Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Dc

Системы изоляции воздушных коридоров ЦОД основные правила установки и эксплуатации. Часть 1. Контейнеризация

17.06.2020 10:12:43 | Автор: admin
Одним из наиболее действенных методов повышения энергоэффективности современного ЦОДа и снижения затраты на его эксплуатацию являются системы изоляции. По-другому их называют системами контейнеризации горячих и холодных коридоров. Дело в том, что основным потребителем избыточной мощности ЦОД является система холодоснабжения. Соответственно, чем меньше нагрузка на нее (уменьшение счетов за электричество, равномерное распределение нагрузки, снижение износа инженерных систем), тем выше энергоэффективность (соотношение общей потраченной мощности к полезной (израсходованной на ИТ-нагрузку) мощности).
Данный подход получил широкое распространение. Это общепринятый стандарт эксплуатации как мировых, так и в российских дата-центров. Что нужно знать о системах изоляции для того, чтобы использовать их максимально эффективно?
Для начала как в целом устроена и как работает система охлаждения. В дата-центре расположены монтажные шкафы (стойки), в которых установлено ИТ-оборудование. Это оборудование нуждается в постоянном охлаждении. Чтобы избежать перегрева, необходимо подавать холодный поток воздуха к передней двери шкафа и забирать горячий, выходящий из задней части. Но, если между двумя зонами холодной и горячей нет барьера, оба потока могут смешиваться и тем самым снижать охлаждение и увеличивать нагрузку на кондиционеры.
Для того, чтобы предотвратить смешивание горячего и холодного воздуха, нужно построить систему контейнеризации воздуха.
<img src="" alt=image/>

Принцип действия: закрытый объем (контейнер) аккумулирует охлажденный воздух, не давая ему смешиваться с горячим и позволяя высоконагруженным шкафам получать достаточное количество холода.

Расположение: воздушный контейнер должен находиться между двумя рядами монтажных шкафов или между рядом шкафов и стеной помещения.

Конструкция: все стороны контейнера, которые разделяют горячую и холодную зоны, должны быть отделены перегородками так, чтобы холодный воздух проходил только через ИТ оборудование.

Дополнительные требования: контейнер не должен препятствовать установке и работе ИТ-оборудования, прокладке коммуникаций, работе систем мониторинга, освещения, пожаротушения, а также уметь интегрироваться в систему контроля доступа машзала.
Стоимость: это достаточно позитивный момент. Во-первых, система контейнеризации далеко не самая затратная часть все системы кондиционирования. Во-вторых, она не требует в дальнейшем расходов на обслуживание. В-третьих, она положительно влияет на экономию, так как разделение потоков воздуха и устранение точек локального перегрева снижает и равномерно распределяет нагрузку между кондиционерами. В целом экономический эффект зависит от масштаба машинного зала и архитектуры охлаждения.

Рекомендация: в случае замены ИТ-оборудования на более производительное не всегда обязательно обновлять кондиционеры на более мощные модели. Иногда бывает достаточно сделать монтаж системы изоляции, что позволит получить 510% резерва холодопроизводительности.
Подробнее..

Системы изоляции воздушных коридоров ЦОД. Часть 2. Холодные и горячие коридоры. Какой изолируем?

03.07.2020 18:07:41 | Автор: admin

Существует два варианта установки системы контейнеризации в уже работающем машзале (про установку систем изолирования в строящихся машзалах расскажу в следующей части). В первом случае изолируем холодный, а во втором горячий коридор. Каждый из вариантов имеет свои особенности, плюсы и минусы.


Изоляция холодного коридора


Принцип действия: для подачи холодного потока воздуха в коридор используются перфорированные плиты, установленные перед передней дверью шкафа. Горячий воздух выплескивается в общий объем помещения.



Установка стоек: для изоляции холодного коридора шкафные кондиционеры располагаются по периметру помещения и выдувают холодный поток воздуха под фальшпол. При этом монтажные шкафы стоят в ряд лицом друг к другу.
Плюсы:


  • относительно невысокая стоимость,
  • простота масштабирования: шкафной кондиционер можно установить в любое свободное место по периметру машзала.

Минусы:


  • сложность масштабирования: в рамках нескольких коридоров могут возникнуть проблемы с равномерностью подачи воздуха в разные ряды,
  • в случае с высоконагруженным оборудованием сложно увеличить локальную подачу холодного потока, поскольку для этого нужно устанавливать дополнительные перфорированные плиты фальшпола,
  • не самые комфортные условия работы персонала в силу того, что все помещение находится в горячей зоне.

Конструктивные особенности:


  • нужен дополнительный запас по высоте для установки фальшпола и дополнительная площадь для установки пандуса на входе,
  • так как контейнер изолируется по внутреннему периметру коридора, в стойках необходима изоляция переднего фронта и заглушка-цоколь под стойку спереди.

