نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه (PSU)

[The Joker]

یکی از مهمترین و پراهمیت ترین قطعات در کامپیوتر منبع تغذیه است ، منبع تغذیه قلب کامپیوتر است ، زیرا تک تک قطعات دیگر اعم از کارت گرافیک و پردازنده و هارد و .... و .... از این قطعه تغذیه می کنند و کوچکترین اختلال در عملکرد منبع تغذیه منجر به سوختن و یا آسیب رسیدن به قطعات دیگر میشود .

Power Supply Unit یا به اختصار PSU ها از دو روش برای تبدیل جریان ورودی استفاده می کنند ، پاور های قدیمی با استفاده از روش خطی به تبدیل جریان ورودی به پاور می پرداختند ، این روش گرچه در زمان خود روشی موثر و کامل بود اما دارای دقت بسیار کمی در تبدیل جریان بود و هم اکنون به هیچ عنوان در پاور ها استفاده نمی شود .

در روش دوم جریان و ولتاژ ورودی به پاور در مسیر خود تحت تاثیر قطعات مختلفی قرار میگرد و فرآیند های مختلفی روی جریان ورودی انجام میگیرد که دارای دقت بسیار بالایی در تبدیل جریان ورودی به جریان خروجی است ، هم اکنون تمام پاور های موجود در بازار ها از این روش برای تبدیل جریان ورودی استفاده می کنند که به این نوع پاور ها (Switching Mode Power Suply(SMPS می گویند .

متاسفانه اکثر افراد از اهمیت این قطعه ی بسیار مهم در کامپیوتر ها آگاهی ندارند و اهمیتی به آن نمی دهند و هنگام خرید سیستم ، اولویت آخر را خرید منبع تغذیه قرار می دهند ، در صورتی که این قطعه باید در اولویت نخست برای خرید قرار بگیرد .

در این مقاله ابتدا به معرفی قطعات به کار رفته در یک منبع تغذیه و روش کار هر کدام پرداخته می شود و سپس نگاهی به استاندارد های ATX و EPS و 80 PLUS می اندازیم .

SPC و مراحل مختلف کار آن در یک PSU

تمامی پاور هایی که هم اکنون در بازار هستند از روش Switching Power Conversion و یا به اختصار SPC برای تبدیل جریان ورودی استفاده می کنند .

پایه و اساس کار این روش بسیار آسان است ، ابتدا جریان از یک منبع وارد پاور می شود ، سپس جریان ورودی توسط یک فرکانس قوی که بوسیله ی خازن ها و سلف ها تولید می شود به بسته های انرژی کوچکتری تکه تکه می شوند ، در آخر تمام بسته های انرژی به یکدیگر می پیوندند و بعد از یک انجام یک سری فرآیند های اصلاح سازی ، جریانی کاملآ صاف و روان از پاور خارج میشود .

وظیفه ی یک PSU تبدیل جریان و فرکانس و آمپر AC ورودی به جریان DC به عنوان ولتاژ خروجی است .
جریان AC بسته به کشور ها و منطقه های مختلف متفاوت است و مقدار آن از 100 ولت تا 240 ولت متغیر است ، اما جریان DC که قطعات کامپیوتر و به طور کلی قطعات الکترونیکی از آن استفاده می کنند همواره مقداری ثابت است و دیگر ربطی به کشور و یا منطقه ندارد .

قبلا به این نکته اشاره شد که جریان ورودی ، بعد وارد شدن به پاور توسط قطعاتی نظیر خارن ها و سلف ها به بسته های انرژی کوچکتری تکه تکه می شوند ، اما نکته ی جالبی که این وسط وجود دارد این است که هر چقدر جریان ورودی به پاور بیشتر باشد ، تبدیل آن به بسته های انرژی کوچکتر بیشتر می شود و بسته های انرژی بیشتری نسبت به جریان ورودی کمتر تولید می شوند ، همین امر باعث می شود که اندازه ی قطعات به کار رفته در پاور نظیر خارن ها و سلف ها که وظیفه ی ذخیره و انتقال این بسته های انرژی را بر عهده دارند نیز کاهش یابد و کوچکتر شوند .

از مهمترین و عمده ترین نکته ی برتری پاور های SMPS نسبت به پاور های خطی می توان به کاهش قابل توجه اندازه و وزن پاور نسبت به پاور های خطی و میزان بهره وری بالاتر که به راحتی به 90% هم میرسند اشاره کرد ، اما از طرفی دیگر از نقاط منفی پاور های SMPS می توان به پیچیدگی و هزینه ی بالای تولید آن اشاره کرد .

بازده خالص و خروجی پاور های SMPS تنها جریان DC نیست ، بلکه هنگام تبدیل جریان AC به DC امواج مغناطیسی و رادیوی (EMI/RFI) نیز تولید می شوند که ممکن است با امواج دیگر در محیط تداخل پیدا کنند ، این یکی از اصلی ترین نقاط ضعف این دسته از پاور ها است ، برای جلوگیری از تداخل و یا بوجود آمدن این امواج از یک فیلتر EMI و یک محافظ RFI در پاور ها استفاده می شود .
همچنین ممکن است به فیلتر EMI فیلتر گذرا ( Transient Filter ) نیز بگویند .

در نمودار زیر ، مسیری که طی آن جریان AC به چندین جریان DC تبدیل می شود و همچنین قطعاتی اصلی که در این روند دخالت دارند را مشاهده می کنید .

