупке транзисторов, не забыв при этом купить и контроллер CM6800G. Меняем детали, повторяем всё заново. Не забываем визуально осмотреть всю плату!

Симптомы:
- блок запускается через раз или когда постоит 5 минут включенным в сеть;
- у вас ниоткуда появился неисправный HDD;
- вентиляторы крутятся, но система не загружается, BIOS не пикает при запуске;
- вздулись конденсоры на материнской плате, видеокарте;
- система произвольно перезагружается, зависает.

Диагноз: высохли электролитические конденсаторы.

Лечение:
- разобрать блок и визуально найти вздутые конденсаторы;
- лучшее решение поменять все на новые, а не только вздутые;

Незапуск происходит из за высохших конденсаторов дежурки C43, C44, C45, C49;
Отказы компонентов происходят из-за повышения пульсаций в цепи +5В, +12В вследствие высыхания конденсатов фильтров.

Симптомы:
- блок свистит или пищит;
- тон свиста меняется под нагрузкой;
- блок свистит только пока холодный или пока горячий.

Диагноз: Трещины печатной платы или непропай элементов.

Лечение:
- разбираем блок;
- визуально осматриваем печатную плату в местах пайки ключевых транзисторов и дросселей фильтров на предмет овальных трещин на месте пайки;
- если ничего не нашли, то всё равно пропаиваем ножки силовых элементов.
- проверяем и наслаждаемся тишиной.

Остальных неисправностей великое множество, вплоть до внутренних обрывов или межвитковых пробоев, трещин в плате и деталях, и прочее. Особенно досаждают температурные неисправности, когда работает пока не нагреется или не остынет.
Блоки питания других производителей имеют похожий принцип работы, который позволит найти и устранить неисправность.

В конце пара советов по БП:
1. Никогда не выключайте из розетки работающий блок питания с APFC! Сначала припаркуйте систему, а потом вынимайте из розетки или выключайте не удлинителе - иначе доиграетесь…
При пропадании напряжения в момент работы блока тянется дуга и происходит искрение, что приводит к куче гармоник отличных от 50Гц - это раз, напряжение убывает и ключи APFC пытаются удержать стабильное напряжение на выходе, открываясь при этом полностью и на большее время, вызывая ещё больший ток и дугу - это два. Это приводит к пробою открытых транзисторов огромными токами и неконтролируемыми напряжениями гармоник - это три. Это легко проверить, если есть желание. Лично я уже проверил… теперь написал эту статью и потратил 25$ на ремонт. Вы можете тоже написать свою. Кстати у FSP Epsilon 1010 кнопка на корпусе отключает не провод питания, а систему управления, при этом все силовые элементы остаются под напряжением - будьте осторожны! Поэтому, если уж нужно срочно выключить комп, то делайте это кнопкой питания на блоке - тут всё продумано.

2. Если вы заранее знаете, что будете работать с бесперебойником, то покупайте блок питания с PPFC. Это избавит вас от ненужных проблем.

В рассказе я старался не приводить лишних графиков, схем, формул и технических терминов, чтобы на пятой строке не отпугнуть рядового мучителя своего ПК, более глубокое понимание основ питания которого, продлит ему время безотказной работы.

Сейчас самое время разобрать системник и определить модель вашего блока питания, заодно и пыль с него вытряхнуть. Одну неисправность вы уже предотвратили. Чистым он с благодарностью будет служить дольше. Смажьте вентилятор, это тоже приветствуется.

Кто дочитал статью до конца - всем спасибо!
Теперь ваш БП в безопасности.

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.

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.

⇡ 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.

Что такое PFC и зачем он нужен

Электронные устройства

PFC (аббревиатура от 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 блока питания (компьютерного или в телеке- разницы нет). 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.
Очень часто его еще называют "подкачкой" или "прекондеем"
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.

Немного о мощности

Не беспокойтесь, для понимания, как это работает, вам не потребуются университетские знания физики. Мы просто объясним, чем отличается хороший блок питания от плохого. Если вы знаете основные принципы работы, то вряд ли совершите неудачную покупку. Итак, идём дальше.

