Коррекция коэффициента мощности блока питания. ⇡ Методика тестирования блоков питания

И снова здравствуйте!..
К сожалению статья моя задержалась, т.к. возник срочный проект по работе, а так же появились интересные трудности при реализации корректора коэффициента мощности (далее ККМ ). А вызваны они были следующим - мы в своем производстве для управления ККМ используем «заказную» микросхему, которую нам под наши задачи производит дружественная особенно в 1941-м Австрия и соответственно в продаже ее не встретить. Поэтому встала задача переделать данный модуль под доступную элементарную базу и мой выбор пал на микросхему ШИМ-контроллер - L6561 .
Почему именно она? Банальная доступность, вернее нашел ее в «Чип и Дип» , почитал даташит - понравилась. Заказал сразу 50 шт, т.к. дешевле и в своих любительских проектах у меня уже есть несколько задач для нее.

Теперь о главном: в данной стать я расскажу как почти с нуля вспоминал о проектирования однотактных преобразователей (казалось бы при чем тут они ), почему убил десяток ключей и как этого избежать вам. Данная часть расскажет теорию и что бывает если пренебрегать ей. Практическая же реализация выйдет в следующей части как я и обещал вместе с зарядным устройством , т.к. они по сути являются одним модулем и тестировать их надо вместе.
Забегая вперед скажу, что для следующей части уже заготовил пару десятков фотографий и видео, где мое ЗУ не надолго «переквалифицировалось» сначала в сварочный аппарат, а затем в блок питания для «козла» . Те, кто работают на производстве поймут что это за зверь и сколько он потребляет для нашего согревания)))

А теперь к нашим баранам…

Зачем он нам вообще нужен этот ККМ?

Главное бедой «классического» выпрямителя с накопительным конденсаторов (это та штука, которая превращает 220В переменного тока в +308В постоянного тока), который работает от синусоидального тока является то, что этот самый конденсатор заряжается (берет энергию из сети) только в моменты, когда напряжение приложенное к нему больше чем на нем самом.

На человечьем языке, слабонервным и с научными степенями не читать

Как нам известно электрический ток напрочь отказывается идти, если нету разности потенциалов. От знака же разности этой будет еще зависеть и направление протекания тока! Если вы психанули и решили попробовать напряжением 2В заряжать свою мобилу, где батарея Li-ion и рассчитана на 3.7В, то ничего у вас не выйдет. Т.к. ток будет отдавать тот источник, который имеет больший потенциал, а получать энергию будет тот у кого потенциал ниже.
Все как в жизни! Вы весите 60 кг, а парень на улице, который подошел попросить позвонить 120 кг - понятное дело, что пиздюлей раздаст он, а вы их получите. Так и тут - батарейка при своих 60 кг 2В не сможет дать ток в аккумулятор с 120 кг 3.7В. С конденсатором точно так же, если на нем +310В и вы приложите к нему +200В, то он ток получать откажется и заряжаться не будет.

Стоит так же заметить, что исходя из описанного выше «правила» время, отведенное конденсатору на зарядку будет очень маленьким. У нас же ток изменяется по синусоидальному закону, а значит необходимое напряжение будет лишь на пиках синусоиды! Но конденсатору то работать надо, поэтому он нервничает и пытается зарядиться. Он знает законы физики в отличии от некоторых и «понимает», что времени мало и поэтому начинает в эти самые моменты, когда напряжение в пике, потреблять просто огромный ток. Ведь его должно хватить на работу устройства до наступления следующего пика.

Немного об этих «пиках»:

Рисунок 1 - Пики в которых заряжается конденсатор

Как мы видим кусок периода в котором ЭДС принимает достаточное значение для заряда (образно 280-310В) составляет около 10% от полного периода в сети переменного тока. Получается, что мы вместо того, чтобы постоянно забирать плавно энергию из сети, вырываем ее лишь небольшими эпизодами, тем самым мы «перегружаем» сеть. При мощности в 1 кВт и индуктивной нагрузке, ток в момент таких «пиков» может спокойной достигать значений на 60-80А .

Поэтому наша задача сводится к обеспечению равномерного отбора энергии из сети, чтобы не перегружать сеть! Именно ККМ позволит нам реализовать данную задачу на практике.