Кому подходит: небольшим серверным помещениям, либо машзалам с невысокой нагрузкой (до 5 кВт на стойку).


Горячий коридор


Принцип действия: в случае изоляции горячего коридора используются межрядные кондиционеры, выдувающие холодный поток в общий объем помещения.



Установка стоек: шкафы устанавливаются рядами, тыльной стороной друг к другу. При этом кондиционеры устанавливаются в один ряд со шкафами для того, чтобы минимизировать длину воздушного потока и тем самым повысить производительность системы холодоснабжения. Горячий воздух выбрасывается в закрытый контейнер и потом поступает обратно в кондиционер.
Плюсы:


  • надежное, производительное решение, которое может использоваться с высоконагруженными стойками, а также в помещениях с низким потолком, поскольку для его установки не нужен ни фальшпол, ни верхний пленум,
  • легкая масштабируемость в силу того, что каждый коридор является независимым,
  • комфортное нахождение персонала в помещении.

Минусы:


  • цена: в данном варианте нужно больше кондиционеров, при этом для каждого контейнера необходим свой резервный кондиционер,
  • межрядные кондиционеры занимают место, которое можно было бы использоваться под серверные шкафы,
  • сложности масштабирования: добавление кондиционеров возможно, только если заранее предусмотрены дополнительные точки подключения
.
Конструктивные особенности:
  • помещение не требует дополнительного запаса по высоте,
  • сам контейнер изолируется по внешнему периметру коридора,
  • в шкафах необходимы изоляция переднего фронта и заглушка-цоколь, а также изоляция всех крыш шкафов,
  • для торцевых шкафов коридора нужна изоляция боковых сторон шкафа и цоколя по внешнему периметру.


Кому подходит: небольшим и средним серверных помещений с высокой нагрузкой (до 10 кВт на стойку).

Частный случай: системы контейнеризации шкафов с закрытым контуром охлаждения.


Принцип действия: кондиционеры устанавливаются рядом со шкафами или внутри них, образуя единые закрытые горячие и холодные зоны. Воздухообмен при этом происходит внутри шкафа (или небольшой группы шкафов).
Плюсы:
  • высокопроизводительное решение, которое применяется с нагруженными стойками или в помещении, не предназначенном для размещения ИТ-оборудования (контейнер выполняет также функцию защитной оболочки для ИТ оборудования),
  • может использоваться в помещениях с низким потолком.

Минусы:
  • высокая стоимость решения исключает возможность массового размещения шкафов,
  • ограниченная возможность масштабирования: для обеспечения резервирования для каждого комплекта требуется отдельный кондиционер,
  • усложнение системы пожаротушения: каждый закрытый шкаф превращается в отдельный отсек, нуждающийся в своем наборе датчиков мониторинга и в локальной системе для пожаротушения.

Конструктивные особенности:
помещение не требует дополнительного запаса по высоте,
конструктив шкафа предусматривает полностью закрытый контур, в том числе, с возможностью защиты по IP.

Кому подходит: тем, кому необходимо размещение высоконагруженных вычислительных комплексов (до 20 кВт на стойку).

Подробнее..

Монтажный шкаф для ЦОД. Критерии выбора. Часть 2 оптимальная комплектация и возможности кастомизации

11.05.2021 12:14:21 | Автор: admin

В предыдущей статье мы разбирались с оптимальными размерами монтажного шкафа и их зависимостью от условий эксплуатации. Но помимо высоты, ширины и глубины необходимо ориентироваться и в других параметрах, в том числе, аксессуарах и итоговой комплектации, а также особенностях поставки и сервисного обслуживания. Пустой шкаф не приносит какой-либо пользы, его задача быть удобным для устанавливаемого оборудования. Продуманность конструкции позволяет получить хорошие эксплуатационные параметры, не увеличивая габариты шкафа.

Нужна ли шкафу дверь?

Без сомнений, нужна. Иногда, пытаясь сэкономить площадь машинного зала, коммерческие дата-центра используют открытые стойки без двери. Безусловно, это позволяет выиграть часть полезного пространства, но одновременно создает и дополнительные риски, в частности, повредить кабельные соединения. Клиент на колокейшн такую конструкцию точно не оценит, поэтому открытые шкафы желательно использовать только для внутренних целей на свой страх и риск.

Перфорировать или нет?

Это важный параметр, поскольку влияет на охлаждение серверного оборудования. Чтобы не мучать вас разнообразными методиками подсчетов, сразу скажу, что для нормального охлаждения степень перфорации должна быть в районе 70%. Если считаете, что этого мало, закройте все щели в шкафу. Это куда важнее для качественного охлаждения.

