Обзор блока питания Chieftec Power Smart GPS-650C. Детальный разбор схемотехники

Несмотря на большую популярность блоков питания марки Chieftec, в ассортименте компании не так уж и много энергоэффективных устройств, отвечающих требованиям 80 Plus Gold. К счастью, присутствующие на рынке модели с этим сертификатом обладают демократичным ценником и представляют собой одни из самых доступных решений среди конкурентов. Например, GPS-650C серии Power Smart.

На примере данного блока питания будет проведен более детальный обзор от инженера-схемотехника, в котором можно будет узнать больше о нюансах роботы современных блоков питания.

Chieftec Power Smart 650W (GPS-650C)

Блок питания поставляется в красно-черной коробке с минималистичным дизайном, на основных гранях можно увидеть только название серии и одинокий значок сертификата 80 Plus Gold в уголке. На боковой грани можно найти перечень моделей серии и метку конкретного экземпляра, больше никаких данных о блоке питания на упаковке нет.

В коробке находится комплект отстегивающихся кабелей, сетевой шнур в небольшом чехле, инструкция и набор монтажных винтов.

GPS-650C обладает полумодульной конструкцией, кабели питания АТХ24 и CPU впаяны в печатную плату, а шлейфы для устройств PCI-E, SATA и IDE отстегиваются. Количество кабелей и их длина следующие:

• один для питания материнской платы (55 см);
• один с одним 8-контактными (4+4) и одним 4-контактным для питания процессора (55+15 см);
• два с двумя 8-контактным (6+2) разъемами для питания видеокарты PCI-E (55+15 см);
• два с тремя разъемами питания для SATA-устройств (55+15+15 см);
• один с тремя разъемами питания для IDE-устройств (55+15+15 см).

Все кабели обтянуты нейлоновой оплеткой черного цвета. Их длины должно быть достаточно для сборки системы в корпусе с нижним расположением блока питания. Коннекторы питания ATX24, CPU и PCI-E составные, но без проблем можно подключить разъём с нужным количеством контактов.

Внешность блока сдержанная: он покрашен черной порошковой краской с текстурным эффектом, крыльчатка вентилятора и его решетка тоже черные, в центре логотип компании. На боковых гранях наклеены наклейки с названием серии, никакой нужной информации они не несут и благодаря рельефной покраске они легко отклеиваются не оставляя следов клея. Их можно убрать, если хочется более сдержанного вида. Наклейка с параметрами находится на верхней грани блока.

На внутренней стенке расположены разъёмы для подключения шлейфов: два 8-контактных разъёма красного цвета для PCI-E и четыре 4-контактных разъёма черного цвета для SATA и IDE. На кабелях соответствующие разъёмы тоже имеют красный и черный цвет, перепутать не получится, да и комбинация ключей не даст установить их неправильно.

Данный блок питания соответствует современным нормам ATX 12V 2.3, также экологическим нормам по содержанию вредных материалов, перечень параметров, сертификатов и норм указаны на верхней грани блока.

Рассматриваемая модель обладает высокой эффективностью, построена на современной платформе производства CWT, с активным PFC, который работает в широком диапазоне напряжения сети питания. Силовая часть основана на базе резонансного преобразователя с синхронным выпрямителем на выходе по линии +12 В, напряжения +5 B и +3,3 B формируются отдельными DC/DC-преобразователями, стабилизация всех основных напряжений независимая.