Кто такой этот ваш ККМ?

Корректор мощности - это обычный повышающий преобразователь напряжения, чаще всего он однотактный. Т.к. мы используем ШИМ модуляцию, то в момент открытого ключа напряжение на конденсаторе постоянное. Если мы стабилизируем выходное напряжение, то ток забираемый из сети пропорционален входному напряжению, то есть изменяется плавно по синусоидальному закону без ранее описанных пиков потребления и скачков.

Схемотехника нашего ККМ

Тут я решил не изменять своим принципам и так же положился на даташит, выбранного мною контроллера - L6561 . Инженеры компании STMicroelectronics уже сделали все за меня, а если конкретнее, то он уже разработали идеальную схемотехнику для своего продукта.
Да я могу сам с нуля пересчитать все и потратить на это дело день-два, то есть все свои и так редкие выходные, но спрашивается зачем? Доказывать себе что могу, этот этап к счастью давно пройден)) Тут у меня вспоминается бородатый анекдот про площадь красных шариков, мол математик применяет формулу, а инженер достает таблицу с площадью красных шариков.... Так и в этом случае.

Советую сразу обратить внимание на то, что схема в даташите рассчитана на 120 Вт, а значит нам следует ее адаптировать под наши 3 кВт и запредельные напряжения работы.

Теперь немного документации к описанному выше:
Даташит на L6561

Если мы посмотри на страницу 6, то увидим несколько схем, нас интересует схема с подписью Wide-range Mains , что с басурманского значит «для работы в широком диапазоне напряжения питающей сети» . Именно данный «режим» я имел ввиду, говоря о запредельных напряжениях. Устройство считается универсальным, то есть может работать от любой стандартной сети (например, в штатах 110В) при диапазоне напряжений 85 - 265В.

Данное решение позволяет нам обеспечит нашему ИБП еще и функцию стабилизатора напряжения! Для многих такой диапазон покажется избыточным и тогда они могут выполнить данный модуль с учетом напряжения питания 220В +- 15%. Это считается нормой и 90% устройств в ценовой категории до 40 тыс. руб вообще лишены ККМ, а 10% используют его лишь с расчетом отклонений не более 15%. Это бесспорно позволяет несколько снизить себестоимость и габариты, но если вы еще не забыли, то мы делаем устройство, которое обязано потягаться с АРС!

Поэтому для себя я решил выбрать самый правильный вариант и сделать не убиваемый танк, который сможет вытянуть даже на даче, где 100В в сети сварочный аппарат или насос в скважине:

Рисунок 2 - Стандартное схемотехническое решение, предлагаемое ST

Адаптация стандартной схемотехники под наши задачи

а) Когда смотрю на данную схему из ДШ, первым что приходит в голову - необходимо добавить фильтр синфазных помех! И это правильно, т.к. на большой мощности они начнут «сводить с ума» электронику. Для токов 15 А и более он будет иметь более усложненный вид, чем многие привыкли его видеть в тех же компьютерных БП, где всего 500-600 Вт. Поэтому данная доработка будет отдельным пунктом.

Б) Мы видим конденсатор С1, можно взять хитрую формулу и посчитать необходимую емкость и я советую тем, кто хочет вникнуть это сделать, за одно вспомнив электротехнику 2 курса с любого политеха. Но я этим заниматься не буду, т.к. по собственным наблюдениям из старых расчетов помню, что до 10 кВт данная емкость растет почти линейно относительно роста мощности. То есть взяв в расчет 1 мкФ на 100 Вт, мы получим, что для 3000 Вт нам необходимо 30 мкФ. Данная емкость легко набирается из 7 пленочных конденсаторов по 4,7 мкФ и 400В каждый. Даже немного с запасом, ведь емкость конденсатора сильно зависит от приложенного напряжения.

В) Силовой транзистор нам понадобится серьезный, т.к. ток потребляемый от сети будет вычислять так:

Рисунок 3 - Расчет номинального тока для ККМ

Получили мы 41,83А . Теперь мы честно признаем, что удержать температуру кристалла транзистора в районе 20-25 о С мы не осилим. Вернее осилить можем, но будет дорого для такой мощности. После 750 кВт стоимость охлаждение фреоном или жидким кислородом размывается, но пока до этого далеко))) Поэтому нам надо найти транзистор, который сможет давать 45-50А при температуре 55-60 о С.