Какая несущая способность шкафа вам нужна?

Несущая способность бывает статической и динамической. Статическая определяет нагрузку на неподвижный шкаф. Не поддавайтесь на уговоры приобрести модель, выдерживающую до 1500 и даже 2000 кг просто потому, что такой нагрузки не бывает, а если не бывает то зачем платить лишние деньги? 1000 кг более чем достаточно для стандартной эксплуатации в ЦОД. Динамическая нагрузка важна для только тех, кто перемещает загруженные оборудованием стойки внутри машзала. Если вы так не делаете, то нет не обращайте особо внимание на этот показатель.

Что такое оптимальная комплектация?

Здесь все просто: не надо ничего лишнего, но все важное должно быть в наличии. Все как при покупке автомобиля: без колес не поедет, а вот нужен ли вам защитный картер для двигателя решать вам, в необходимую комплектацию он не входит. Шкаф должен быть готовым к установке без дополнительных затрат на сборку и установку аксессуаров, которые должны присутствовать в нем по умолчанию. В оптимальный набор я бы включил:

  • Одностворчатую переднюю дверь и двухстворчатую заднюю (чтобы уменьшить зону обслуживания сзади);

  • Регулируемые ножки (установить шкаф на нужную высоту) и ролики в комплекте (чтобы отвезти до места установки);

  • Изоляцию переднего фронта шкафа по периметру (чтоб избежать утечек воздуха);

  • Кабельные вводы в крыше со щеточным краем или другой защитой от утечки воздуха (в задней части для установки БРП, в передней или средней для слаботочной коммутации);

  • Вертикальные монтажные панели (для установки БРП и аксессуаров);

  • Комплект объединения в ряд;

  • Поставку в сборе на паллете (чтобы не отнимать у заказчика время на сборку!).

Кастомизация и аксессуары

С оптимальной базовой комплектацией мы разобрались. При необходимости любую модель можно подогнать под требования заказчика, заменив стандартные позиции на кастомизированные. Но такую возможность могут обеспечить только российские производители. Так, например, в серверных шкафах для дата-центров в отличие от телекоммуникационных стоек можно (и даже нужно!) не устанавливать дно, поскольку наличие дна может создать дополнительные проблемы: при подключении снизу кабельные вводы должны совпадать с отверстиями в фальшполе. Еще одна удобная опция замена стандартных боковых стенок на версии со щеточным вводом, что позволяет оптимизировать длину патч-кордов для кроссовых шкафов. Если есть ограничения на площадь, можно заказать у поставщика дополнительный комплект задних дверей и тем самым уменьшить ширину коридора, убедившись, что передние и задние двери взаимозаменяемы.

При эксплуатации вам также могут понадобиться такие дополнительные аксессуары, как пальцевые органайзеры для кроссовых шкафов, кабельные органайзеры для силовых шнуров, дополнительные монтажные панели под БРП, комплекты механических и электронных замков и т. д. Обсудите с производителем возможность установки датчиков открывания двери.

Хорошим тоном со стороны поставщика считается добавление к поставке крепежа и инструментов для установки оборудования.

Сервис

Сервисные услуги в сегменте монтажных шкафов ориентированы на облегчение и ускорение развертывания шкафов в больших дата-центрах. Помимо стандартной доставки в комплекс услуг могут включаться:

  • разгрузка;

  • распаковка;

  • транспортировка до машзала;

  • расстановка и сборка в ряды;

  • утилизация упаковки;

  • установка 19профилей на нужной глубине;

  • монтаж аксессуаров на определённый юнит;

  • закрепление блоков распределения питания и т. д.

Чем меньше заказчику понадобится времени для установки шкафа и его ввода в эксплуатацию, тем больше шансов, что он вернется к вам снова.

Подробнее..

Системы изоляции воздушных коридоров ЦОД. Часть 3. Системы холодоснабжения для высоконагруженных дата-центров

20.07.2020 10:13:25 | Автор: admin
Варианты систем изолирования, рассмотренные в первых двух частях, больше подходят для использования в зданиях, которые изначально не были предназначены для функционирования в качестве ЦОД. Каждый из них имеет определенные ограничения на масштабирование: это либо цена, либо производительность на стойку. Новые высокопроизводительные дата-центры требуют других модернизированных решений что, в свою очередь обуславливает особенности подходов к строительству помещений под ЦОД.



Горячий коридор



Принцип действия:

холодный поток подается в общий объем машзала, горячий поток удаляется с помощью вытяжного короба.

Установка стоек:

шкафы установлены рядами тыльной частью друг к другу. Холодный поток может поступать через фальшпол, либо выдуваться кондиционерами прямо в общий объем зала. Горячий воздух выбрасывается через вытяжной короб в пленум (пространство за фальшпотолком) и поступает обратно в кондиционеры.

