Как рассчитать питание компьютера

Еще полгода назад считалось, что блока питания мощностью 350 W за глаза хватит для питания любого, самого навороченного домашнего компьютера.
Бери БП помощнее от известного производителя, и можешь хоть обвешаться различными девайсами — ничего считать не нужно.
Но сумасшедшая гонка за мегагерцами и fps’ами вносит свои коррективы: на рынке появился новый видеоускоритель от nVidia — GeForce 6800 Ultra, ATI готовит ответный удар, и юзеру уже рекомендуют запастись БП мощностью 480 W!
Закономерно возникает вопрос: «Без замены блока питания апгрейд теперь невозможен?».

Ответить на этот вопрос не так сложно — надо посчитать мощность машины.
Уметь вычислить потребляемую мощность системы полезно и при сборке и апгрейде компьютера любой конфигурации.
Как выяснить, почему не включается компьютер, или выдержит ли noname блок на 230 W дополнительный HDD?
Об этом мы попытаемся рассказать ниже.

Принцип работы блока питания

Очень часто на железных форумах можно встретить грустные истории про то, как у кого-то сгорел блок питания и прихватил с собой на тот свет материнскую плату, процессор, видеокарту, винчестер и кота Мурзика.
Почему же горят БП?
И почему горит синим пламенем нагрузка aka начинка системного блока?
Чтобы ответить на эти вопросы, кратко рассмотрим принцип работы импульсного блока питания.

В компьютерных блоках питания применяется метод двойного преобразования с обратной связью.
Преобразование происходит за счет трансформации тока с частотой не 50 Гц, как в бытовой сети, а с частотами выше 20 кГц, что позволяет использовать компактные высокочастотные трансформаторы при той же выходной мощности.
Поэтому компьютерный блок питания гораздо меньше, чем классические трансформаторные схемы, которые состоят из понижающего трансформатора довольно внушительных размеров, выпрямителя и фильтра пульсаций.
Если бы компьютерный блок питания был бы сделан по этому принципу, то при требуемой выходной мощности он был бы размером с системный блок и весил бы в 3-4 раза больше (достаточно вспомнить телевизионный трансформатор с мощностью 200-300 Вт).

Импульсный БП имеет более высокий КПД за счет того, что работает в ключевом режиме, а регулирование и стабилизация выходных напряжений происходит методом широтно-импульсной модуляции.
Если не вдаваться в подробности, то принцип работы заключается в том, что регулирование происходит путем изменения ширины импульса, то есть его длительности.

Вкратце принцип работы импульсного БП прост: чтобы использовать высокочастотные трансформаторы, нам необходимо преобразовать ток из сети (220 вольт, 50 Гц) в высокочастотный ток (порядка 60 кГц).
Ток из электрической сети идет на входной фильтр, который отсекает импульсные высокочастотные помехи, образующиеся при работе.
Далее — на выпрямитель, на выходе которого стоит электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций.
Далее выпрямленное постоянное напряжение порядка 300 вольт поступает на преобразователь напряжения, который преобразует входное постоянное напряжение в переменное напряжение с прямоугольной формой импульсов высокой частоты.

В состав преобразователя входит импульсный трансформатор, который обеспечивает гальваническую развязку от сети и понижение напряжения до требуемых значений.
Эти трансформаторы изготавливаются очень маленькими по сравнению с классическими, в них малое количество витков, а вместо железного сердечника используется ферритовый.
Затем снимаемое с трансформатора напряжение идет на вторичный выпрямитель и высокочастотный фильтр, состоящий из электролитических конденсаторов и индуктивностей.
Для обеспечения стабильного напряжения и работы используются модули, обеспечивающие плавное включение и защиту от перегрузок.

Итак, как ты мог заметить из вышесказанного, в схеме компьютерного блока питания протекает ток очень высокого напряжения: ~300 вольт.
Теперь давай представим, что будет, если какой-либо ключевой элемент схемы выйдет из строя, и защита не сработает.
Ток высокого напряжения кратковременно поступит в нагрузку (пока БП не выгорит), и часть содержимого системного блока, скорее всего, этого не перенесет.

Почему же горит БП?
Есть много причин: остановился вентилятор, упал внутрь винтик, внутренности забились пылью и т.д.
Но нас интересует другой момент.

