Trumpai apie kompiuterių maitinimo blokų parametrus

Apžvelgdami maitinimo blokus stengiamės pateikti kuo daugiau informacijos apie maitinimo rodomus rezultatus. Nors neturime brangios testavimo technikos, neapsiribojame bloko prijungimu prie kompiuterio ir įtampų matavimu, kadangi toks bloko testavimas suteikia mažai naudos. Kompiuterio maitinimo blokas apžvelgiamas ne kaip vaizdo plokštė, ar procesorius, kur galutinis pateikiamas testų rezultatas yra spartos rodikliai. Maitinimo blokas nagrinėjamas iš elektrotechninės pusės. Tik neseniai į galvą atėjo mintis, jog galbūt kai kurie mūsų tinklapio skaitytojai nėra susipažinę su pagrindiniais maitinimo blokų parametrais ar jų verčių matavimu, todėl šiame straipsnelyje pagrindinius iš jų apžvelgsiu.

Galios pasiskirstymas, įtampos, srovės

Efektyvumas

Testavimas

Kompiuterio naudojama galia ir bloko pasirinkimas

Galios pasiskirstymas, įtampos, srovės

Pradėkime nuo pradžių. Kompiuterio maitinimo blokas yra įtaisas, skirtas tiekti energiją kompiuterio komponentams. Jo užduotis iš tinklo gaunamą kintamą įtampą paversti nuolatinėmis komponentams reikiamo dydžio įtampomis. Skirtingas įtampas blokas tiekia todėl, kad skirtingi kompiuterio komponentai naudoja skirtingo dydžio įtampas. Pagrindinės jų yra +3.3, +5 ir +12 V. 3,3 V linija tiekia maitinimą pagrindinės plokštės komponentams, +5 – HDD/ODD kaupikliams, USB įrenginiams, PCI plokštėms, o +12 V – procesoriui, vaizdo plokštei ir kaupikliams. Visa pagrindinė maitinimo bloko galia yra paskirstyta šioms trims linijoms (-12V ir +5V „standby“ reikšmės yra sąlyginai mažos). 3,3 V linija paprastai gaunama keičiant 5 V linijos įtampą. Šiuo metu taip pat yra nemažai maitinimo blokų, turinčių pagrindinę +12 V liniją, kuri vėliau keičiama tiek į +3,3, tiek į 5 V linijas. Tokių maitinimo blokų naudingumo koeficientas paprastai būna aukštas.

Galia apskaičiuojama įtampą padauginus iš srovės. Tai, kiek srovės gali tiekti konkreti maitinimo bloko linija, yra svarbus bloko parametras. Dažnai tenka pastebėti, jog žmonės, klausdami apie maitinimo bloko parinkimą konkrečiai sistemai (ypač keisdami procesorių ar vaizdo plokštę ir palikdami seną maitinimo bloką), tiesiog klausia, ar užteks konkrečios maitinimo bloko galios turimiems komponentams. Tačiau iškart reiktų atsižvelgt į turimą bloko modelį ir jo galimą tiekti galią +12 V linija, kadangi ji, išskyrus atvejus, kai norima kurti nemažą kietųjų diskų masyvą, ir bus pagrindinė kliūtis naujiems komponentams, mat nauji procesoriai ir vaizdo plokštės dažnai naudoja daugiau nei 50 – 100 W galios.

+12 V linijos dažnai dar būna padalintos į kelias virtualias linijas (kelios atskiros realios +12V linijos gana retai sutinkamos), kurių tiekiamos srovės yra kur kas mažesnės nei visos +12 linijos srovės reikšmė. Kiekviena tokia virtuali linija dauguma atvejų yra apsaugota, t.y. jeigu iš jos įrenginys bandys gauti didesnę galią nei numatyta, maitinimo blokas išsijungs. Linijos dalijamos į kelias virtualias dėl saugumo standartų, pagal kuriuos ribojama viena linija galinti tekėti srovė. Tačiau tai kartais sukelia problemų prijungiant kai kuriuos galingesnius kompiuterių komponentus. Jeigu maksimalios virtualių linijų srovių vertės yra mažesnės už 16-18 A, gali kilti problemų prijungiant galingas vaizdo plokštes arba spartinant galingus procesorius net ir su iš pirmo žvilgsnio galingais maitinimo blokais. Atskiri maitinimo kabeliai, tokie kaip 6/8 kontaktų PCI-E maitinimo kabeliai (vaizdo plokštėms) ar EPS (procesoriams) dažniausiai yra prijungiami nuo atskirų virtualių +12 V linijų. Tiesa, paprastai apsaugos nuo per didelės srovės pradeda veikti esant didesnei srovei nei negu nurodyta bloko specifikacijose. Nors dauguma atvejų kelios linijos nesukelia problemų, tačiau galingai sistemai su keliomis vaizdo plokštėmis pirmenybę teikčiau galingam maitinimo blokui su viena nedalinta + 12 V linija arba blokui su keliomis linijomis, kurių maksimalios srovės nustatytos ties aukštesnėmis vertėmis. Galingų maitinimo blokų laidai paprastai būna storesni, kadangi jais teka didesnės srovės, ir stengiasi išlaikyti žemą laidų varžą.