EMI/Transient Filter : جلوگیری از بوجود آمدن و یا تداخل امواج تولیدی EMI/RFI و محافظت از بسته های انرژی
Rectifier Bridge: یکسو سازی تبدیل جریان AC به جریان DC
APFC : کنترل جریان عرضه شده به PSU تا بدین ترتیب شکل امواج جریان متناسب با شکل امواج ولتاژ اصلی باشد
Main Switchers : تکه تکه و یا ریز ریز کردن سیگنال DC به بسته های انرژی بسیار کوچک ، با فرکانس بالا
Transformer : جداسازی ولتاژ اولیه از ولتاژ ثانویه و تبدیل ولتاژ های گام رو به پایین
Output Rectifier & Filters : تولید خروجی DC و فیلتر کردن آنها
Protection Circuits : خاموش کردن پاور در صورت بروز مشکل
PWM Controller : تنظیم چرخه ی سویچ های اصلی به منظور ثابت نگه داشتن ولتاژ خروجی در هنگام لود
Isolator : جلوگیری از برخورد و جداسازی ولتاژی که از خروجی DC به سمت کنترلر PWM در حال حرکت است

مرحله ی EMI/Transient Filtering

قبلآ گفته شد که پاور هنگام تبدیل جریان ، باعث تولید امواج مغناطیسی و رادیوئی نیز می شود ، این امواج در حقیقت توسط Switching Transistor ها ایجاد می شوند ، این امواج ممکن است که صدمات و اثراتی جدی به دیگر وسایل الکترونیکی موجود در محیط وارد کند ، از طرف دیگر ما باید منبع تغذیه را از نویز ها و Voltage Spike هایی که از منبع ورودی جریان AC ، به عنوان مثال پریز برق خارج می شوند نیز محافظت کنیم .

نویز خروجی از منبع به دو دسته کلی طبقه بندی می شود : Common Mode Noise یا به اختصار CMN و Diffrential Mode Noise یا به اختصار DMN .

1 . نویز CMN زمانی بوجود می آید که تداخل الکتریکی بین مرجع و زمین و یا تداخل الکتریکی بین سیم های مشترک صورت بگیرد ، این نویز دارای Spike هایی با فرکانس بسیار بالا می باشد و توسط سیم های مورد دار و لخت و یا وسایل الکترونیکی که امواج های DMI/RFI تولید می کنند نیز ایجاد می شود ، برای خنثی کردن این نویز از چوک هایی حلقه ایی یا چوک های سیم پیچی ، به همراه خارن های Y مانند استفاده می شود .

2 . نویز DMN بین دو خط که یک نقطه اندازه گیری مشترک دارند ایجاد می شود برای خنثی کردن این نویز ، از خارن های X مانند در سرتاسر مسیر خطوط استفاده می شود .

علاوه بر همه ی اینها ، دیود های موجود در قسمت پل نیز نویز تولید می کنند ، مخصوصآ زمانی که خاموش هستند ، به همین دلیل فیلتر EMI یا همان فیلتر گذرا همیشه قبل از Rectifier Bridge قرار می گیرد تا نویزی که توسط دیود های موجود در پل تولید می شوند را نیز خنثی کند .
قطعاتی که با کمک یکدیگر در مجموع فیلتر EMI را تشکیل می دهند عبارتند از دو عدد خارن Y مانند ، دو عدد خارن X مانند ، دو عدد سیم پیچ ، یک عدد (Metal Oxide Varistor(MOV و یک عدد فیوز
( به صورت بسیار خلاصه MOV یک عدد مقاومت وابسته به ولتاژ است که از PSU و سیستم در برابر Voltage Spike هایی که از منبع برق خارج می شوند محافظت می کند ) .

در پاورهای رده ی ارزان قیمت ، سازندگان برای کاهش هزینه ی نهایی محصول ، از قرار دادن بعضی از قطعات در داخل پاور خودداری می کنند ، معمولآ اولین قطعه ایی که از آن استفاده نمی شود و جا می ماند همین مقاوت MOV است .
اگر پاور دارای مقاومت MOV در فیلتر EMI خود نباشد ، Voltage Spike هایی که از منبع خارج می شوند می توانند بسیار بسیار خطرناک باشد ، نه تنها برای خود پاور ، بلکه برای کل سیستم ، در این حالت باید در مسیر منبع برق تا پاور از محافظ های UPS اکسترنال استفاده شود تا Voltage Spike ها قبل از این که به پاور برسند توسط محافظ خنثی شوند .

معمولآ در اکثر پاور ها ، بعد از فیلتر EMI ، یک عدد مقاومت گرمایی ( Thermistor ) قرار می گیرد تا از بقیه قطعات موجود در پاور در مقابل جریان های تهاجمی بزرگ محافظت شوند .

به صورت ساده Thermistor ، مقاومتی است که مقاومت خود را بر اساس دمای خود تنظیم می کند ، مقاومت یک Thermistor در حالتی که خنک است معمولآ 6 تا 10 اهم است ، هنگامی که پاور شروع به کار می کند Thermistor نیز گرم می شود و دمای آن بالا می رود و بر اساس آن مقاومتش به 0.5 تا 1 اهم می رسد .