Учитывая, что в цепи есть индуктивность, то я предпочту IGBT транзистор, ибо наиболее живучие. Предельный ток надо надо выбирать для поиска сначала около 100А, т.к. это ток при 25 о С, с ростом температуры предельный коммутируемый ток транзистора снижается.

Немного о Cree FET

Получил я буквально 9 января посылку из Штатов от своего товарища с кучей разных транзисторов на тест, называется сие чудо - CREE FET . Не скажу, что это новая мега технология, на самом деле транзисторы на основе карбида кремния сделали еще в 80-х, просто до ума довели почему лишь сейчас. Я как изначальный материаловед и композитчик вообще к данной отрасли отношусь щепетильно, поэтому меня очень заинтересовал данный товар, тем более было заявлено 1200В при десятках и сотнях ампер. В России купить их не смог, поэтому обратился к своему бывшему одногруппнику и он любезно выслал мне кучу образцов и тестовую плату с forward"ом.
Могу сказать одно - это был мой самый дорогой фейерверк!
8 ключей ебнуло так, что я огорчился и на долго… На самом деле 1200В это теоретическая цифра для технологии, заявленные 65А оказались лишь импульсным током, хотя в документации было четко написано мол номинальный. Видимо был «номинальный импульсный ток» ну или как там еще китайцы придумывают. В общем то еще фуфло, но есть одно НО!
Когда я все таки сделал на CMF10120D корректор на 300 Вт, то оказалось, что он на одном и том же радиаторе и схеме имел температуру в 32 о С против 43-х у IGBT, а это очень существенно!
Вывод по CREE: технология сыровата, но она перспективна и ей определенно БЫТЬ.

В итоге полистав каталоги с посещенных мною выставок (удобная штука кстати аля параметрический поиск) я выбрал два ключа, ими стали - IRG7PH50 и IRGPS60B120 . Оба на 1200В, оба на 100+А, но открыв даташит первый ключ отсеялся сразу - он способен коммутировать ток 100А лишь на частоте в 1 кГц, для нашей задачи это губительно. Второй ключ на 120А и частоту в 40 кГц, что вполне подходит. Смотри даташит по ссылке ниже и ищем график с зависимостью тока от температуры:

Рисунок 4.1 - График с зависимостью максимального тока от частоты коммутации для IRG7PH50, оставим его на частотник

Рисунок 4.2 - График с рабочим током при заданной температуре для IRGPS60B120

Тут наблюдаем заветные цифры, которые показывают нам, что при 125 о С и транзистор и диод спокойно осилят токи чуть более 60А, при этом мы сможем реализовать преобразование на частоте в 25 кГц без каких либо проблем и ограничений.

Г) Диод D1, нам необходимо выбрать диод с рабочим напряжением не менее 600В и током номинальным для нашей нагрузки, то есть 45А. Я решил применить те диоды, которые у меня оказались под рукой (не давно закупил их для разработки сварочника под «косой мост») это - VS-60EPF12 . Как видно из маркировки он на 60А и 1200В. Ставлю я все с запасом, т.к. данный прототип делается для себя любимого и мне так спокойнее.
На самом деле вы можете поставить диод на 50-60А и 600В, но цена между версией на 600 и 1200В отсутствует.

Д) Конденсатор С5, тут все как в случае с С1 - достаточно увеличить номинал из даташита пропорционально мощности. Только стоит учесть, что если у вас планируется мощная индуктивная нагрузка или динамическая с быстрыми нарастаниями мощности (аля концертный усилок на 2 кВт), то лучше на этом пункте не экономить.
Я в своем вариант поставлю 10 электролитов по 330 мкФ и 450В , если вы планируете запитывать пару компьютеров, роутеры и прочую мелочь, то можно ограничиться 4-мя электролитами по 330 мкФ и 450В.