Плюсы:


  • обеспечивается плотное расположение шкафов в помещении,
  • возможно построение системы холодоснабжения как на базе обычных шкафных кондиционеров, так и с использованием систем типа Kyoto Cooling для достижения требуемой энергоэффективности,
  • легко масштабируется в рамках не только одного, но и нескольких коридоров,
  • комфортное нахождение персонала в помещении.

Минусы:

к помещению выдвигаются специальные требования, реализация которых возможна только на стадии строительства здания.

Конструктивные особенности:


  • требуется помещение с высоким потолком и возможностью создания выделенного пленума под удаление горячего воздуха,
  • контейнер изолируется по внешнему периметру коридора,
  • в шкафах необходима изоляция переднего фронта и воздушная заслонка, а также изоляция всех крыш,
  • для торцевых шкафов коридора нужна изоляция боковых сторон шкафа и цоколя по внешнему периметру,
  • для вытяжного короба требуется изолированное прилегание к верхнему пленуму.

Кому подходит:

средним и крупным машзалам с высокой нагрузкой (до 10 кВт на стойку).

Изоляция горячего коридора



Принцип действия:

холодный поток может поступать через фальшпол либо выдуваться кондиционерами прямо в общий объем зала. Горячий воздух удаляется с помощью вытяжного вертикального короба, установленного на шкафу. Он выбрасывается через короб в пленум и поступает обратно в кондиционеры.

Установка стоек:

шкафы могут быть установлены в произвольном порядке, но для оптимизации пространства машзала обычно ставятся рядами.

Плюсы:


  • решение легко масштабируется в рамках как одного, так и нескольких коридоров,
  • комфортное нахождение персонала в помещении.

Минусы:


  • требуются специализированные серверные шкафы,
  • серверное помещение должно быть достаточно высоким для организации верхнего пленума.

Конструктивные особенности:


  • серверные шкафы должны быть достаточной глубины для устройства горячей зоны в задней части шкафа и с возможностью установки воздуховодов,
  • помещение должно предусматривать пленум для возврата горячего воздуха в кондиционеры.

Кому подходит:

средним и крупным машзалам с высокой нагрузкой (до 10 кВт на стойку).

Холодный коридор



Принцип действия:

холодный поток подается в закрытый коридор через вертикальный короб, установленный на шкафу. Горячий воздух выбрасывается в общий объем зала и поступает обратно в кондиционеры. Это решение используется в случае установки холодильных машин над машзалом для минимизации пути воздушного потока.

Установка стоек:

шкафы установлены рядами фронтальной стороной друг к другу.

Плюсы:
  • обеспечивается плотное расположение шкафов в помещении,
  • удобно при подаче холодного потока сверху,
  • решение легко масштабируется в рамках как одного, так и нескольких коридоров.

Минусы:


  • к помещению выдвигаются специальные требования, реализация которых возможна только на стадии строительства,
  • некомфортное нахождение персонала в помещении
.

Конструктивные особенности:


  • требуется помещение с высоким потолком и возможностью создания выделенного пленума под холодный поток,
  • контейнер изолируется по внутреннему периметру коридора,
  • в шкафах необходима изоляция переднего фронта и воздушная заслонка,
  • для вертикального короба требуется изолированное прилегание к верхнему пленуму
.

Кому подходит:

средним и крупным машзалам с высокой нагрузкой (до 10 кВт на стойку).
Подробнее..

Перевод Как устроен блок питания, который работает в каждом системнике

24.05.2021 16:18:49 | Автор: admin

Блок питания извлечён из корпуса. Пучок проводов слева подключается к компьютеру. Большой компонент посередине типа трансформатора это фильтрующий индуктор. Кликабельно, как и все фотографии в статье

Вы когда-нибудь задумывались, что находится внутри блока питания (БП) вашего компьютера? Задача БП преобразовать питание из сети (120 или 240 В переменного тока, AC) в стабильное питание постоянного, то есть однонаправленного тока (DC), который нужен вашему компьютеру. БП должен быть компактным и дешёвым, при этом эффективно и безопасно преобразовывать ток. Для этих целей при изготовлении используются различные методы, а сами БП внутри устроены гораздо сложнее, чем вы думаете.

В этой статье мы разберём блок стандарта ATX и объясним, как он работает1.

Как и в большинстве современных БП, в нашем используется конструкция, известная как импульсный блок питания (ИБП). Это сейчас они очень дёшевы, но так было не всегда. В 1950-е годы сложные и дорогие ИБП использовались разве что в ракетах и космических спутниках с критическими требованиями к размеру и весу. Однако к началу 1970-х новые высоковольтные транзисторы и другие технологические усовершенствования значительно удешевили ИБП, так что их стали широко использовать в компьютерах. Сегодня вы можете за несколько долларов купить зарядное устройство для телефона с ИБП внутри.