بعد از آنکه جریان ورودی AC از فیلتر EMI عبور کرد ، توسط یک یا دو عدد از Bridge Rectifier ها یکسو می شود . بعد از یکسو شدن جریان توسط پل ها ، جریان AC به جریان DC تبدیل می شود و مقدار ولتاژ آن نسبت به جریان ورودی بیشتر می شود ، به عنوان مثال اگر جریان AC ورودی 230 ولت باشد ، بعد از تبدیل شدن به جریان DC مقدار آن توسط پل به 325 ولت افزایش می یابد .

سپس سیگنال یا همان جریان DC وارد مرحله ی APFC می شود .

(Active Power Factor Correction (APFC

قبل از آنکه به توضیح مرحله ی APFC بپردازیم ، لازم است اطلاعاتی راجع به مفهموم ضریب قدرت یا همان Power Factor بدست بیاوریم .
ضریب قدرت به معنای نسبت توان واقعی به توان ظاهری است (kW/kVA) و قدرت (Power) ، محصول نهایی ولتاژ ضرب در جریان است ( P = V x I ) .
به صورت کلی دو نوع بار وجود دارد ، بار مقاومتی ( Resistive ) که شامل فقط مقاومت ها می شود و بار واکنشی (Reactive) که شامل سلف ها ، خارن ها و یا هر دو می شود .

در سیستم هایی که بار آن ها تنها حالت خطی است ، منحنی های جریان و ولتاژ بر روی نمودار به صورت سینوسی می باشند .

اگر بار به صورت کاملآ مقاومتی باشد ، موج های ولتاژ و جریان دائمآ به صورت معکوس در یک زمان قطب های خود را تغییر می دهند ، این بدان معنی است که در هر لحظه محصول نهایی ولتاژ و جریان با یکدیگر مثبت است ، این باز بدان معنی است جهت جریان انرژی تغییر نمی کند ، بنابراین تنها انرژی واقعی به بار منتقل می شود .

در مواقعی که بار به صورت کاملآ واکنشی ( Reactive ) باشد ، یک حالت تغییر زمانی بین ولتاژ و جریان بوجود می آید ، که محصول این بار بر خلاف بار مقاومتی به این صورت است که نیمی از موج های جریان و ولتاژ در یک زمان مثبت و نیمه ی دیگر در همان زمان منفی است ، بنابراین به طور متوسط به همان اندازه که انرژی وارد بار می شود ، دقیقآ به همان اندازه هم به منبع بر می گردد .


اگر دوباره به این مرحله نگاه کنیم ، متوجه می شویم هیچ انرژی ایی به صورت خالص وجود ندارد زیرا انتقال انرژی به صورت خالص به سمت بار وجود ندارد ، و انرژی تنها به صورت واکنشی وجود دارد .

هر چند هر دو سناریو بالا فقط به صورت تئوری هستند ، به صورت واقعی همه ی خازن ها و سلف ها و مقاومت ها و مدارها و ... از خودشان مقاومت نشان می دهند و هر دو بار های مقاومتی و واکنشی از درون آنها عبور می کنند .


همانطور که قبلآ گفته شد ضریب قدرت ، نسبت بین توان واقعی و توان ظاهری است ، در حالت ایده آل باید ضریب قدرت نزدیک به 1 باشد . در این حالت مصرف کننده ایی که پاوری را می خرد فقط بابت قدرت واقعی ( وات ) هزینه پرداخت می کند نه برای قدرت ظاهری ، اما بعضی از کارخانه های سازنده ، هزینه ی قدرت ظاهری را هم از مصرف کننده دریافت می کنند که درست نیست و خلاف است .
هر چند در اکثر مواقع و کارخانه های بزرگ ، هزینه ی قدرت ظاهری پاور را از مصرف کننده دریافت نمی کنند ، به منظور به حداقل رساندن قدرت ظاهری در پاور از استاندارد EU در پاور ها استفاده می شود .
بر طبق این استاندارد تمامی پاور هایی SMPS ایی که خروجی آنها بیشتر از 75 وات است باید دارای قابلیت Passive PFC باشند ، علاوه بر این یک پاور برای دریافت گواهی نامه 80 PLUS باید ضریب قدرت در آن 0.9 و یا بیشتر باشد .

در سال های گذشته اکثر شرکت های ساخت پاور از قابلیت Passive PFC یا به اختصار PPFC در محصولات خود استفاده می کردند .
PPFC دارای فیلتری است که به جریان هایی که فقط دارای فرکانس 50 و یا 60 هرتز هستند اجازه ی عبور می دهد که بر این اساس جریان های Harmonic کاهش می یافتند و بار غیر خطی به بار خطی تبدیل می شد و سپس به کمک خازن ها و سلف ها مقدار ضریب قدرت به یک میزان واحد نزدیک می شد .

از نقاط ضعف PPFC می توان به میزان ضریب قدرت کمتر نسبت به پاور هایی با قابلیت Active PFC اشاره کرد ، همچنین برای اینکه پاور بتواند جریان های AC ورودی بین محدوده ی 115 تا 230 ولت را تبدیل کند ، باید از یک Voltage Doubler در پاور استفاده شود ، اما از طرف دیگر پاور های PPFC نسبت به پاور های APFC دارای میزان بهره وری بالاتری هستند .