Ant maitinimo bloko šono visada užklijuotas lipdukas su informacija apie galios pasiskirstymą. Paprastai šalia kiekvienos linijos maksimalių srovių minimos ir maksimalios linijų kombinuotos galios. Kadangi +3.3 ir +5V gaunama iš tos pačios linijos, jų kombinuota galia yra bendra. Visų +12 V linijų bendra kombinuota galia taip pat paminima. Kombinuota linijų galia nesutampa su galia, gaunama sudauginus visų linijų įtampų sroves ir įtampas bei jas sudėjus, kadangi lentelėje parašytos tik maksimalios srovių vertės, kurios gali tekėti ta linija nepaisant kitų linijų apkrovos. Maitinimo bloko galia, kurią jis gali tiekti vienos įtampos linija šiek tiek priklauso ir nuo kitų linijų galios. Taigi vienas du tokios pačios galios maitinimo blokai gali visiškai skirtis vienas nuo kito.

Efektyvumas

Maitinimo šaltiniai negali absoliučiai visos iš elektros tinklo gaunamos galios paversti kompiuterių komponentams maitinti naudojamą galią. Keičiant įtampas, išlyginant sroves komponentuose atsiranda šiluminiai nuostoliai, dėl kurių dalis galios tiesiog pavirsta nenaudinga šiluma. Kuo daugiau energijos paverčiama šiluma, tuo mažiau jos galima panaudoti kompiuterio maitinimui, ir tuo geresnės aušinimo sistemos reikia maitinimo blokui. Tos energijos dalies, kuri nevirsta šiluma santykis su visa iš elektros tinklo gaunama energija ir yra maitinimo bloko efektyvumas arba naudingumo koeficientas. Tačiau ne tik šis naudingumo koeficientas apsprendžia, kaip efektyviai yra naudojama iš tinklo gaunama galia.

Suminė maitinimo šaltinio galia yra kompleksinis dydis ir susideda iš realiosios ir reaktyviosios galių. Realioji galia maitina komponentus, o reaktyvioji, paprastai kalbant, paklaidžiojusi taip nieko ir \“nenuveikia\“ išskyrus tai, jog tiesiog papildomai užima laidus. Realiąją ir reaktyviąją galią paprasta atvaizduoti kompleksinėje plokštumoje, kur realiosios galios ir suminės galios santykis yra vadinamas galios faktoriumi arba galios koeficientu. Pagal brėžinį tai atitiktų cos φ. Impulsiniuose maitinimo šaltiniuose (tokie ir yra kompiuterių maitinimo blokai) skaičiuojant galios faktorių reikia atsižvelgti dar ir į harmoninius iškraipymus.

Siekiant sumažinti reaktyviąją galią ir padaryti maitinimo blokus efektyvesnius, juose naudojamos PFC (galios faktoriaus koregavimo) grandinės. Anksčiau dažnai pasitaikydavo pasyvių PCF grandinių, tačiau dabar daugumoje maitinimo blokų naudojamos aktyvios PFC grandinės, kurios yra efektyvesnės. Su jomis galios koeficientas yra 0,9 ir daugiau.

Ant maitinimo blokų dažnai galima matyti 80Plus logotipą, bylojantį apie maitinimo bloko turimą bent 80 procentų naudingumo koeficientą esant 20, 50 ir 100 procentų apkrovai ir 0,9 galios koeficientą esant 50 procentų apkrovai (tiesa, ne visi šiuos kriterijus turintys blokai turi 80Plus sertifikatus). Tokius rezultatus maitinimo blokas turi rodyti prijungtas į 115 V 60 Hz kintamos įtampos elektros lizdą. Lietuvoje, kaip žinote, naudojami 230 V ir 50 Hz elektros lizdai, ir su didesnės įtampos lizdais maitinimo blokai turi iki kelių procentų didesnį naudingumo koeficientą. Kadangi nuolat stengiamasi gaminti daug efektyviau energiją naudojančius maitinimo blokus, atsirado ir kiti 80Plus sertificatai: 80Plus Bronze, Silver ir Gold. Kad gautų bronzinį sertifikatą maitinimo blokas minėtomis sąlygomis turi tutėti atitinkamai 82/85/82 % naudingumo koeficintus, sidabrinį – 85/88/85 %, o auksinį – 87/90/87 % efektyvumą. Esant skirtingoms apkrovoms maitinimo blokų naudingumo koeficientai keičiasi. Didžiausias maitinimo šaltinio efektyvumas pasiekiamas esant 50 procentų jo galios. Reikalavimus blokams ir testuotų blokų sąrašus galite rasti 80Plus svetainėje.