Наш ИБП формата ATX упакован в металлический корпус размером с кирпич, из которого выходит множество разноцветных кабелей. Внутри корпуса мы видим плотно упакованные компоненты. Инженеры-конструкторы явно были озабочены проблемой компактности устройства. Многие компоненты накрыты радиаторами. Они охлаждают силовые полупроводники. То же самое для всего БП делает встроенный вентилятор. На КДПВ он справа.

Начнём с краткого обзора, как работает ИБП, а затем подробно опишем компоненты. Своеобразный конвейер на фотографии организован справа налево. Справа ИБП получает переменный ток. Входной переменный ток преобразуется в высоковольтный постоянный ток с помощью нескольких крупных фильтрующих компонентов. Этот постоянный ток включается и выключается тысячи раз в секунду для генерации импульсов, которые подаются в трансформатор. Тот преобразует высоковольтные импульсы в сильноточные низковольтные. Эти импульсы преобразуются в постоянный ток и фильтруются, чтобы обеспечить хорошее, чистое питание. Оно подаётся на материнскую плату, накопители и дисководы через кабели на фотографии слева.

Хотя процесс может показаться чрезмерно сложным, но большинство бытовой электроники от мобильника до телевизора на самом деле питаются через ИБП. Высокочастотный ток позволяет сделать маленький, лёгкий трансформатор. Кроме того, импульсные БП очень эффективны. Импульсы настраиваются таким образом, чтобы обеспечить только необходимую мощность, а не превращать избыточную мощность в отработанное тепло, как в линейном БП.

Входная фильтрация шума


Первым делом входной переменный ток проходит через цепь входного фильтра, которая фильтрует электрический шум, то есть беспорядочные изменения электрического тока, ухудшающие качество сигнала.

Фильтр ниже состоит из индукторов (тороидальных катушек) и конденсаторов. Квадратные серые конденсаторы специальные компоненты класса X для безопасного подключения к линиям переменного тока.


Компоненты входного фильтра

Преобразование AC/DC


Переменный ток с частотой 60герц в сети меняет своё направление 60 раз в секунду (AC), но компьютеру нужен постоянный ток в одном направлении (DC). Полномостовой выпрямитель на фотографии ниже преобразует переменный ток в постоянный. Выходы постоянного тока на выпрямителе отмечены знаками ? и +, а переменный ток входит через два центральных контакта, которые постоянно меняют свою полярность. Внутри выпрямителя четыре диода. Диод позволяет току проходить в одном направлении и блокирует его в другом направлении, поэтому в результате переменный ток преобразуется в постоянный ток, протекающий в нужном направлении.


На мостовом выпрямителе видна маркировка GBU606. Цепь фильтра находится слева от выпрямителя. Большой чёрный конденсатор справа один из удвоителей напряжения. Маленький жёлтый конденсатор это специальный керамический Y-конденсатор, который защищает от всплесков напряжения

Ниже две схемы, как работает мостовой выпрямитель. На первой схеме у верхнего входа переменного тока положительная полярность. Диоды пропускают поток на выход DC. На второй схеме входы переменного тока поменяли полярность, как это происходит постоянно в AC. Однако конфигурация диодов гарантирует, что выходной ток остаётся неизменным (плюс всегда сверху). Конденсаторы сглаживают выход.


На двух схемах показан поток тока при колебаниях входного сигнала AC. Четыре диода заставляют ток течь в направлении по стрелке

Современные БП принимают универсальное входное напряжение от 85 до 264 вольт переменного тока, поэтому могут использоваться в разных странах независимо от напряжения в местной сети. Однако схема этого старого БП не могла справиться с таким широким диапазоном. Поэтому предусмотрен переключатель для выбора 115 или 230 В.


Переключатель 115/230 В

Переключатель использует умную схему с удвоителем напряжения. Идея в том, что при закрытом переключателе (на 115 В) вход AC обходит два нижних диода в мостовом выпрямителе, а вместо этого подключается непосредственно к двум конденсаторам. Когда плюс на верхнем входе AC, полное напряжение получает верхний конденсатор. А когда плюс снизу, то нижний. Поскольку выход DC идёт с обоих конденсаторов, на выходе всегда получается двойное напряжение. Дело в том, что остальная часть БП получает одинаковое напряжение независимо от того, на входе 115 или 230 В, что упрощает его конструкцию. Недостаток удвоителя в том, что пользователь обязан установить переключатель в правильное положение, иначе рискует повредить БП, а для самого БП требуются два больших конденсатора. Поэтому в современных БП удвоитель напряжения вышел из моды.