Рассмотрим схемотехнику и конструкцию более детально. На входе блока установлен предохранитель и варистор, которые защищают блок от больших бросков сетевого напряжения, короткие импульсы варистор поглощает и переводит в тепло. При длительных бросках большой энергии варистор должен сжечь предохранитель. На плате распаян полноценный фильтр импульсных помех, дополнительно часть конденсаторов находится на контактах сетевого разъёма. Отмечу, что данный фильтр предназначен для защиты сети от помех, создаваемых блоком питания, а не на оборот, хотя многие почему-то думают, что он для защиты блока питания. После фильтра напряжение подается на диодный мост GBU1006 (600 В, 10 A), охлаждаемый радиатором. Для всех силовых элементов высоковольтной части блока используется общий охладитель, выполнен из алюминия в виде пластины с небольшими ребрами на верху. Он расположен вдоль боковой грани устройства для лучшей продуваемости и легкого вывода теплого воздуха через выходную решетку блока. В модуле APFC установлены два полевых транзистора GP28S50G (500 B, 28 А), включенных в параллель для уменьшения падения напряжения на открытом канале — несмотря на то, что по току хватит и одного транзистора, КПД корректора с одним будет ниже. Также для уменьшения потерь дроссель APFC выполнен на броневом сердечнике, который в некоторых обзорах называют пластиковым, но на самом деле это феррит. Управляет ключами контролер CM6502UH, на выходе модуля установлен диод SCS206AG (6 A, 650 B). После диода установлен термистор для ограничения импульса тока при зарядке конденсатора фильтра при включении в сеть. Для уменьшения потерь на термисторе, его замыкает реле при включении компьютера. Накопительный конденсатор фильтра установлен номиналом 330 мкФ 400 В производства CapXon серии LP. Согласно документации, это электролитический конденсатор общего применения со сроком службы 2000 часов при температуре 85 °С и среднем токе пульсаций 3,1 А при частоте 50–100 кГц. Судя по заявленным значениям импульсного тока, этот конденсатор в номинальном режиме может обеспечить пиковую мощность 1100 Вт при среднем напряжении 360 вольт, если, конечно, APFC справится. В дорогие блоки аналогичной мощности ставят большую емкость для продления срока службы из-за меньшей нагрузки на конденсатор или лучшей стабильности при очень больших просадках сети питания ниже 100 В. Про формулу «1 мкФ на 1 Вт» забудьте и больше никогда не вспоминайте, она для не стабилизированных блоков питания без APFC. Также не стоит пугаться такого небольшого количества, как 2000 часов — время службы очень сильно увеличивается с уменьшением температуры. Но все равно, в данном узле хотелось бы видеть конденсатор серии Hi-ripple или Long Life общего применения с максимальной рабочей температурой 105 °С. Но даже в топовых компьютерных блоках питания часто устанавливаются электролитические конденсаторы общего применения, со сроком службы 2000 часов при 105 °С, только от более именитых производителей из Японии.

Не стоит забывать, что у всех производителей есть много разных серий конденсаторов, которые делятся по функциональному назначению, конструктивному исполнению, сроку службы и электрическим параметрам. Серия обычно указана на корпусе, а на сайте производителя можно найти на нее документацию. Срок службы конденсаторов бывает от 1000 до 25000 часов при максимальной рабочей температуре 85/105/125/130 градусов Цельсия и номинальном токе пульсаций. За это время емкость падает на 20%, другие важные параметры тоже ухудшаются. Так, при увеличении тока пульсаций больше номинала срок службы уменьшается, тогда как при меньших пульсациях срок службы увеличивается, а при уменьшении температуры на каждые 5 градусов срок службы растет в 1,5–3 раза в зависимости от серии. Внутри серии срок службы еще зависит от габаритов и рабочего напряжения, и чем больше банка, тем больше срок службы. Равные серии разных производителей имеют примерно одинаковые характеристики. Простое деление на хорошие японские и остальные средние/дешевые не корректно — любой Hi-ripple Long Life конденсатор от CapXon или Teapo проживет дольше и будет иметь лучше параметры, чем японский общего применения аналогичной емкости и напряжения со сроком службы 2000 часов.