Active PFC در واقع یک مبدل AC/DC است که بوسیله ی سیگنال PWM میزان جریانی که وارد PSU میشود را کنترل می کند .
در ابتدا ولتاژ AC توسط Bridge Rectifier یکسو می شود ، سپس ماسفت های APFC که معمولآ تعداد آنها دو عدد است توسط یک سیگنال PWM شروع به کار می کنند و ولتاژ متوسط DC را به توالی از پالس های ثابت جداسازی می کند .
سپس این پالس ها توسط خارن های روان کنند صاف و روان می شوند و برای تغذیه به سویچ اصلی فرستاده می شوند .


قبل از خارن های روان کنند ، در همه ی پاور ها یک سلف و یا سیم پیچ وجود دارد که دارای جزء واکنشی است و توانایی این را دارد که بدون اتلاف انرژی از افزایش هایی ناگهانی جریان جلوگیری کند
وجود این سیم پیچ ضروری است ، زیرا تمامی خازن هایی که به طور مستقیم متصل به سیگنال DC هستند دارای جریان های هجومی کنترل نشده هستند ، این سیم پیچ این جریان های که توسط خازن ها ایجاد می شوند و یا از درون خازن ها رد می شوند را کنترل می کند و آنها را خنثی می کند .

در بعضی از پاور ها یک عدد Thermistor که دارای قابلیت APFC است نیز وجود دارد که جریان هایی هجومی که سیم پیچ موفق به خنثی سازی آنها نشده است را نیز محدود کند .

Active PFC معمولآ اکثرآ به دو روش کنترل می شود ، روش اول که Discontinuous Conduction Mode یا به اختصار DMC نام دارد که ماسفت های PFC تنها زمانی روشن می شوند که خازن های جریان کاملآ خالی از انرژی شوند ، و روش دوم که Continuous Conduction Mode یا به اختصار CCM نام دارد که ماسفت ها حتی زمانی که خازن ها هنوز کاملآ خالی از انرژی نشده اند روشن می شوند و در نتیجه تمام انرژیِ بازیابی معکوس خازن ها توسط ماسفت ها از بین میرود .

در مرحله ی AFPC در پاور ها معمولآ از روش دوم ( CCM ) استفاده می شود به دلیل اینکه برای خروجی های بیشتر از 200 وات کاملآ مناسب و ایده آل است .
نقطه ضعف اصلی حالت CCM اتلاف انرژی و تولید امواج الکترو مغناطیسی ( EMI ) است .

Main Switches - Transformer

سویچ های اصلی تنها در دو حالت فعالیت می کنند ، روشن ( به صورت کاملآ رسانا ) و خاموش ( به صورت کاملآ نا رسانا ) و سیگنال DC که از خازن های روان کننده وارد میشوند را بوسیله ی یک فرکانس قوی تکه تکه می کنند ، همچنین فعالیت این سویچ های اصلی توسط رگلاتور های تغییر ولتاژ ( Switching Regulator ) کنترل می شوند .
سپس سیگنال DC دوباره به سیگنال AC تبدیل میشود که شکل موج آن مستطیلی شکل است و برای تغذیه به Transformer فرستاده میشود .

در گام دوم جریان ولتاژ کاهش می یابد و به دومین یکسو کننده فرستاده می شود که آن یکسو کننده تمام ولتاژ های DC خروجی ( +12V و 5V و 3.3V و 5VSB و -12) را تولید می کند .

زمانی که سویچ ها روشن هستند به صورت تئوری میزان ولتاژی که از درون آنها عبور می کند صفر است و زمانی که سویچ ها خاموش هستند ، میزان جریان عبوری از درون آنها صفر است ، پس بنابراین همیشه محصول ولتاژ و جریان ( V x I ) صفر است ، این بدان معنی است که هیچ اتلاف انرژی ایی در سویچ ها وجود ندارد ، به عبارتی دیگر هیچ انرژی ایی در سویچ ها تلف نمی شود و از بین نمی رود .

هر چند این مورد باز هم به صورت تئوری است و باعث بوجود آمدن یک حالت ایده آل می شود ، در صورتی که به صورت واقعی همیشه مقداری انرژِی هر چند خیلی کم هم تلف می شود ، زیرا هیچ ترانزیستور و ماسفتی نیست که بتواند فورآ عمل سویچ کردن را انجام دهد .

همیشه زمانی که یک ترانزیستور ( سویچ ) در حال روشن و خاموش شدن است ، یک بازه ی زمانی این وسط وجود دارد که میزان ولتاژ و جریان کاملآ صفر نیست و انرژی به هدر می رود . به همین علت تمام ماسفت های موجود در PSU توسط هیت سینک ها و فن خنک می شوند ، گرچه بعضی از پاور ها هستند که از کولر به صورت Passive استفاده می کنند .

Output Rectifiers And Filters

نقش یکسو کننده ها و فیلتر های خروجی ، همانطور که از نامشان پیداست ، یکسو سازی و فیلتر کردن موج هایی با فرکانس بالا است که توسط سویچ ها ( ماسفت ها ) تولید می شوند و برای تغذیه به دومین ترانسفورمر اصلی فرستاده می شود .

در این مرحله ما با دو نوع یکسوکننده و یا اصلاح کننده روبه رو می شویم : حالت غیر فعال ( Passive ) و حالت همگام ( Synchronous ) .

در حالت غیرفعال از Schottky Barrier Rectifier ها یا به اختصار SBR ها استفاده می شود و در حالت همگام ماسفت ها جای SBR ها را میگیرند .
در حالت اصلاح سازی و یا همسوسازی همگام ، میزان بهره وری افزایش می یابد زیرا از شر افت ولتاژ هایی که توسط SBR ها ایجاد می شوند خلاص می شویم ، یک مثال بزنیم تا این قضیه کاملآ روشن شود .