Схема удвоителя напряжения. Каждый конденсатор получает полный вольтаж, поэтому на выходе DC двойное напряжение. Серые диоды не используются в работе удвоителя

Две стороны БП


В целях безопасности высоковольтные и низковольтные компоненты разделены механически и электрически, см. фотографию ниже. На основной стороне находятся все цепи, которые подключаются к сети AC. На вторичной стороне низковольтные цепи. Две стороны разделены пограничной изоляцией, которая отмечена зелёным пунктиром на фотографии. Через границу не проходит никаких электрических соединений. Трансформаторы пропускают энергию через эту границу через магнитные поля без прямого электрического соединения. Сигналы обратной связи передаются на основную сторону с помощью оптоизоляторов, то есть световыми импульсами. Это разделение является ключевым фактором в безопасной конструкции: прямое электрическое соединение между линией AC и выходом БП создаёт опасность удара электрическим током.


Источник питания с маркировкой основных элементов. Радиаторы, конденсаторы, плата управления и выходные кабели удалены ради лучшего обзора (SB означает источник резервного питания, standby supply)

Импульсы к трансформатору


К этому моменту входной переменный ток преобразован в высоковольтный постоянный ток около 320 В2. Постоянный ток нарезается на импульсы переключающим (импульсным) транзистором (switching transistor на схеме выше). Это силовой МОП-транзистор (MOSFET)3. Поскольку во время использования он нагревается, то установлен на большом радиаторе. Импульсы подаются в главный трансформатор, который в некотором смысле является сердцем БП.

Трансформатор состоит из нескольких катушек проволоки, намотанных на намагничиваемый сердечник. Высоковольтные импульсы, поступающие в первичную обмотку трансформатора, создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая в них напряжение. Так ИБП безопасно вырабатывает выходной ток: между двумя сторонами трансформатора нет электрического соединения, только соединение через магнитное поле. Другим важным аспектом является то, что в первичной обмотке много оборотов проволоки вокруг сердечника, а на вторичных контурах гораздо меньше. В результате получается понижающий трансформатор: выходное напряжение намного меньше входного, но при гораздо большем вольтаже.

Переключающий транзистор3 управляется интегральной схемой под названием ШИМ-контроллер режима тока UC3842B. Этот чип можно считать мозгом БП. Он генерирует импульсы на высокой частоте 250 килогерц. Ширина каждого импульса регулируется для обеспечения необходимого выходного напряжения: если напряжение начинает падать, чип производит более широкие импульсы, чтобы пропускать больше энергии через трансформатор4.

Вторичная сторона


Теперь можно посмотреть на вторую, низковольтную часть БП. Вторичная схема производит четыре выходных напряжения: 5, 12, ?12 и 3,3 вольта. Для каждого выходного напряжения отдельная обмотка трансформатора и отдельная схема для получения этого тока. Силовые диоды (ниже) преобразуют выходы трансформатора в постоянный ток. Затем индукторы и конденсаторы фильтруют выход от всплесков напряжения. БП должен регулировать выходное напряжение, чтобы поддерживать его на должном уровне даже при увеличении или уменьшении нагрузки. Интересно, что в БП используется несколько различных методов регулирования.


Крупным планом показаны выходные диоды. Слева вертикально установлены цилиндрические диоды. В центре пары прямоугольных силовых диодов Шоттки, в каждом корпусе по два диода. Эти диоды прикреплены к радиатору для охлаждения. Справа обратите внимание на два медных провода в форме скоб. Они используются в качестве резисторов для измерения тока

Основными являются выходы 5 и 12 В. Они регулируются одной микросхемой контроллера на основной стороне. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов, пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной стороне БП. А если напряжение слишком высокое, чип уменьшает ширину импульса. Примечание: одна и та же схема обратной связи управляет выходами на 5 и 12 В, поэтому нагрузка на одном выходе может изменять напряжение на другом. В более качественных БП два выхода регулируются по отдельности5.


Нижняя сторона печатной платы. Обратите внимание на большое расстояние между цепями основной и вторичной сторон БП. Также обратите внимание, какие широкие металлические дорожки на основной стороне БП для тока высокого напряжения и какие тонкие дорожки для схем управления

Вы можете задать вопрос, как микросхема контроллера на основной стороне получает обратную связь об уровнях напряжения на вторичной стороне, поскольку между ними нет электрического соединения (на фотографии виден широкий зазор). Трюк в использовании хитроумной микросхемы под названием оптоизолятор. Внутри чипа на одной стороне чипа инфракрасный светодиод, на другой светочувствительный фототранзистор. Сигнал обратной связи подаётся на LED и детектируется фототранзистором на другой стороне. Таким образом оптоизолятор обеспечивает мост между вторичной и первичной сторонами, передавая информацию светом, а не электричеством6.