Реактивный ток и реактивная мощность

Одна из важных проблем, касающихся энергопотребления при использовании импульсных источников питания - это "реактивный" ток, вызванный индуктивностью. Обратите внимание, что потребляемая мощность в режиме ожидания не имеет ничего общего с режимом простоя. Кроме того, нагрузка в этом случае никак не пересекается с энергопотреблением при полной нагрузке, однако использует те же компоненты. Реактивную мощность нужно существенно снижать (в лучшем случае её вообще быть не должно), чтобы она не приводила к потере энергии на сопротивлении, которая будет выделяться в виде тепла. Подобное бесполезное потребление энергия должна уменьшаться практически до нуля внутренними цепями импульсных блоков питания.

Эффективная мощность и полная мощность

Эффективная мощность противоположна реактивной в том, что она отражает реальное энергопотребление. Полная мощность представляет собой сумму активной и реактивной мощностей.

Коэффициент мощности

Этот показатель высчитывается как отношение между эффективной мощностью и полной мощностью и находится в промежутке между 0 (худший результат) и 1 (идеальный результат). Итак, при покупке блока питания вам нужно убедиться, что у него высокий коэффициент мощности: это один из ключевых показателей качества для блоков питания.

Active PFC

Active Power Factor Correction (PFC) означает активную коррекцию коэффициента мощности. Коэффициент мощность является важной характеристикой для блока питания, поскольку он отражает соотношение между активной и полной мощностями.

Преимущества:

• Идеальной можно считать активную мощность около 99%;
• Высокая эффективность (при низких нагрузках уже меньше);
• Очень стабильная подача питания;
• Меньшее энергопотребление;
• Меньшее тепловыделение;
• Меньший вес.

Недостатки:

• Стоит дороже;
• Большая вероятность выхода из строя.

Passive PFC

С помощью пассивной коррекции коэффициента мощности реактивные токи можно снижать, используя крупные катушки индуктивности. Подобный способ проще и дешевле, но он не самый эффективный.

Преимущества:

• Стоит дешевле;
• Отсутствие электромагнитных помех.

Недостатки:

• Требуется лучшее охлаждение;
• Не подходит для высоких нагрузок;
• Высокое энергопотребление (потери энергии);
• Тяжелее;
• Низкая активная мощность (примерно от 70% до 80%).

Как определить эффективность блока питания?

Основные принципы, правила и положения

Одним из ключевых показателей эффективности блока питания является, соответствует ли он стандартам Energy Star 5.0 и 80 PLUS. Последний будет приоритетным для вычислительной техники и является стандартом, признанным повсеместно в мире. Кроме того, если речь идёт о европейских странах, то нужно также проверить соответствие стандартам CE и ErP.

Блоки питания стандарта 80 PLUS являются более эффективными.

Принципы и спецификации, естественно, влияют на эффективность и на качество питания. Блок питания, отмеченный сертификатом 80 PLUS, будет соответствовать определенным требованиям, что устанавливается посредством набора тестов. Мы хотели бы упомянуть, что условия стрессового тестирования 80 PLUS не соответствуют напрямую спецификации ATX, при этом они выполняются в условиях американских электрических сетей питания, работающих с меньшим напряжением. В условиях России и Европы, с сетями 230 В, эффективность блоков питания 80 PLUS будет чуть выше, чем в США.

Концепция 80 PLUS была расширена: сейчас она подразумевает несколько уровней эффективности, Platinum, Gold, Silver и Bronze, и спецификации каждого из этих стандартов имеют собственный набор требований. Таким образом, блок питания стандарта "80 PLUS Platinum" или "80 PLUS Gold" будет более эффективным, чем обычный блок питания. В то же время, эти блоки питания и стоят дороже.

По таблице ниже можно проследить, как уровень спецификации устройства влияет на его работу при заданной нагрузке, и оценить каждый конкретный уровень спецификации.

Потребление энергии выключенного компьютера

При выключении компьютера? блок питания, как правило, продолжает работать. Это необходимо для поддержки некоторых функций, как Wake-on-LAN. Блок питания будет тратить некоторое количество мощности даже тогда, когда компьютер выключен. Современные блоки питания, особенно те, которые продаются в Европе, согласно заявлениям производителей, тратят не более 1 Вт в таком режиме. Если для вас действительно важна экономия, то такое решение будет правильным.

Преобразовательная техника

Введение

В последние десятилетия количество электроники, используемой в домашних условиях, в офисах и на производстве, резко увеличилось, и в большинстве устройств применяются импульсные источники питания. Такие источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней. Это влияние выражается не только в разного рода помехах , сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтральной линии. При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке, практически, равен нулю) может увеличится до критического значения.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания, электронных нагрузках люминесцентных ламп, драйверах двигателей постоянного тока и аналогичных приборах.

Один из эффективных способов решения этой задачи - применение корректоров коэффициента мощности PFC (Power Factor Correction). На практике это означает, что во входную цепь практически любого электронного устройства с импульсными преобразователями необходимо включать специальную PFC-схему, обеспечивающую снижение или полное подавление гармоник тока.

Коррекция коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис. 1).

Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 2).

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности (Power Factor PF) - параметр, характеризующий искажения, создаваемые нагрузкой (в нашем случае - источником вторичного электропитания) в сети переменного тока. Существует два вида искажений - гармонические и нелинейные. Гармонические искажения вызываются нагрузкой реактивного характера и представляют собой сдвиг фаз между током и напряжением. Нелинейные искажения вносятся в сеть «нелинейными» нагрузками. Эти искажения выражаются в отклонении формы волны тока или напряжения от синусоиды. В случае гармонических искажений коэффициентом мощности считается косинус разности фаз между током и напряжением или отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети. Для нелинейных искажений коэффициент мощности равен доле мощности первой гармонической составляющей тока в общей мощности, потребляемой устройством. Его можно считать показателем того, насколько равномерно устройство потребляет мощность от электросети.

В общем случае коэффициент мощности - это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током на косинус угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят рассуждения, приводимые ниже. Действующий ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид:

I 2 эфф =I 2 0 +I 2 1эфф +SI 2 nэфф,

где I 2 nэфф - постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I 2 1эфф - основная гармоника, а под знаком суммы - младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид:

I 2 эфф =I 2 0 +(I 2 1эфф(P) +I 2 1эфф(Q))+SI 2 nэфф. Активная мощность - это среднее за период значение мощности, выделяемой на активной нагрузке.

Ее можно представить в виде произведения действующего напряжения на активную составляющую тока P=U эфф Ч I 1эфф(P) . Физически это энергия, выделяющаяся в виде тепла в единицу времени на активном сопротивлении. Под реактивной мощностью понимают произведение действующего напряжения на реактивную составляющую тока: Q=U эфф Ч I 1эфф(Q) . Физический смысл - это энергия, которая перекачивается два раза за период от генератора к нагрузке и два раза - от нагрузки к генератору. Полной мощностью называется произведение действующего напряжения на общий действующий ток: S=U эфф Ч I эфф(общ) . На комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда видна зависимость I 2 =I 1эфф(общ) cos j, где j - угол между векторами P и Q, который также характеризует разность фаз между током и напряжением в цепи.

Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:

PF=P/S=(I 1эфф cos j)/(I эфф(общ)).

Стоит заметить, что отношение (I 1эфф)/(I эфф(общ)) есть косинус угла между векторами, соответствующими действующему значению общего тока и действующему значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол q, то выражение для коэффициента мощности принимает вид: PF=cos j Ч cos q. Задача коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы приблизить к нулю угол разности фаз j между напряжением и током, а также угол q гармонических искажений потребляемого тока (или, другими словами, максимально приблизить форму кривой тока к синусоиде и максимально компенсировать фазовый сдвиг).

Коэффициент мощности выражается в виде десятичной дроби, значение которой лежит в пределах от 0 до 1. Его идеальное значение - единица (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет значение коэффициента мощности около 0,65), 0,95 - хорошее значение; 0,9 - удовлетворительное; 0,8 - неудовлетворительное. Применение коррекции коэффициента мощности может увеличить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Вполне реальны и значения в пределах 0,97…0,99. В идеальном случае, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения (что соответствует полностью активной нагрузке с линейной вольтамперной характеристикой).

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Пассивный метод коррекции чаще всего применяется в недорогих малопотребляющих устройствах (где не предъявляется строгих требований к интенсивности младших гармоник тока). Пассивная коррекция позволяет достичь значения коэффициента мощности около 0,9. Это удобно в случае, когда источник питания уже разработан, остается только создать подходящий фильтр и включить его в схему на входе.

Пассивная коррекция коэффициента мощности состоит в фильтрации потребляемого тока при помощи полосового LC-фильтра. Этот метод имеет несколько ограничений. LC-фильтр может быть эффективен как корректор коэффициента мощности только в случае, если напряжение, частота и нагрузка изменяются в узком интервале значений . Так как фильтр должен работать в области низких частот (50/60 Гц), его компоненты имеют большие габариты, массу и малую добротность (что не всегда приемлемо). Во-первых , количество компонентов при пассивном подходе намного меньше и, следовательно - время наработки на отказ больше, и во вторых , при пассивной коррекции создается меньше электромагнитных и контактных помех, чем при активной.

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

1) Форма потребляемого тока должна быть как можно ближе к синусоидальной и - «в фазе» с напряжением. Мгновенное значение тока, потребляемого от источника, должно быть пропорционально мгновенному напряжению сети.

2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот.

3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от величины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот.

Существует несколько схем, при помощи которых можно реализовать активную коррекцию коэффициента мощности. Наиболее популярна в настоящее время «схема преобразователя с повышением» (boost converter). Эта схема удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным источникам питания. Во-первых , она позволяет работать в сетях с различными значениями питающего напряжения (от 85 до 270 В) без ограничений и каких-либо дополнительных регулировок. Во-вторых , она менее восприимчива к отклонениям электрических параметров сети (скачки напряжения или кратковременное его отключение). Еще одно достоинство этой схемы - более простая реализации защиты от перенапряжений. Упрощенная схема «преобразователя с повышением» приведена на рис. 3.

Принцип работы

Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой AD/DC-преобразователь с широтно-импульсной (PWM) модуляцией. Модулятор управляет мощным (обычно MOSFET) ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.

Временные диаграммы работы корректора показаны на рис. 4. При включенном MOSFET-ключе ток в дросселе линейно нарастает - при этом диод заперт, а конденсатор С2 разряжается на нагрузку. Затем, когда транзистор запирается, напряжение на дросселе «открывает» диод и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор С2 (и одновременно питает нагрузку). В приведенной схеме (в отличие от источника без коррекции) конденсатор С1 имеет малую емкость и служит для фильтрации высокочастотных помех. Частота преобразования составляет 50...100 кГц. В простейшем случае схема работает с постоянным рабочим циклом. Существуют способы увеличения эффективности коррекции динамическим изменением рабочего цикла (согласованием цикла с огибающей напряжения от сетевого выпрямителя).

Схема «преобразователя с повышением» может работать в трех режимах : непрерывном , дискретном и так называемом «режиме критической проводимости ». В дискретном режиме в течение каждого периода ток дросселя успевает «упасть» до нуля и через некоторое время снова начинает возрастать, а в непрерывном - ток, не успев достигнуть нуля, снова начинает возрастать. Режим критической проводимости используется реже, чем два предыдущих. Он сложнее в реализации. Его смысл в том, что MOSFET открывается в тот момент, когда ток дросселя достигает нулевого значения. При работе в этом режиме упрощается регулировка выходного напряжения.

Выбор режима зависит от требуемой выходной мощности источника питания. В устройствах мощностью более 400 Вт используется непрерывный режим, а в маломощных - дискретный. Активная коррекция коэффициента мощности позволяет достичь значений 0,97...0,99 при коэффициенте нелинейных искажений THD (Total Harmonic Distortion) в пределах 0,04...0,08.