به عنوان مثال در یک SBR میزان 0.5 ولت از ولتاژ افت پیدا می کند ، اگر ما بخواهیم که میزان 40 آمپر تولید کنیم 40 x 0.5 = 20W ، این بدان معنی است که برای تولید 40 آمپر ما به جریانی معادل 20 وات نیاز داریم ، حالا اگر به جای SBR از یک ماسفت استفاده کنیم و فرض کنیم که میزان افت ولتاژ در ماسفت 3 هزارم باشد ، پس
40 x 40 x 0.003 = 4.8 وات ، که نتیجه ی آن این میشود که میزان 15.2 وات انرژی کمتر مصرف می شود و میزان بهره وری 24 در صد افزایش پیدا می کند .

علاوه بر دو یکسو سازی که در بالا به آنها اشاره شد ، گاهی اوقات از یک نوع یکسوساز نوع سوم استفاده می شود که Semi-synchronous نام دارد و در آن هم از ماسفت ها و هم از SBR ها استفاده می شود .

ولتاژ خروجی -12v توسط یک دیود ( Diode ) معمولی تولید می شود ، چون معمولآ ما توقع میزان زیادی قدرت از این ریل را نداریم ،( میزان آمپری که توسط این ریل تولید می شود ممکن است که در اکثر مواقع از 1 آمپر هم کمتر باشد) .

برای تولید ولتاژ خروجی 5VSB از یک مدار کاملا مستقل و Transformer جداگانه استفاده می شود زیرا اهمیت این ریل بسیار زیاد است و پیوسته در حال فعالیت است ، حتی زمانی که PSU خاموش است ( سیستم در حالت استند بای ).

برای تولید و فیلتر کردن ولتاژ های خروجی اصلی ( +12V و +5 و +3.3 ) از سه عدد رگلاتور جداگانه استفاده می شود ، رگلاتور گروهی ، رگلاتور مستقل و تبدیلات DC-DC ، ما هرکدام از این رگلاتور ها را در پاراگراف های بعدی مورد بررسی قرار می دهیم .

رگلاتور های گروهی معمولآ در پاور های با میزان خروجی پایین و ارزان قیمت مورد استفاده قرار می گیرند .
یکی از راه های سریعی که به کمک آن می توان فهمید که در پاور از رگلاتور گروهی استفاده شده است یا خیر ، شمردن تعداد سیم پیچ هایی است که در بخش ثانویه PSU قرار دارند . اگر فقط دو عدد سیم پیچ وجود داشت ، پس پاور دارای رگلاتور گروهی است .

سیم پیچ بزرگتر برای تولید ولتاژ 12/5V استفاده می شود و سیم پیچ کوچکتر برای تولید 3.3V .

در این نوع رگلاتور ، هر دو ولتاژ های +12v و +5v در یک زمان تولید می شوند و مشکلات در تولید این دو ولتاژ توسط کنترلر رگلاتور بر طرف می شوند ، این بدان معنی است که اگر به هر دلیلی میزان بار بین دو ریل نامتعادل شود ، کنترل و بر طرف کردن این مشکل توسط کنترلر بسیار سخت می شود ، به عنوان مثال اگر میزان بار در ریل +5v در حالت عادی کمتر شود ، ولتاژ کنترلر برای جبران این میزان بار کمتر اقدام به افزایش ولتاژ می کند ، اما از آنجایی که این دو ریل به یکدیگر متصل هستند ، پس میزان ولتاژ در ریل +12v هم افزایش پیدا می کند و عکس این قضیه هم اتفاق می افتد ، یعنی اگر میزان بار از حد عادی در هر یک از ریل ها بیشتر شود ، کنترلر اقدام به کاهش میزان ولتاژ می کند و در نتیجه میزان ولتاژ در آن ریلی که عادی است نیز کمتر می شود .

به همین دلیل است که اکثر PSU ها با رگلاتور های گروهی نمی توانند میزان بار ریل های خود را در آزمون های Crossload در محدوده ی +/-5% نگه دارند .
همچنین ولتاژ خروجی ریل +3.3v بوسیله ی یک عدد Mag-amp post-regulator توسط ولتاژ های +5 و یا +12 تولید می شود .

رگلاتور های مستقل در پاور های ولتاژ بالا و رده ی گران قیمت مورد استفاده قرار می گیرند .
در این نوع رگلاتور ، تمامی ولتاژ های خروجی اصلی مدار مربوط به خود را دارند و میزان بار های نامتعادل مشکلی در میزان ولتاژ ریل ها ایجاد نمی کند ، ولتاژ ریل +12 توسط کنتلر رگلاتور اصلی و ولتاژ های +5/3.3 توسط mag-amp post-regulator ها تولید می شوند .

PSU هایی که در آنها از رگلاتور های مستقل استفاده شده است از تعداد سیم پیچ هایی حلقوی موجود در PSU قابل شناسایی است ، اگر سه عدد از این سیم پیچ ها ( یک عدد برای هر کدام از ریل ها ) وجود داشت ، پس PSU از رگلاتور مستقل استفاده می کند .

اکثر PSU های موجود در بازار از روش تبدیلات DC-DC برای تولید ولتاژ های ریل های اصلی خود استفاده می کنند ، این ولتاژ ها توسط مبدل های BUCK گام رو به پایین ( مبدل BUCK مبدلی است که تبدیلات DC به DC را انجام می دهد ) و یا VRM ها تولید می شوند .
در این نوع PSU ها ، ولتاژ های ریل های +5v/+3.3v به صورت مستقیم توسط ریل +12v تولید می شوند که میزان بهره وری و کارایی PSU هم در حالت عادی و در حالت Cross-Load افزایش پیدا می کند .
همچنین ذکر این نکته ضروری است که PSU هایی که از روش تبدیلات DC-DC استفاده می کنند در حقیقت به نوعی مانند PSU های دارای رگلاتور های مستقل هستند .

قبل از اینکه به مبحث بعدی بپردازیم ، ذکر این نکته ضروری است که چوک های حلقوی که بعد یکسو کننده ها وجود دارند ، علاوه بر یکسو سازی ، در فرآیند های ######## هم شرکت می کنند .

PWM Controller - Isolator

هدف اصلی کنترلر PWM حفظ ولتاژ خروجی و کنترل مقدار انرژی و ولتاژی است که زمانی که سیستم در حالت لود است به سیستم منتقل می شود .
کنترلر PWM این عمل را با تنظیم چرخه ی فعالیت سویچ های اصلی انجام می دهد . کنترلر معمولآ چرخه ی سویچ ها را بین محدوده ی 0 تا 100 درصد انجام می دهد ، اما معمولآ محدوده ی آن کوچکتر است . به صورت کلی می توان گفت ولتاژ خروجی محصول ولتاژ ورودی و تنظیم محدوده ی چرخه توسط کنترلر PWM است .
( V-output = V-input x Duty cycle ) .

کنترلر PWM با استفاده از یک ولتاژ مرجع که دقیقآ اندازه ی ولتاژی است که PSU در حالت بیکار دارد برای مقایسه ولتاژ خروجی استفاده می کند . همچنین درون PWM IC یک تقویت کننده خطا ( Error amplifier ) وجود دارد که با استفاده از یک ولتاژ بالا ، بین ولتاژ های خروجی و ولتاژ مرجع که در بالا به آن اشاره شد مقایسه ایی برقرار می کند .


بر همین اساس یک مبدل Error Voltage-To-Pulse Width میزان فعالیت چرخه ی سویچ ها را بر طبق میزان در صد خطایی که از تقویت کننده ی خطا ارسال می شود ، تنظیم می کند .

بازخورد ( Feedback ) ولتاژی که از خروجی های DC خارج می شود ، برای اینکه بتواند به تقویت کننده ی ولتاژ در آی سی PWM برسد ، باید این ولتاژ ایزوله شده باشد .

در مبحث الکترونیک ، دو نوع ولتاژ ایزوله شده وجود دارد :

1 . بصری ( Optical ) که IC که این ولتاژ را ایزوله می کند Optoisolator و یا Optocoupler نام دارد .
2 . مغناطیسی ( Magnetic ) که این ولتاژ توسط ترانسفورماتورها ایزوله می شود .

در اکثر PSU های امروزی معمولآ از آی سی های Optoisolator استفاده شده است ، تقویت کننده ی خطای ولتاژ در قسمت ثانویه Optoisolator قرار دارد .

بررسی محافظ های مختلف به کار رفته در یک PSU

در این قسمت به بررسی بعضی از محافظ هایی که در PSU ها برای جلوگیری از بروز مشکلات به کار رفته اند می پردازیم .
در بسیاری از پاور های رده ی ارزان قیمت ، تنها محافظ های اصلی استاندارد ATX نظیر OCP و SCP و OVP به کار رفته اند ، اما در پاور های رده ی گران قیمت ، محافظ های زیاد دیگری غیر از این محافظ ها به کار رفته است .

(Power Good (PWR_OK

بر اساس استاندارد ATX ، سیگنال Power Good و یا PWR_OK برای اینکه مشخص شود که ولتاژ های خروجی ریل های اصلی ( +5v و +3.3v و +12v ) در آستانه ی تنظیمات منبع تغذیه قرار دارند بوسیله ی PSU استفاده می شود و همچنین انرژی برق به اندازه ی کافی در مبدل ها ذخیره شده است تا زمانی که سیستم در زیر لود کامل قرار گرفت ، مشکلی از بابت برق رسانی PSU به سیستم ایجاد نشود و همچنین اگر ناگهان جریان برق قطع شد ، مقداری انرژی در مبدل ها برای تغذیه سیستم وجود داشته باشد ، بر اساس استاندارد ATX مقدار PWR_OK باید زیر 500 میلی ثانیه باشد .

(Over Current Protection (OCP

نوعی محافظ که بدون استثنا در تمام PSU ها وجود دارد ، این محافظ زمانی روشن می شود که مقدار جریان ، از محدوده ایی که برای آن در نظر گرفته شده است بیشتر شود .
بر اساس استاندارد ATX 2.2 ، اگر مقدار بار خروجی هر یک از ریل ها به مقدار 240va برسد و یا از این مقدار فراتر رود ، محافظ OCP باید جلوی آن را بگیرد . هر چند که این محدودیت 240va در استاندارد ATX 2.31 حذف شد .

بسیاری از شرکت ها برای دور زدن محدودیت 240va که در استاندارد ATX 2.2 قرار داشت ، اقدام به تعبیه کردن تعدادی ریل مجازی +12V در PSU های خود می کردند که مقدار خروجی برای هر کدام از ریل های 240VA در نظر گرفته شده بود .
البته ذکر این نکته ضروری است که در همان استاندارد ATX 2.2 هم این مقدار دقیقآ محدود به 240va نبود و همیشه از این مقدار بیشتر در نظر گرفته میشد .

برای پیاده سازی محافظ OCP در یک PSU ، دو قطعه ی اساسی باید در PSU قرار گیرد ، یک IC محافظ که OCP را ساپورت کند ، و مقاومت های شانت ( Shunt Resistors ) .

با شمردن تعداد مقاومت های شانتی که در محدوده ایی که سیم های ریل +12v قرار گرفته است ، می توان تعداد ریل های مجازی +12v را شناسایی کرد .

در PSU هایی که از ریل های مجازی در آنها استفاده شده است ، مقدار بار گذرنده از مجموع این مقاومت ها ، بعدآ با همدیگر ترکیب می شوند و یک بار خروجی که مقدار آن از 240va بیشتر است بدست می آید .

(Over Voltage / Under Voltage Protection (OVP/UVP

بر اساس استاندارد ATX 2.31 ، تمامی PSU هایی که از این استاندارد بهره مند هستند ، باید دارای یک مدار محافظ Over Voltage به صورت جداگانه درون بسته بندی خود باشند تا هیچ مشکلی از بابت ولتاژ های اظافه و ... وجود نداشته باشد ، به عبارت دیگر تمامی PSU ها غیر کنتلر PWM که درون خود پاور وجود دارد ، باید دارای یک مدار محافظ مستقل باشند .

همانطور که پاراگراف بالا مشخص است ، وظیفه ی محافظ های OVP و UVP چک کردن ولتاژ ریل های خروجی در هر لحظه است تا اگر این ولتاژ ها از حد معمولی که برای آنها در نظر گرفته شده است بیشتر و یا کمتر باشد محافظ وارد عمل شود و جلوی آن را بگیرد .

بر اساس استاندارد ATX 2.31 برای ولتاژ های خروجی ریل های اصلی سه حالت Minimum و Nominal و Maximum در نظر گرفته می شود .

(Maximum (V	(Nominal (V	(Minimum (V	Output
15.6V	15.0V	13.40V	+12 VDC (or 12V1DC & 12V2DC)
7.0V	6.3V	5.74V	5VDC+
4.3V	4.2V	3.76V	3.3VDC+
7.0V	6.3V	5.74V	5VSB (optional)

همانطور که در بالا مشاهده می کنید مقدار این ولتاژ ها خیلی زیاد است ، یک شرکت سازنده ی PSU می تواند مقدار ولتاژ خروجی ریل +12v را تا میزان 15.6v تنظیم کند که این مقدار بسیار زیاد است .

(Over Power Protection (OPP

این محافظ همانطور که از نامش پیداست زمانی وارد عمل می شود که مقدار خروجی PSU از مقدار حجم خروجی اش بیشتر شود ، به عنوان مثال از یک منبع تغذیه که حجم آن 500 وات است در یک سیستمی که به یک منبع تغذیه 700 واتی نیاز دارد استفاده کنیم .

شرکت های سازنده ، معمولا همیشه میزان خروجی یک PSU را از آن میزانی که روی آن نوشته اند بیشتر در نظر می گیرند ، بنابراین محافظ OPP معمولآ در بین بازه ی 50 تا 100 وات وارد عمل می شود یعنی اگر یک منبع تغذیه 500 واتی ، 600 وات به عنوان خروجی تحویل دهد ، محافظ OPP جلوی آن را می گیرد .
در PSU های که دارای یک ریل +12v هستند ، محافظ OCP عملآ بی معنی می شود ، در این گونه PSU ها ، این محافظ OPP است که جلوی مشکلات را میگیرد .

(Over Temprature Protection (OTP

در PSU هایی که این محافظ در آنها تعبیه شده است ، معمولآ یک مقاومت گرمایی ( Thermistor ) در قسمت ثانویه هیت سینک ها به چشم می خورد .
این مقاومت ، مدار های محافظتی را از میزان گرمای هیت سینک ها آگاه می کند ، اگر میزان دما ، از محدوده حداکثری که برای آن در نظر گرفته اند بیشتر شود ، محافظ OTP وارد عمل می شود و PSU را خاموش می کند .
گرمای بیش از حد یک منبع تغذیه ممکن است به علت خروجی بیش از حد PSU و یا مشکل در فن خنک کننده باشد .

(Short Circuit Protection (SCP

این محافظ به طور مداوم ، ولتاژ های خروجی ریل های اصلی را تحت نظارت می گیرد و اگر ولتاژ های ریل های خروجی در حال تداخل با یکدیگر و یا اتصال کوتاه بودند ، محافظ بلافاصله PSU را خاموش می کند تا از بروز مشکلاتی نظیر آسیب رسیدن به سیستم و یا آتش گرفتن و ... جلوگیری شود .



اکنون با منبع تغذیه و قطعات آن آشنا شدیم و همچنین از محافظ های مختلفی که در یک منبع تغذیه به کار رفته اند آگاهی پیدا کردیم ، در قسمت پایانی نیم نگاهی هم به استاندارد های ATX و EPS و 80 PLUS می اندازیم .



استاندارد ATX

استاندارد Advanced Technology Extended یا به اختصار استانداردی است که برای اولین بار توسط شرکت اینتل در سال 1995 معرفی شد ، این استاندارد مادربرد ها ، کیس های کامپیوتر و منبع های تغذیه را شامل می شود .
اولین استاندارد ATX در اواخر سال 1995 بوجود آمد و 3 مورد کانکتور جدید در منبع های تغذیه را معرفی کرد :

1 . کانکتور Molex 4 PIN
2 . کانکتور FDD 4 PIN
3 . کانکتور Molex Motherboard 20 PIN

بر اساس این استاندارد ، ولتاژ های قطعات کامپیوتر باید توسط ریل های خروجی +5v و +3.3v تامین شوند ، چون در آن زمان از ریل +12v فقط برای تامین برق فن ها و ... در سیستم استفاده می شد . این استاندارد تا سال 2000 به قوت خود باقی بود .

در سال 2007 استاندارد ATX 2.31 معرفی شد و باعث ایجاد تغیراتی در منبع های تغذیه شد که از تغییرات صورت گرفته در این استاندارد می توان به حذف محدودیت جریان 240VA در ریل های +12v و ... اشاره کرد .

استاندارد EPS

استاندارد Entry-Level Power Supply Specification یا به اختصار EPS که یکی از مشتقات استاندارد ATX است برای اولین بار توسط Server System Infrastructure برای سیستم های دسکتاپ رده ی High-End و سیستم های سرور رده ی متوسط معرفی شد .
بر اساس این استاندارد ، منبع تغذیه ایی که از این استاندارد بهره مند است باید دارای مشخصات زیر باشد :

1 . یک عدد کانکتور 24 پین برای تامین برق مادربرد
2 . یک عدد کانکتور 8PIN EPS
3 . اگر میزان حجم خروجی منبع تغذیه در محدوده ی 700 تا 800 وات است ، یک عدد کانکتور 4 پین 12v و اگر حجم آن بیشتر از 850 وات باشد باید دارای دو عدد کانکتور 4 پین 12v باشد .

استاندارد EPS که در حال حاظر در منبع های تغذیه استفاده می شود 2.92 است .

استاندارد 80 PLUS

بر اساس این استاندارد ، میزان بازدهی یک منبع تغذیه در زمان هایی که به اندازه ی 20 درصد و یا 50 درصد و یا 100 درصد در زیر لود قرار گرفته است ، باید بیشتر از 80 درصد باشد و همچنین میزان ضریب قدرت منبع تغذیه نیز 0.9 و یا بیشتر از این مقدار باشد .
اولین منبع تغذیه ایی که در آن استاندارد 80 PLUS رعایت شد ، در فبریه سال 2005 توسط شرکت Seasonic تولید و روانه بازار شد .

در ابتدا فقط استاندارد 80 PLUS وجود داشت ، اما در سال های بعد، نسخه های متعددی از این استاندارد از جمله برونزی ، نقره ایی و طلایی نیز معرفی شدند .
در حال حاظر جدید ترین نسخه ی این استاندارد پلاتینیوم است که برای اولین بار در سال 2009 معرفی شد .



برگرفته شده از سایت : Techpowerup.com

کپی برداری از مطلب تنها با ذکر منبع بلامانع است
منبع : Overclockingheroes.com
نویسنده : The Joker


با تشکر

[iSteve]

بسیار بسیار عالی ست محمدجواد عزیز
واقعا از مطلب بسیار مفید و کاربردی تون سپاسگذارم.
البته فردا ظهر یه بار دیگه از روی فرصت میخونمش چون اطلاعاتم در مورد پاور خیلی کمه

[Don_Corleone]

خیلی خیلی کامل بود محمد جواد جان

یک سوال:
با ین حساب تو استاندارد ATX 2.31 شاخه 12 ولت در عمل به 15 ولت تبدیل شده؟ پاور من 2.3 هست و کماکان همون 12 ولت هست
حالا آیا این تغییر ولتاژ واقعا اعمال شده؟ و اگه اعمال شده نمیتونه برا قطعاتی که با 12 ولت سازگار هستن مشکل ساز بشه؟

[Pinar]

سلام
بسیار مفید بود محمد جان

[The Joker]

خیلی خیلی کامل بود محمد جواد جان

یک سوال:
با ین حساب تو استاندارد ATX 2.31 شاخه 12 ولت در عمل به 15 ولت تبدیل شده؟ پاور من 2.3 هست و کماکان همون 12 ولت هست
حالا آیا این تغییر ولتاژ واقعا اعمال شده؟ و اگه اعمال شده نمیتونه برا قطعاتی که با 12 ولت سازگار هستن مشکل ساز بشه؟

خواهش می کنم آقا پژمان عزیز ، خیلی لطف دارید

شاخه ی 12 ولت ولتاژش تغییری نکرده و هنوز هم همون 12 ولت به صورت معمولی خروجی میده ، 15 ولت بیشترین ولتاز خروجی هستش که برای این شاخه در نظر گرفته اند که اگر ولتاژ این شاخه تا 15 ولت زیاد شد ، محافظ OVP جلوی اون رو نگیره .

والا این مقدار 15 ولت خیلی خیلی زیاده برای مثلآ GPU ، نمیدونم این بیشترین مقدار ولتاژ برای این شاخه در این استاندارد چرا این مقدار در نظر گرفته شده .