Testavimas

Pirmąkart išsamiau savo testavimo metodiką aprašėme Nexus Value 430 W maitinimo bloko apžvalgoje. Kiekvienoje apžvalgoje taip pat užsimenu apie testavimo metodiką. Šioje dalyje norėčiau glaustai išdėstyti, kaip testuojami maitinimo blokai ir kaip tai atliekama konkrečiai čia.

Norint pamatyti, kaip elgiasi maitinimo blokas, pirmiausiai jį reikia apkrauti. Apkrovai laboratorijose naudojami brangūs skaitmeniniai didelio tikslumo nuolatinės srovės apkrovos generatoriai, kurių pagrindas – tranzistoriai, arba mūsų atveju – analoginis iš rezistorių sudarytas apkrovos generatorius, kurį pakrikštijome Anatolijaus vardu. Iš esmės tai didelis \“šildytuvas\“, kurio rezistoriuose maitinimo bloko galia verčiama šiluma. Jis toli gražu nėra toks tikslus, kaip profesionalūs laboratoriniai prietaisai, kuriuose linijų sroves galima reguliuoti kartais netgi šimtųjų ampero dalių tikslumu. Anatolijaus linijų srovių žingsnius galima reguliuoti 4 A (+3,3 ir +5 V) ir 2 A (+ 12 V) tikslumu. Srovių vertės praktikoje irgi nėra idealiai tokios, kokios turėtų būti teoriškai, jas tenka nuolat matuoti, laukti kol jos nusistovės.

Blokas apkraunamas keliomis skirtingomis apkrovomis. Mūsų atveju tai 20, 50, 75 ir 100 procentų maitinimo bloko galios. Kiekvieno bandymo metu blokas apie 15 minučių veikia, kol nusistovi temperatūros ir ventiliatoriaus apsukos. Tuomet multimetru fiksuojamos bloko linijų įtampos (pagal ATX specifikaciją įtampos gali svyruoti +/-5 procentų diapazone), bloko keliamas triukšmo lygis, infraraudonųjų spindulių termometru nustatoma bloko paviršiaus temperatūra. Pagal į rozetę įjungto galios matuoklio parodymus vėliau apskaičiuojamas bloko naudingumo koeficientas.

Visi keturi testai atliekami esant kuo artimesnei 40 laipsnių aplinkos temperatūrai. Tam pasiekti buvo rastas paprastas sprendimas – buitinis kambario šildytuvas. Dėl ko maitinimo bloko aplinkoje esantį orą norime įšildyti? Dėl to, kad norime simuliuoti nepalankias sąlygas kompiuterio korpuse, kur maitinimo bloką papildomai veikia kitų komponentų išskiriama šiluma. Be to, priklausomai nuo temperatūros keičiasi ir maitinimo bloko rodomi rezultatai ir maksimalus teorinis bloko veikimo laikas.

Tiek su Anatolijumi, tiek ir su šildytuvu susiję ir keblumai matuojant maitinimo bloko keliamą triukšmą. Dėl minėtų įrenginių aplinkos triukšmas ženkliai padidėja, todėl, kad objektyviau galėtume įvertinti su bloko apkrova ir temperatūra susijusius decibelų pasikeitimus, bloko triukšmo lygį matuojame iš mažo, 5 cm atstumo. Gamintojai maitinimo blokų specifikacijose neretai pateikia mažiausias triukšmo lygio vertes, kurios matuojamos 0,5 – 1 m atstumu nuo bloko specialiuose izoliuotuose kambariuose su didelio tikslumo matuokliais, dažnai, esant tik minimaliai apkrovai ir neaukštai temperatūrai. Dėl to jų pateikiamos vertės yra žymiai mažesnės už mūsų išmatuotas.

Maitinimo blokų tiekiamos įtampos niekada nebūna idealiai stabilios, net jeigu multimetras ir nerodo jų svyravimų. Jis tiesiog negali pakankamai greitai užfiksuoti vykstančių svyravimų/triukšmų. Stabilesnė įtampa reiškia stabilesnį įrenginių veikimą, o stebėti įtampos kitimus realiu laiku pasitelkiamas osciloskopas, leidžiantis fiksuoti svyravimus per mikrosekundes. ATX standartas leidžia ne didesnius nei 120 mV triukšmus nuo nominalios vertės +12 V linijai ir ne didesnius nei 50 mV triukšmus +3,3 ir +5 V linijoms. Šių dydžių apžvalgose nematuojame, kadangi neturime tinkamo osciloskopo.

Kompiuterio naudojama galia ir bloko pasirinkimas

Dažnai iškyla klausimas, kokios galios maitinimo bloko reikėtų kompiuteriui. Vaizdo plokščių gamintojai savo gaminių specifikacijose paprastai pamini, kokio galingumo blokas reikalingas visam kompiuteriui su konkrečia vaizdo plokšte. Ar tai yra minimumas, be kurio kompiuteris neveiks? Tikrai ne. Priklausomai nuo kitų kompiuterio komponentų su ta pačia vaizdo plokšte gali veikti ir silpnesnis maitinimo blokas. Neaišku, į kokią sistemą tokia plokštė bus dedama, todėl gamintojai nurodydami maitinimo bloko galią apsidrausdami nurodo, kokios galios maitinimo bloko reikėtų sistemai su galingu procesoriumi ir papildomais komponentais. Pakankamai geras indikatorius apie komponento galios sąnaudas yra TDP reitingas. Jis nurodo maksimalų kiekį šilumos, kurią turi išsklaidyti komponento aušintuvas, ir nors TDP nėra tikras maksimalių komponento galios sąnaudų rodiklis, jis viršijamas labai retai. Nereikėtų pamiršti ir to, jog ne visi pigūs maitinimo blokai darbinėmis sąlygomis gali tiekti tokią galią, kokią deklaruoja gamintojas, be to, reiktų atsižvelgti, kaip galios paskirstytos po skirtingas šaltinio linijas (apie tai rašiau aukščiau). Reikėtų pasirūpinti ir pakankamu reikalingų kabelių bei jungčių bloke kiekiu bei vengti Molex -> PCI-E maitinimo adapterių, nebent maitinimo blokas turi vieną +12V liniją arba įsitikinus, kad papildomas įrenginys ta linija nenaudos per daug srovės. Senesni pigūs maitinimo blokai taip pat gali turėti kondensatorių susidėvėjimo požymių, dėl kurių blokas negali tiekti tokios galios, kokią galėjo tarnavimo pradžioje. Dėl šių priežasčių maitinimo blokas gali \“neužmaitinti\“ sistemos, kuriai iš pirmo žvilgsnio jis yra pakankamas.

Jeigu užmesite akį į daugumą procesorių ar vaizdo plokščių apžvalgų tiek čia, tiek ir kituose tinklapiuose, matysite ir diagramas su galios sąnaudomis. Dauguma atvejų tokiose diagramose pateikiamos visos kompiuterio, o ne atskirų komponentų galios sąnaudos. Taip pat svarbu atkreipti dėmesį ir į tai, jog matuojama galia iš elektros tinklo, ir dalis jos pavirsta šiluma maitinimo bloke, taigi grubiai skaičiuojant galios sąnaudos siekia ~80 procentų diagramose pateikiamo dydžio. Taigi viską paskaičiavus matyti, jog kompiuterių galios sąnaudos ne tokios ir didelės, tačiau yra kelios priežastys, kodėl verta turėti galingesnį maitinimo bloką.

Pirmoji iš jų – efektyvumas. Maitinimo šaltiniai turi didžiausią naudingumo koeficientą esant ~50 procentų apkrovai. Artėjant prie bloko tiekiamos galios ribų, efektyvumas mažėja, o sąskaita už elektrą – didėja. Taip pat artėjant link maitinimo bloko ribų dažnai didėja ir įtampų nuokrypiai nuo nominalių verčių bei bloko ventiliatoriaus keliamas triukšmas. Kita priežastis – galimybė atnaujinti kompiuterį. Maitinimo blokas kaip ir korpusas yra viena iš rečiausiai keičiamų kompiuterio dalių, todėl, jeigu ateityje planuojamas ne naujo kompiuterio pirkimas, o atnaujinimas daugiau galios reikalaujančiais komponentais arba spartinamas, galingesnis maitinimo blokas pravers.