Продолжим анализ нашего пациента. Питание с конденсатора фильтра поступает на полумостовой резонансный LLC-преобразователь. Аббревиатура означает что в резонансном контуре участвуют емкости и две индуктивности, одна из которых первичная обмотка силового трансформатора, вторая — рассеивания, может быть выполнена в виде отдельного дросселя или интегрирована в силовой трансформатор путем разделения входных и выходных обмоток перегородкой. В нашем случае индуктивность рассеивания представляет собой отдельный дроссель рядом с силовыми транзисторами CMS6024 (600 В, 24 A) установленными на радиатор и управляемыми комбинированным контролером CM6902 через трансформатор гальванической развязки. Сам контролер находится с низковольтной стороны блока на отдельной, слегка покосившейся, плате и запитывается от выхода «дежурки». Благодаря применению трансформаторной развязки контролер может управлять как полумостом, так и полным мостом и часто используется во многих современных моделях блоков питания других производителей. На выходе преобразователя установлен двухполупериодный синхронный выпрямитель на шести транзисторах SG40N01D (40 В, 100 А), включенных по три в параллель на плечо для уменьшения потерь. Ключами синхронного выпрямителя управляет тот же контролер CM6902. В плату рядом с транзисторами синхронного выпрямителя впаяны две небольшие пластины для их охлаждения, там же находится датчик температуры схемы управления оборотами вентилятора охлаждения. После синхронного выпрямителя питание линии +12V фильтруют пять полимерных конденсаторов с номиналом 470 мкФ 16 В, установленных параллельно. На выходе присутствуют еще один такой же полимерный конденсатор на 470 мкФ с рабочим напряжением 16 В и один электролитический конденсатор Low ESR на 1000 мкФ 16 В серии SG (5000 часов при температуре 105 °С) производства фирмы Su’scon. По полимерным конденсаторам документацию по маркировке найти не удалось, но, вероятней всего, они со сроком службы 2000 часов при 105 °С одного из тайванских производителей конденсаторов. К слову, полимерные (твердотельные) конденсаторы не вечные, как многие думают, они тоже боятся высоких температур, как и обычные электролитические. Из достоинств у них очень низкое ESR при маленьком размере, из недостатков — высокая цена. В целом такая схема резонансного преобразователя с синхронным выпрямителем на выходе имеет очень высокую эффективность и низкие пульсации с минимальными наводками благодаря мягкому переключению ключей, которое получается за счет формы тока в первичной обмотке. При резонансе она близка к синусу и в момент переключения ток и напряжение на ключе небольшие и потери низкие, в отличии от преобразователей с ШИМ-управлением, у которых основанной нагрев происходит за счет потерь от жесткого переключения. Резонансные преобразователи на мощности до 50 % от максимума могут обходиться без радиаторов вообще при обдуве или с небольшими радиаторами без обдува, в некоторых блоках питания с многослойными печатными платами силовые ключи резонансного преобразователя охлаждаются только за счет обдува платы, без дополнительных теплоотводов.

Напряжения +5V и +3,3V формируются отдельным понижающим DC/DC-преобразователем с синхронным выпрямителем из линии +12V, выполненном на отдельной плате. Управляет им сдвоенный ШИМ-контролер APW7159, выходные ключи M3054D (30 В, 54 A) и SPN3004 (30 В, 96 A) по паре на каждый канал. Все конденсаторы на плате полимерные, на входе по линии +12V установлены два конденсатора на 470 мкФ 16 В, на выходах — по одному 1500 мкФ 6,3 В на каждый канал. Плата со стороны проводов закрыта медным экраном в пленке, который защищает выходные провода от наводок дросселей этих DC/DC-преобразователей. Дополнительно на плате рядом с выходными проводами +5V и +3,3V установлены еще два полимерных конденсатора на 820 мкФ 6,3 В.

Дежурное питания +5VSB выполнено на ШИМ-контролере TNY177PN c интегрированным силовым ключом, конденсаторы обвязке контролера производства CapXon и других фирм аналогичного уровня, точные данные посмотреть проблематично из-за больших компонентов вокруг. На выходе установлен электролитический Low ESR конденсатор 2200 мкФ 10 В серии GF (5000 часов при температуре 105 °С) производства CapXon и после небольшого дросселя еще один электролитический конденсатор 1000 мкФ 16 В серии WL (5000 часов при температуре 105 °С) производства JunFu.

За выходными напряженими следит супервизор  Sitronix ST9S313-DAG, он умеет мониторить только напряжение и выполняет защиту от повышенного и пониженного напряжения на выходе блока (OVP и UVP), более продвинутые супервизоры еще могут мониторить ток нагрузки и выполнять защиту OCP и SCP. В данном блоке защиту по превышению максимального рабочего тока и от короткого замыкания (OCP и SCP) по линиям +5V +3,3V выполняет контролер APW7159. Аналогичные защиты по линии +12V осуществляются контролером CM6902— эта защита работает с запасом +20–25% от максимума по этой линии. Так как нет разделения защиты отдельно нескольким группам +12V то при коротком замыкании или очень большой нагрузке одного провода на него пойдет вся мощность, которую может выдать блок питания. Остальные виды защит обеспечиваются другими узлами блока питания, супервизоры, даже самые продвинутые, к ним не имеют никакого отношения.

Пайка достаточно качественная, все компоненты пропаяны хорошо без раковин и наплывов, но вот некоторые компоненты установлены не совсем ровно и местами есть не смытый флюс, но это только эстетическая проблема, на работоспособность и надежность это не влияет.

За охлаждение компонентов отвечает 140-мм вентилятор D14SM-12 (12 В, 0,7 A) производства Yate Loon Electronics с номинальной частотой вращения 1400 об/мин, уровнем шума 29 дБ и двухконтактным подключением. Вентилятор управляется автоматически, при старте блока питания обороты минимальны и его почти не слышно, при прогреве компонентов синхронного выпрямителя обороты плавно увеличиваются. Полупассивного режима работы, когда вентилятор полностью отключен при температуре ниже определенного уровня, не завезли, но это даже лучше в плане долговечности — даже при слабом обдуве конденсаторы рядом с горячими компонентами прогреваются заметно меньше, чем без обдува.

Методика тестирования

Тест блока питания осуществлялся с использованием электронной нагрузки со следующими параметрами: максимальный ток по линии 3,3 В — 16 А, по линии 5 В — 22 А, по линии 12 В — 50 А, погрешность измерения тока и напряжения стендом 5%. Все контакты для подключения кабелей тестируемого блока питания с одинаковым напряжением включены параллельно и нагружены соответствующим каналом нагрузки. Для точного измерения всех напряжений, тока сети и температуры использовался мультиметр Zotek ZT102 с True RMS. Уровень пульсаций на выходе замерялся цифровым осциллографом DSO203.

Для каждой линии питания устанавливался необходимый ток и напряжение замерялось мультиметром на не нагруженном кабеле с коннекторами «молекс» для того, чтобы получить реальные значения напряжений на выходе блока без влияния падения на проводах, +3,3 В при этом замерялось на коннекторе АТХ24. Напряжение на нагруженных кабелях будет разным в зависимости от тока нагрузки, длины и количества проводов в кабеле. В данной модели блока питания предусмотрена частичная компенсация падения напряжения на проводах. Это сделано с помощью отдельных более тонких проводов, по которым напряжение для обратной связи снимается с контактов коннектора АТХ 24 по всем основным линиям питания +3,3V, +5V и +12V. Напряжение на самой материнской плате будет более стабильным, но на выходах других кабелей может отличатся из-за влияния сопротивления проводов.

Результаты тестирования

Первый тест на нагрузочную способность линии +12V при постоянной нагрузке по +3,3V и +5V, близкой к максимальной по этим двум линиям.

По результатам теста можно увидеть, как линейно увеличивается напряжение по линии +12V на выходе блока питания, чтобы компенсировать падение на проводах, напряжение на стенде при этом линейно уменьшалось от 12,09 В до 12 В с ростом тока, так как минусовые провода не охвачены обратной связью. Дополнительно был сделан тест с нагрузкой только кабеля питания CPU. Без нагрузки напряжение равнялось 12,1 В, при токе 20 А напряжение на восьми контактном разъеме было 11,87 В, при этом на выводах +12V не нагруженного разъема ATX24 было по прежнему 12,1 В, потери на проводах составили 0,23 В, но при работе компьютера будет нагружен и кабель ATX24 при этом обратная связь будет работать корректней и разница будет меньше.

Детальные кросснагрузочные характеристики не снимались, были сделаны тесты только при минимальной и максимальной нагрузке по всем линиям для оценки максимального изменения выходных напряжений.

По результатам теста видим что при максимальных перекосах нагрузки по отдельным линиям напряжение на других линиях меняется не значительно, и зависит только от сопротивления проводов, в подобных схемах блоков питания нагрузка на каждую отдельную линию может быть любой, от нуля до максимума, независимо от других линий, в отличии от схем с групповой стабилизацией, при которой нагрузка должна быть пропорциональной по всем линиям, так как к сопротивлению проводов добавляется разность падения напряжения на диодах выпрямителей, сопротивлений обмоток трансформатора и дросселя групповой стабилизации. Уровень пульсаций на выходе замерялся на максимальной нагрузке и составил 25 мВ по линии +3,3V, 35 мВ по линии +5V и 75 мВ по линии +12V, что укладывается в нормы стандарта АТХ.

Тест эффективности блока проводился при напряжении сети 230 В, при пониженном напряжении сети КПД будет немного ниже.

Тест на нагрев компонентов блока проводился при температуре воздуха в помещении 19 °С, была установлена термопара под изоляционную пленку на силовом трансформаторе, чтобы измерять температуру обмоток. Блок нагружался на 650 Вт и работал пока температура силового трансформатора не стабилизировалась, после блок отключался от сети, снималась крышка и быстро проводились замеры температуры остальных компонентов. Вентилятор при тесте немного повысил свои обороты, уровень шума увеличился незначительно. Обороты и уровень шума не замерялись, так как они будут не актуальны для нормальной эксплуатации в корпусе.

В корпусе температуры будут выше в зависимости от размеров шасси и его продуваемости. Провести тест на нагрев максимально близким к реальной эксплуатации довольно сложно, и он будет актуален только для конкретной системы с конкретным видом программной нагрузки, у других пользователей все может кардинально отличаться. Из всех значений температур выделяется температура обмотки силового трансформатора, но на самом деле она не сильно высокая, максимальная рабочая температура обмоток трансформаторов и дросселей с межслойной пластиковой изоляцией +130 °С, для дросселей без пластиковой изоляции максимальная рабочая температура определяется характеристиками материала магнитопровода. Большинство ферритов для силовых трансформаторов имеют рабочие температуры до +150 °С и выше, при этом потери при температуре +100°С меньше или равны потерям при +20°С. Главное чтобы конденсаторы не устанавливались вплотную к горячим трансформаторам и дросселям, тогда при обдуве не будет влияния на долговечность блока и температуры моточных изделий, близкие к +100°С, не будут проблемой.

Выводы

Протестированный Chieftec Power Smart GPS-650C — довольно неплохой блок питания с современной схемотехникой и высокой эффективностью, хорошей стабильностью, и является компромиссом в плане стоимости блока и качества компонентов. Он выдает заявленную мощность и нормально справится с питанием пары не топовых видеокарт и мощного процессора без разгона на протяжении как минимум гарантийного срока службы, а с одной мощной видеокартой и производительным процессором он будет работать достаточно долго. По статистике блоки питания, работающие на нагрузке 50–60% от максимальной, при хорошем качестве сети питания выдерживают 2–3 гарантийных срока эксплуатации, без заметного ухудшения характеристик, если вовремя делать профилактику системы.