Е) R6 - он же токовый шунт, спасет нас от кривых рук и ошибок случайных, так же защищает схему от короткого замыкания и превышения нагрузки. Штука полезная однозначно, но если мы поступим как инженеры из ST, то на токах в 40А у нас получится обычный кипятильник. Тут есть 2 варианта: трансформатор тока или заводской шунт с падением 75мВ + ОУ аля LM358.
Первый вариант проще и дает гальваническую развязку данного узла схемы. Как рассчитывать трансформатор тока я приводил в предыдущей статье, важно помнить, что защита сработает, когда на ноге 4 напряжение вырастет до 2,5В (в реальности до 2,34В) .
Зная это напряжение и ток цепи, используя формулы из части 5 вы легко посчитаете трансформатор тока.

Ж) И последний пункт - это силовой дроссель. О нем чуть ниже.

Силовой дроссель и его расчет

Если кто-то внимательно читал мои статьи и у него отличная память, то он должен вспомнить статью 2 и фотографию № 5 , на ней видны 3 элемента моточных, которые мы используем. Еще раз покажу:

Рисунок 5 - Каркасы и сердечник для силовых моточных изделий

В данном модуле мы будем использовать опять таки наши любимые тороидальные кольца из распыленного железа, но только в этот раз не одно, а сразу 10! А как вы хотели? 3 кВт это вам не китайские поделки…

Исходные данные у нас есть:
1) Ток - 45А + 30-40% на амплитуду в дросселе, итого 58,5А
2) Напряжение на выходе 390-400В
3) напряжение на входе 85-265В AC
4) Сердечник - материал -52, D46
5) Зазор - распределенный

Рисунок 6 - И снова уважаемый Starichok51 экономит нам время и считает программкой CaclPFC

Я думаю расчет всем показал насколько это будет серьезная конструкция)) 4 кольца, да радиатор, диодный мост, да IGBT - ужас!
Правила намотки можно вычитать в статье «Часть 2». Вторичная обмотка на кольца мотается в количестве - 1 витка.

Итог по дросселю:

1) как вы видите количество колец аж 10 штук! Это накладно, каждое кольцо стоит около 140р, но что мы получим в замен в следующих пунктах
2) температура рабочая 60-70 о С - это совсем идеально, ведь многие закладывают рабочую температуру 125 о С. У себя на производстве 85 о С закладываем. Для чего это сделано - для спокойного сна, я спокойно уезжаю из дома на неделю и знаю, что у меня ничего не вспыхнет, не сгорит и все ледяное. Думаю цена за это в 1500р не такая смертельная, не так ли?
3) Плотность тока я поставил мизерную в 4 А/мм 2 , это повлияет и на тепло, и на изоляцию и соответственно на надежность.
4) Как видите по расчету емкость после дросселя рекомендована почти 3000 мкФ, так что мой выбор с 10 электролитами по 330 мкФ отлично сюда вписывается. Емкость конденсатора С1 получилась 15 мкФ, у нас двойной запас - можно уменьшить до 4-х пленочных кондеров, можно оставить 7 штук и это будет лучше.

Важно! Количество колец в основном дросселе можно уменьшить до 4-5, попутно увеличив плотность тока до 7-8 А/мм 2 . Это позволит неплохо сэкономить, но амплитуда тока вырастит несколько, а главное температура повысится не менее чем до 135 о С. Я считаю это хорошим решением для сварочного инвертора с ПВ 60%, но не для ИБП, который работает круглосуточно и наверняка в довольно ограниченном пространстве.

Что могу сказать - у нас растет монстр)))

Фильтр синфазных помех

Чтобы понять чем различаются схемы для данной фильтра на токи в 3А (упомянутый выше компьютерный БП) и на токи 20А, вы можете сравнить схемку из гугла на АТХ со следующей:

Рисунок 7 - Принципиальная схема фильтра синфазных помех

Несколько особенностей:

1) С29 - это конденсатор для фильтрации электромагнитных помех, имеет маркировку «Х1» . Его номинал должен быть в пределах 0,001 - 0,5 мФ.

2) Дроссель мотается на на сердечнике E42/21/20 .

3) Два дросселя на кольцах DR7 и DR9 мотаются на любом сердечнике из распыленки и диаметром более 20 мм. Я намотал на все тех же D46 из материала -52 до заполнения в 2 слоя. Шумов в сети даже при номинальной мощности практически нету, но это на самом деле даже в моем понимание избыточно.

4) Конденсаторы С28 и С31 по 0,047 мкФ и 1 кВ и их обязательно ставить класса «Y2».

По расчету индуктивности дросселей:

1) Индуктивность синфазного индуктора должна составлять 3,2-3,5 мГн

2) Индуктивность для дифференциальных дросселей рассчитывается по формуле:

Рисунок 8 - Расчет индуктивности дифференциальных дросселей без магнитной связи

Эпилог

Используя грамотные и профессиональные наработки инженеров компании ST, мне удалось с минимальными затратами изготовить если не идеальный, то просто отличный активный корректор коэффициента мощности с параметрами лучше чем у любого Шнайдера. Единственное вам обязательно стоит помнить насколько оно вам необходимо? И исходя из этого корректировать параметры под себя.

Моей целью в данной статье было как раз показать процесс расчета с возможностью корректирования исходных данных, чтобы каждый определившись с параметрами для своих задач уже сам посчитал и изготовил модуль. Надеюсь мне удалось показать это и в следующей статье я продемонстрирую совместную работу ККМ и зарядного устройства из части №5.

Ни для кого не секрет, что одним из главных блоков компьютера является блок питания . При покупке мы обращаем свое внимание на различные характеристики: на максимальную мощность блока, характеристики системы охлаждения и на уровань шума. Но не все задаются вопросом что такое PFC ?

Итак, давайте разберемся что дает PFC

Применительно к импульсным блокам питания (в системных блоках компьютеров в настоящее время используются БП только такого типа) этот термин означает наличие в блоке питания соответствующего набора схемотехнических элементов.

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 компьютерного блока питания. 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.
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.

Что такое Блок питания с активным PFC Power Factor Correction модулем?

PFC (Power Factor Correction)
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. Он встраивается между выпрямителем и конденсатором, ограничивает ток по амплитуде и растягивает во времени. PFC бывают пассивными и активными, что определяется демпфирующим элементом.
Точно не знаю но это по ходу дела встроенный фильтр помех в электросети. То есть такому компу не нужен сетевой фильтр.
PFC(Power Factor Correction) переводится как Коррекция фактора мощности, встречается также название компенсация реактивной мощности.
Обычный импульсный БП питается синусоидой (той самой, которя 220В) через выпрямитель (мост) с емкостной нагрузкой. Поэтому потребляемый ток далеко не синусоидален, он имеет вид коротких пиков, расположенных на вершинах синусоиды. Т. е. с точки зрения теории цепей, он является нелинейным элементом, и вызывает излучение в сеть сильных помех (гармоники 50Гц) . При большом количестве таких нагрузок также нарушается нормальная работа трансформаторной подстанции - увеличиваются потери, падает КПД. PFC - это дополнительный преобразователь, питающийся от выпрямителя без емкостной нагрузки (пульсирующее напряжение с частотой 100Гц) и выдающий постоянное напряжение, от которого уже питается основной преобразователь. Преимущество такой схемы - потребляемый ток близок к синусоиде, уменьшается уровень помех и трансформатор работает в нормальном режиме. Недостаток - сложность и цена. Обычно такие схемы встречаются в БП большой мощности, начиная от сотен ВТ, включая популярные сейчас преобразователи для асинхронных двигателей.
PFC(Power Factor Correction) переводится как Коррекция фактора мощности, встречается также название компенсация реактивной мощности. 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.
Активный PFC представляет собой еще один импульсный источник питания, причем повышающий напряжение.
активный PFC, в отличие от пассивного, 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 дешвыми ИБП (источник бесперебойного питания) , выдающими ступенчатый сигнал при работе от батарей может приводить к сбоям в работе компьютера, поэтому производители рекомендуют использовать в таких случаях ИБП класса Smart)
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. Ещ 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.

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:

фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
основной трансформатор;
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.

	Транзисторы	Диоды	Конденсаторы	Ножки первичной обмотки трансформатора
Single-Transistor Forward	1	1	1	4
	2	2	0	2
	2	0	2	2
	4	0	0	2
	2	0	0	3

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.

Single-Transistor Forward

⇡ 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.

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.