Источник питания также обеспечивает отрицательное выходное напряжение (?12 В). Это напряжение в основном устарело, но использовалось для питания последовательных портов и слотов PCI. Регулирование питания ?12 В кардинально отличается от регулирования +5 и +12В. Выход ?12 В управляется стабилитроном (диодом Зенера) это специальный тип диода, который блокирует обратный ток до определённого уровня напряжения, а затем начинает проводить его. Избыточное напряжение рассеивается в виде тепла через силовой резистор (розовый) под управлением транзистора и стабилитрона (поскольку этот подход расходует энергию впустую, современные высокоэффективные БП не используют такой метод регулирования).


Питание ?12 В регулируется крошечным стабилитроном ZD6 длиной около 3,6 мм на нижней стороне печатной платы. Соответствующий силовой резистор и транзистор A1015 находятся на верхней стороне платы

Пожалуй, наиболее интересной схемой регулирования является выход 3,3 В, который регулируется магнитным усилителем. Магнитный усилитель это индуктор с особыми магнитными свойствами, которые заставляют его работать как ключ (переключатель). Когда ток подаётся в индуктор магнитного усилителя, то сначала он почти полностью блокирует ток, поскольку индуктор намагничивается и магнитное поле увеличивается. Когда индуктор достигает полной намагниченности (то есть насыщается), его поведение внезапно меняется и индуктор позволяет частицам течь беспрепятственно. Магнитный усилитель в БП получает импульсы от трансформатора. Индуктор блокирует переменную часть импульса. Выход 3,3 В регулируется изменением ширины импульса7.


Магнитный усилитель представляет собой кольцо из ферритового материала с особыми магнитными свойствами. Вокруг кольца намотано несколько витков проволоки

Управляющая плата


В блоке питания есть небольшая плата, на которой размещена схема управления. Эта плата сравнивает напряжение с эталонным, чтобы генерировать сигналы обратной связи. Она отслеживает вольтаж также для того, чтобы генерировать сигнал питание в норме (power good). Схема установлена на отдельной перпендикулярной плате, поэтому не занимает много места в БП.


Основные компоненты установлены на верхней стороне платы со сквозными отверстиями, а нижняя сторона покрыта крошечными SMD-компонентами, которые нанесены путём поверхностного монтажа. Обратите внимание на резисторы с нулевым сопротивлением в качестве перемычек

Источник резервного питания


В БП есть ещё вторая цепь для резервного питания9. Даже когда компьютер формально выключен, пятивольтовый источник резервного питания обеспечивает ему мощность 10 Вт для функций, которые продолжают работать: часы реального времени, функция пробуждения по локальной сети и др. Цепь резервного питания является почти независимым БП: она использует отдельную управляющую микросхему, отдельный трансформатор и отдельные компоненты на вторичной стороне DC, но те же самые компоненты на основной стороне AC. Эта система гораздо меньшей мощности, поэтому в цепи трансформатор меньшего размера.


Чёрно-жёлтые трансформаторы: трансформатор для резервного питания находится слева, а основной трансформатор справа. Перед ним установлена микросхема для управления резервным питанием. Большой цилиндрический конденсатор справа компонент удвоителя напряжения. Белые капли это силикон, который изолирует компоненты и удерживает их на месте

Вывод


Блок питания ATX сложно устроен внутри, с множеством компонентов, от массивных индукторов и конденсаторов до крошечных компонентов поверхностного монтажа10. Однако эта сложность позволяет выпускать эффективные, маленькие и безопасные БП. Для сравнения, я когда-то писал о блоке питания 1940-х годов, который выдавал всего 85 ватт мощности, но был размером с чемодан, весил 50 кг и стоил сумасшедшие деньги. В наше время с продвинутыми полупроводниками делают гораздо более мощные БП дешевле 50 долларов, и такое устройство поместится у вас в руке.




Блок питания REC-30 для телетайпа Model 19 (ВМФ США) 1940-х годов

Я уже писал о БП, включая историю блоков питания в IEEE Spectrum. Вам также могут понравиться детальные разборы зарядного устройства Macbook и зарядного устройства iPhone.

Примечания и ссылки


1 Intel представила стандарт ATX для персональных компьютеров в 1995 году. Стандарт ATX (с некоторыми обновлениями) по-прежнему определяет конфигурацию материнской платы, корпуса и блока питания большинства настольных компьютеров. Здесь мы изучаем блок питания 2005 года, а современные БП более продвинутые и эффективные. Основные принципы те же, но есть некоторые изменения. Например, вместо магнитных усилителей почти везде используют преобразователи DC/DC.