Импульсный блок питания забирает из сети столько энергии, сколько потребляет нагрузка.
Соответственно, если потребляемая нагрузкой мощность будет выше мощности, на которую рассчитан БП, то сила тока, протекающего по цепям блока, также будет выше той, на которую рассчитаны проводники и элементы, что приведет к сильному нагреву и, в итоге, к выходу блока питания из строя.
Именно поэтому на выходе БП стоит датчик выходной мощности, и защитная схема сразу отключит блок питания, если расчетная мощность нагрузки будет больше максимальной мощности БП.

Итак, если необдуманно перегрузить блок питания, то в лучшем случае он просто не включится, а в худшем — сгорит, поэтому всегда полезно хотя бы прикинуть мощность нагрузки.

Что такое мощность

Мощность - физическая величина, характеризующая энергию, отданную или полученную объектом в единицу времени.
Соответственно, мощность бывает выделяемая (выходная) и поглощаемая (потребляемая).

Мощность, как и энергия, бывает различных видов (механическая, электрическая, тепловая, акустическая, электромагнитная, волновая и т.п.), которые, в свою очередь, связаны с природой этой энергии.

Отношение выделяемой в ходе преобразования энергии мощности к потребляемой называется коэффициентом полезного действия (КПД), который характеризует эффективность этого преобразования.

Как известно из школьного курса физики, мощность P [Вт] для схемы постоянного тока прямо пропорциональна напряжению U [В] и силе тока I [А] в участке цепи:

P = I·U

Эту формулу можно использовать как для расчета мощности, потребляемой устройством, так и для расчета выходной мощности БП, а также для рассеиваемой тепловой мощности.

Соответственно, тепловая мощность, выделяемая на элементе схемы блока питания (нагрев элемента), будет прямо пропорциональна силе тока, проходящего через все потребители.

Наверное, не надо объяснять, что суммарная мощность всех комплектующих должна быть меньше максимальной выходной мощности источника питания.

Необходимо также отметить, что система потребляет мощность неравномерно.
Пики мощности приходится на включение ПК или отдельного устройства, задействование сервоприводов, увеличение вычислительной нагрузки на систему и т.д.
Производители часто указывают для устройств с большим энергопотреблением значения пиковой мощности.
Таким образом, грубо прикинуть максимальную потребляемую мощность нагрузки можно просто сложив мощности всех устройств, подключенных к БП:

P = p(1) + p(2) + p(3) + … + p(i)

Стандарты БП

Но для расчета питания и выявления проблем с ним необходимо знать некоторые данные и о самом блоке питания.
Начнем со стандартов.

Первым стандартом блока питания для IBM PC совместимых был AT.
Он обеспечивал мощность БП до 200 W, чего хватало с большим запасом, так как CPU потребляли по нынешним меркам мизерное количество энергии, и лишь немногие пользователи могли позволить себе второй HDD.

С выходом Pentium II AT уже не мог обеспечить необходимую среднему ПК выходную мощность (230-250 W) и уступил свое место ATX.
ATX отличается от AT наличием дополнительного источника питания +3.3 V, наличием питания в цепи +5 V в режиме Standby и возможностью программного отключения.
Принципиальных различий в схемотехнике — нет.

Pentuim IV внес очередные коррективы.
Этот процессор потребляет столь большую мощность, что стандартный блок ATX уже не может обеспечить стабильное питание в цепи 12 V.
Сечение проводника и площадь уверенного контакта в разъемы недостаточны, что может привести к порче материнской платы, поэтому появился дополнительный 4-контактный разъем.

Учитывая «прожорливость» современных CPU и видеоадаптеров, похоже, скоро нас ждет очередная смена стандарта.

Читаем характеристики блока питания

Та большая красивая цифра, которую указывают в модели блока питания, показывает общую мощность устройства.
Нас же должны интересовать такие показатели, как эффективная нагрузка (КПД) и наработка на отказ при определенной нагрузке и температуре.
Первый показатель говорит о том, какую мощность будет потреблять нагрузка, а какая выделится вхолостую в виде тепла, то есть при заявленной мощности 350 W и эффективной нагрузке 68% мы получим 240 W.
У разных производителей этот показатель колеблется от 65% до 85%.
Второй показатель дает нам данные о рекомендуемых условиях работы БП, например, 100000 часов при нагрузке 75% и температуре 25 градусов Цельсия.
Другие показатели касаются значений отклонений по входному и выходному напряжению, защиты от перегрузок, короткого замыкания и перегрева и т.д.

Однако есть еще один блок характеристик.
Дело в том, что суммарная мощность блока складывается из показателей мощности по отдельным цепям.
Они указаны на крышке блока питания в специальной табличке.
Используя приведенную выше формулу, можно рассчитать минимальную максимальную мощность нагрузки по каждой цепи.
Сложив получившиеся мощности, получим эффективную мощность БП.

Мощности по каждому выходу также важно учитывать, так как нагрузка потребляет ток разного напряжения и будет нагружать соответствующую цепь БП.

Процессор

Процессор, наверное, самый прожорливый элемент в компьютере.
Не даром для него выделили отдельную розетку!
Мощность, потребляемая той или иной моделью CPU, обычно известна, и указывается производителем.
Ее также можно рассчитать, умножив ток, потребляемый процессором (обычно также указывается) на напряжение.
Мощности самых распространенных CPU ты можешь посмотреть в таблице.

Отдельно хочется выделить Intel Pentium IV Prescott, который, несмотря на 0.9-микронную технологию, но за счет значительно большего числа транзисторов, потребляет больше, чем Northwood: 105-110 W.

Сложности с расчетом потребляемой процессором мощности возникают, если CPU разогнан.
Мощность увеличивается при повышении тактовой частоты и напряжения на ядре.
Если повышение напряжения учесть легко, то коэффициент зависимости потребляемого тока от частоты можно найти только опытным путем.
Очень приближенно можно сказать, что при увеличении частоты на 100 МГц потребляемая мощность увеличивается на 0.6-1.0 W.

Видеоадаптер

Современные видеоускорители по «прожорливости» ничуть не уступают процессору.
Видеочип содержит внушительное число транзисторов, частоты также высоки, да и бортовая память нуждается в питании.

Потребляемая видеокартой мощность очень сильно зависит от ее состояния: находится она в режиме ожидания, используется в 2D-приложениях или обсчитывает сложную 3D-сцену.
Точные значения изменения потребляемой мощности привести невозможно, однако тесты показывают, что при загрузке системы 3D-приложением в высоком экранном разрешении потребляемая мощность системы может вырасти на 80-100 W по сравнению с незагруженным состоянием.

Особенно хочется отметить характеристики hi-end видеоадаптеров.
Например, nVidia GeForce 6800 Ultra при пиковых нагрузках потребляет до 110 W.

Приводы

Особенностью приводов является наличие механических частей в конструкции, в частности электромоторов, потребляющих ток с напряжением 12 вольт.
Именно в момент позиционирования головок HDD или открытия лотка CD-привода происходит увеличение потребляемой энергии.
Нам приходилось быть свидетелями отключения БП из-за попытки открыть CD-ROM.

Отдельно стоит упомянуть CD-RW и DVD драйвы.
Из-за повышенной мощности лазерного луча эти приводы потребляют несколько больше энергии, однако в сравнении цифра незначительна: ~15 W.

USB и IEEE 1394

При «горячем» подключении устройств также происходит скачок потребляемой мощности, и каждое устройство потребляет дополнительную энергию.
Таким образом, необходимо учитывать питание временно подключаемых устройств при планировании запаса мощности блока питания.

Другие факторы

При покупке блока питания всегда необходимо оставлять определенный запас мощности.
Это связано с возможностью будущих апгрейдов и с установкой дополнительного оборудования.
Также следует учитывать сезонное изменение условий работы, износ и загрязнение БП.
Например, очень сильно влияет на работу блока пыль.
Пыль является не только термоизолятором, который препятствует охлаждению, и не только помехой в работе вентиляторов.
Она еще является прекрасным проводником статического электричества.
Так что пыль в первую очередь опасна для компьютера, и при повышении потребляемой мощности (т.е. повышении напряжения при включении какого-либо устройства) может выйти из строя какой-либо компонент. Аналогичная ситуация и с износом - он приближает выход из строя системы.

На что нужно обратить внимание при покупке БП

Прежде всего, на качество исполнения.
Его можно оценить даже на вес.
Иногда удивляет легкость 300-ваттного безымянного БП по сравнению с тяжестью 250-ваттного InWin.
Солидный вес означает, что производитель не экономит на хороших массивных радиаторах и трансформаторах с запасом мощности, и даже на силовых элементах конструкции корпуса БП.

Также мощные блоки питания оснащаются большим числом (от 7 и выше) качественных разъемов для подключения различных внутренних устройств.
Владельцам Intel Pentium IV необходимо убедиться в наличии четырехштырьковой AUXPWR-колодки и соответствии БП стандарту АТХ 2.03.

Если есть возможность, то желательно проверить стабильность выходного напряжения в работе.
Для этого есть различные утилиты, которые позволяют наблюдать и записывают характеристики питания в реальном времени.
Обычно они идут в комплекте с программным обеспечением к материнской плате.

И наконец, не следует покупать блоки без названия или с незнакомым названием фирмы-изготовителя.

Выводы

Итак, рассчитывать потребляемую мощность нагрузки и реальную выходную мощность блока питания при принятии решений о покупке нового девайса или апгрейде просто необходимо.
И хотя современные блоки обладают надежными схемами защиты, будет очень неприятно, если при попытке прочесть информацию с флэш-драйва новенький блок питания сразу же отключится.

Авторы: Кирилл Бохинек, Павел Сухочев

Определение необходимой мощности блока питания

В таблице приводятся потребляемая мощность и требуемое напряжение для разных компьютерных устройств.
Обратите внимание, что необходимо учитывать не только общую мощность, но и мощность каждого питающего напряжения.
Просуммировав мощность отдельных устройств и получив общую потребляемую мощность, необходимо умножить полученное значение на 1,5 , так как оптимальный режим работы блока питания — в пределах 30-70% от его максимальной мощности.

В настоящее время из блоков питания для форм-фактора ATX наиболее распространены блоки, отвечающие рекомендации ATX Specification Version 2.03 , в частности, ATX/ATX12V Power Supply Design Guide Version 1.1 .

Основные параметры блоков питания

В заключение приведем основные параметры, характеризующие качество блока питания.

• Operating range (диапазон входного напряжения), Uвх.
Минимальное и максимальное входное напряжение, при котором блок питания работает согласно спецификации.
Предпочтение нужно отдавать БП с более широким диапазоном Uвх.
• Efficiency (коэффициент полезного действия).
Отношение выходной мощности к входной, выраженное в процентах.
Указывает на экономичность и эффективность БП.
• EMI (ElectroMagnetic Interference — электромагнитное излучение, ЭМИ).
Электромагнитные помехи, генерируемые импульсным блоком питания.
Часть ЭМИ отражается обратно в питающую сеть.
Обычно она гасится линейным фильтром.
Часть ЭМИ излучается в пространство.
Для предотвращения этого БП тщательно экранируется металлическим корпусом.
Нормы ЭМИ регулируются стандартами FCC (см. «Надежный корпус — фундамент компьютерной системы», «К+П» №5/2001).
• Output current (выходной ток).
Величина выходного тока, при которой БП может работать продолжительное время.
• Load regulation (коэффициент выходного регулирования).
Изменение выходного напряжения при изменении нагрузки от минимума до максимума при неизменных остальных параметрах.
Выражается в процентах от номинального выходного напряжения.
• Line regulation (коэффициент линейного регулирования).
Изменение выходного напряжения, вызванное колебаниями входного напряжения при неизменных остальных параметрах.
Выражается в процентах от выходного напряжения.
Чем меньше значение этого коэффициента, тем лучше.
• Transient response (переходная характеристика).
Время, необходимое для возврата выходного напряжения к регулируемому значению после 50-процентного изменения нагрузки.
Чем это время меньше, тем ниже риск возникновения ошибок чтения/записи.
• Ripple (пульсация).
Амплитуда переменного напряжения на выходе постоянного или процент от напряжения номинальной мощности.
Для компьютеров с высокоскоростным процессором и ОЗУ предпочтителен блок питания с «чистым» выходом постоянного тока.
• Hold-up time (время удержания).
Промежуток времени после пропадания входного напряжения, в течение которого выходное напряжение блока питания остается в указанных пределах.
В течение этого времени должен успеть включиться источник бесперебойного питания.
• Power good signal.
Сигнал для материнской платы о том, что +12 В, +5 В и +3.3 В имеют номинальное значение.
• Overvoltage protection (защита от повышенного напряжения).
Выключение блока питания, если выходное напряжение выше номинального значения.
• Overcurrent protection (защита от перегрузки).
Цепь защиты БП и компьютера от перегрузки и короткого замыкания по цепям +3.3 В, +5 В, +12 В.
• Agency approval (сертификаты безопасности).
Сертификаты UL, CSA, TUV и других агентств.
Эти тестовые спецификации описывают требования к монтажу, напряжению пробоя изоляции, току утечки, воспламеняемости печатной платы, температурному диапазону безопасной работы.
• Operating temperature (температурный диапазон).
Диапазон температуры окружающей среды, при которой БП должен нормально функционировать.
• Fan rating. Мощность вентилятора.
• Noise. Акустический шум.
• MTBF (среднее время наработки на отказ).
Определяет относительную надежность блока питания, основанную на опытных данных или расчетное значение, полученное согласно стандарту MIL-HDBK-217.