Этикетка на блоке питания

На этикетке БП указано, что он изготовлен компанией Bestec для настольного компьютера Hewlett-Packard Dx5150. Этот БП слегка не соответствует формату ATX, он более вытянут в длину. [вернуться]

2 Вы можете задать вопрос, почему AC напряжением 230 В преобразуется в постоянный ток 320 В. Причина в том, что напряжение переменного тока обычно измеряется как среднеквадратичное, которое в каком-то смысле усредняет изменяющуюся форму волны. По факту в 230-вольтовом сигнале AC есть пики до 320 вольт. Конденсаторы БП заряжаются через диоды до пикового напряжения, поэтому постоянный ток составляет примерно 320 вольт (хотя немного провисает в течение цикла). [вернуться]

3 Силовой транзистор представляет собой силовой МОП-транзистор FQA9N90C. Он выдерживает 9 ампер и 900 вольт. [вернуться]

4 Интегральная схема питается от отдельной обмотки на трансформаторе, которая выдаёт 34 вольта для её работы. Налицо проблема курицы и яйца: управляющая микросхема создаёт импульсы для трансформатора, но трансформатор питает управляющую микросхему. Решение специальная цепь запуска с резистором 100 k между микросхемой и высоковольтным током. Она обеспечивает небольшой ток для запуска микросхемы. Как только чип начинает отправлять импульсы на трансформатор, то питается уже от него. [вернуться]

5 Метод использования одного контура регулирования для двух выходов называется перекрёстным регулированием. Если нагрузка на одном выходе намного выше другого, напряжения могут отклоняться от своих значений. Поэтому во многих БП есть минимальные требования к нагрузке на каждом выходе. Более продвинутые БП используют DC/DC преобразователи для всех выходов, чтобы контролировать точность напряжения. Дополнительные сведения о перекрёстном регулировании см. в этих двух презентациях. Один из обсуждаемых методов многоуровневая укладка выходных обмоток, как в нашем БП. В частности, 12-вольтовый выход реализован в виде 7-вольтового выхода поверх 5-вольтового выхода, что даёт 12 вольт. При такой конфигурации ошибка 10% (например) в 12-вольтовой цепи будет составлять всего 0,7 В, а не 1,2 В. [вернуться]

6 Оптоизоляторы представляют собой компоненты PC817, которые обеспечивают 5000 вольт изоляции между сторонами БП (то есть между высокой и низкой сторонами). Обратите внимание на прорезь в печатной плате под оптоизоляторами. Это дополнительная мера безопасности: она гарантирует, что ток высокого напряжения не пройдёт между двумя сторонами оптоизолятора вдоль поверхности печатной платы, например, при наличии загрязнения или конденсата (в частности, прорезь увеличивает расстояние утечки). [вернуться]

7 Ширина импульса через магнитный усилитель устанавливается простой схемой управления. В обратной части каждого импульса индуктор частично размагничивается. Схема управления регулирует напряжение размагничивания. Более высокий вольтаж усиливает размагничивание. Тогда индуктору требуется больше времени для повторного намагничивания, и, таким образом, он дольше блокирует входной импульс. При более коротком импульсе в цепи выходное напряжение уменьшается. И наоборот, более низкое напряжение размагничивания приводит к меньшему размагничиванию, поэтому входной импульс блокируется не так долго. В итоге выходное напряжение регулируется изменением напряжения размагничивания. Обратите внимание, что ширина импульса в магнитном усилителе регулируется управляющей микросхемой. Магнитный усилитель сокращает эти импульсы по мере необходимости при регулировании выходного напряжения 3,3 В. [вернуться]

8 Плата управления содержит несколько микросхем, включая операционный усилитель LM358NA, чип супервизора/сброса TPS3510P, четырёхканальный дифференциальный компаратор LM339N и прецизионный эталон AZ431. Чип супервизора интересный он специально разработан для БП и контролирует выходное напряжение, чтобы оно было не слишком высоким и не слишком низким. Прецизионный эталон AZ431 это вариант эталонного чипа TL431, который часто используется в БП для обеспечения опорного (контрольного) напряжения. Я уже писал о TL431. [вернуться]

9 Источник резервного питания использует другую конфигурацию обратноходовой трансформатор. Здесь установлена управляющая микросхема A6151 с переключающим транзистором, что упрощает конструкцию.


Схема БП с использованием A6151. Она взята из справочника, поэтому не идентична схеме нашего БП, хотя близка к ней
[вернуться]

10 Если хотите изучить подробные схемы различных БП формата ATX, рекомендую сайт Дэна Мельника. Удивительно, сколько существует реализаций БП: различные топологии (полумостовые или прямые), наличие или отсутствие преобразования коэффициента мощности (PFC), разнообразные системы управления, регулирования и мониторинга. Наш БП довольно похож на БП с прямой топологией без PFC, внизу той странички на сайте Дэна. [вернуться]
Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru