Обеспечение температурного режима

Блок питания ПЭВМ

1.1. Назначение и принципы работы блоков питания.

1.2. Стандартные требования качественных показателей электрических сетей.

1.3. Защитное заземление: его назначение, как реализовано В ПЭВМ.

1.4. Основные параметры блоков питания.

1.5. Что происходит с блоком питания при включении ПК? Что такое сигнал Power_Good?

Обеспечение температурного режима

2.1. Технические средства, применяемые для обеспечения оптимальной температуры ПЭВМ.

2.2. Основные характеристики вентиляторов.

2.3. Недостатки систем воздушного охлаждения. Для чего нужны термодатчики?

Блоки питания

Источником тока для электрических сетей стационарной энергосистемы являются трехфазные генераторы переменного тока, установленные на электростанциях (рис. 4.18).

Каждая из обмоток генератора формирует линейное напряжение. Три из этих проводов называются линейными, или фазными, а четвертый — нейтральным проводом, или просто — нейтралью. Обмотки симметрично расположены по окружности электрического генератора, поэтому линейные напряжения сдвинуты друг относительно друга по фазе на 120°. Номинальное действующее значение линейного напряжения в России равно 380 В. Напряжение между нейтралью и любым из линейных проводов называется фазным и составляет 220 В.

Маломощные потребители (персональные компьютеры, офисная техника, бытовые приборы и т.д.) рассчитаны на однофазную электрическую бытовую сеть. Они подключаются к сети двумя проводами: линейным и нейтральным, стандартное напряжение между которыми равно 220 В.

Переменный электрический ток характеризуется номинальной частотой. Частота переменного тока задается скоростью вращения генераторов и составляет в России 50 Гц.

В нашей стране качественные показатели электрических сетей регламентируются положениями действующего ГОСТ 13109—97. Нормативы этого документа полностью соответствуют международным стандартам в части уровней электромагнитной совместимости в системах электроснабжения и методов измерения электромагнитных помех.

Этим стандартом установлены значения показателей в точках подключения потребителей электроэнергии — непосредственно в розетке.

Наиболее важными показателями качества электроэнергии являются отклонение напряжения от номинального значения, коэффициент несинусоидальности напряжения, отклонение частоты от 50 Гц.

Согласно стандарту в течение не менее 95 % времени каждых суток фазное напряжение должно находиться в диапазоне 209... 231 В, частота — в пределах 49,8...50,2 Гц, а коэффициент несинусоидальности не должен превышать 5 %.

В остальное временя напряжение может составлять 198...242 В, частота — 49,6...50,4 Гц, а коэффициент несинусоидальности должен быть не более 10 %.

Когда показатели качества электроэнергии выходят за установленные стандартом требования, возникает аварийная ситуация.

Электрооборудование, изготавливаемое в России, рассчитано на российскую электрическую сеть и обязано сохранять работоспособность при напряжении 198... 242 В.

В России действует ГОСТ Р 50628 — 93, определяющий требования к персональным компьютерам по устойчивости к электромагнитным помехам. Этому стандарту должны соответствовать все компьютеры, производимые в нашей стране или импортируемые в Россию. К электромагнитным помехам относятся электростатические разряды, радиочастотные электромагнитные поля, наносе- кундные импульсные помехи, микросекундные импульсы большой энергии, провалы и прерывания напряжения в сети.

Для предотвращения поражения пользователей электрическим током в системе питания ПЭВМ применяется защитное заземление.

Защитное заземление — это соединение с «землей» металлических частей ПЭВМ (обычно корпуса системного блока). Так как сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом, при повреждении электрической изоляции (пробое на корпус) напряжение на заземленных частях оборудования будет для пользователя безопасным. Для локальных компьютерных сетей требования значительно жестче — сопротивление заземления должно составлять 0,5... 1,0 Ом.

Заземление служит не только для защиты человека от поражения током, но и для уменьшения помех, возникающих при работе различного высокочастотного оборудования. Правильное подключение заземления позволяет уменьшить электромагнитное излучение высокой частоты, выброс помех в электрическую сеть, влияние внешних помех на аппаратуру и тем самым обеспечить нормальную работу аппаратуры в составе сети.

Для устройства заземления в грунте размещают металлические предметы с большой контактной поверхностью и надежно (сваркой) соединяют их с шиной заземления в здании.

В России для электропитания жилых и офисных помещений, как правило, используются сети с глухозаземленной нейтралью (заземлена средняя точка генератора), поэтому в технической литературе вместо термина «заземление» используется термин «защитное зануление».

Для подключения персональных компьютеров применяется розетка с тремя контактами: один из контактов в этой розетке соединен с линейным проводом трехфазной цепи, другой — с нейтралью, а к третьему (среднему) подводится заземление. Обычно эту розетку называют компьютерной, европейской или евророзеткой. Некоторые сетевые вилки имеют съемный контакт (штырь) заземления для обеспечения возможности подключения ПЭВМ в обычную розетку.

Розетки и соответствующие ей вилки рассчитаны на напряжение до 250 В и ток до 10 А (иногда до 16 А) и применяются для подключения ПЭВМ и офисного оборудования с различной мощностью потребления. В параметрах электронного оборудования ПЭВМ может указываться полная или активная мощность.

Полная (суммарная) мощность, потребляемая нагрузкой, определяется с учетом активной и реактивной составляющих, а также отклонением формы тока и напряжения от гармонического колебания, которое может быть графически представлено в виде синусоиды. Единица измерения — В - А (вольт-ампер).

Активная мощность — это средняя (полезная) мощность, отбираемая нагрузкой из электросети и преобразуемая в энергию любого иного вида (механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную и др.). Единица измерения — Вт (ватт).

Чаще всего мощность ПЭВМ или периферийного устройства указывается в технической документации в вольт-амперах. Если мощность приводится в ваттах, то полная мощность будет на 20... 40 % больше активной.

Развитие блоков питания (БП) ПЭВМ тесно связано с изменением формфактора материнских плат (переход на стандарт АТХ вместо АТ) и соответствующим изменением конструкции системных блоков.

В стандарте АТ на системную плату подается только 5 В, а 3,3 В получается преобразователем напряжения на этой плате. В АТХ напряжение 3,3 В вырабатывается самим блоком питания, так что необходимость в преобразователе на плате отпадает.

В БП стандарта АТ имелся внешний разъем для питания монитора, а управление включением-отключением ПЭВМ производилось только механической коммутацией внешней сети 220/110 В.

В блоках формата АТХ введена возможность программного отключения питания ПЭВМ сигналом управления с материнской платы, на которую постоянно подается «дежурное» напряжение при подключенном к сети блоке питания.

Блоки питания ПЭВМ выпускаются в унифицированных металлических корпусах, которые служат для механической защиты элементов схемы и электромагнитной экранировки от высокочастотных помех. Электронные компоненты располагаются на одной печатной плате. На задней боковой стенке закреплены вентилятор, переключатель номинала сетевого напряжения и сетевая вилка типа IEC320 с тремя ножевыми контактами.

В системном блоке БП крепится к задней стенке корпуса и располагается горизонтально над материнской платой, что обеспечивает доступ к материнской плате и ее разъемам, а также хорошее охлаждение и отсутствие ограничений на высоту конструкции процессор — кулер.

Для полного отключения от сети большинство блоков питания имеют выключатель на задней панели (рис. 4.19). В блоках питания с автоматическим определением напряжения питающей сети переключатель 220/110 В не устанавливается. В целях защиты пользователя от поражения электрическим током при пробое сети на корпус БП подключается по трехпроводной схеме: два провода питания и провод заземления.

Вентилятор, установленный в блоке питания, выполняет двойную функцию: охлаждает компоненты БП и одновременно осуществляет принудительную вытяжную вентиляцию корпуса, т.е. удаляет нагретый различными узлами воздух из системного блока и фактически является одним из корпусных вентиляторов, иногда единственным.

От скорости вращения вентилятора зависит реализация нормального теплообмена в корпусе компьютера. Для понижения шума при работе вентилятора используется автоматическое регулирование его скорости. С этой целью блоки питания оснащаются схемой терморегулирования: скорость вращения охлаждающего вентилятора приводится в зависимость от температуры внутри его корпуса — на максимальную скорость вентилятор переключается при температуре, превышающей 40 °С.

Как правило, БП дополнительно оснащаются системой термозащиты, которая отключает электропитание ПЭВМ при достижении критической температуры на мощных элементах.

Любой БП, предназначенный для работы в компьютере, имеет схемы внутреннего контроля, которые непрерывно тестируют все номиналы выходного постоянного напряжения. Если напряжения находятся в допуске, то блок питания выдает на системную плату сигнал исправности.

Номенклатура входных, выходных напряжений и их максимальные токи указываются на наклейке к блоку питания. Для стандартных БП мощностью 300 Вт эти значения составляют: +3,3 В — 18 А; +5 В — 12 А; +12 В — 21 А; мощностью 400 Вт: +3,3 В — 20 А; +5 В — 14 А; +12 В — 27 А.

Основные параметры БП:

■ КПД — 65... 90 % при полной нагрузке на всех выходах;

■ диапазон изменения тока нагрузки — 10... 100 %;

■ широкий диапазон рабочего входного напряжения — 180... 265 В

для сети 220 В; 90... 135 В для сети 110 В;

■ допустимый разброс частоты сети — 48... 63 Гц.

В блоках питания формата АТХ изменен разъем подключения к системной плате: он имеет 20 контактов с напряжениями +3,3, ±5, ±12 В и введен сигнал включения-выключения питания ПЭВМ. Разъем питания системной платы имеет конструкцию, исключающую возможность неправильного подключения. Фиксация разъема в соответствующем гнезде материнской платы обеспечивается с помощью пластмассовых защелок. Кроме того, в БП имеется дополнительный 4-контактный разъем (ATX12V) для подачи на материнскую плату+12 В (не менее 8 А), напряжение которого после преобразования используется для питания процессора.

Структурная схема типового блока питания для стандарта АТХ изображена на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Структурная схема типового блока питания:

XS1 — сетевой разъем блока питания; SA1 — сетевой включатель; SA2 — переключатель напряжения сети 110/220 В; SB1 — кнопка включения питания ПЭВМ; GND — корпус; Вкл. — программное включение-выключение питания; Испр. — сигнал исправности БП

Для нейтрализации помех на входе БП установлен сетевой фильтр, через который на двухполюсный выключатель SA1 и предохранитель F1 на вход сетевого выпрямителя подается однофазное напряжение сети. Переключатель SA2 обеспечивает коммутацию питания ПЭВМ от сети с напряжением 110 В. На выходе выпрямителя формируется постоянное напряжение в пределах 260... 340 В. Сетевой выпрямитель питает преобразователь-стабилизатор 5 В, который, в свою очередь, обеспечивает напряжением узел управления и выдает дежурное питание на системную плату. Узел управления служит для плавного включения и аварийного отключения питания ПЭВМ.

После нажатия на системном блоке кнопки SB1 (POWER — питание) узел управления запускает высокочастотный преобразователь (усилитель мощности), в котором используется принцип широтно-импульсной модуляции с постоянной частотой около 40... 60 кГц, поэтому его выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов переменной скважности, т.е. с изменяемым отношением длительности импульса к их периоду следования (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Зависимость среднего значения выходного напряжения от скважности импульсов при широтно-импульсной модуляции: А — амплитуда сигнала; t — время; tn — период следования импульсов; t„ — длительность импульса; ивык — выходное напряжение

Изменение длительности импульсов преобразователя регулирует поступление энергии на выпрямитель. При отклонении выходных напряжений от номинала по сигналам обратной связи с выпрямителя-стабилизатора узел управления меняет уровень модулирующего воздействия на преобразователь, который обеспечивает стабилизацию выходного напряжения блока питания, изменяя длительность генерируемых импульсов (ширина импульсов пропорциональна напряжению на нагрузке).

Из импульсных напряжений разных номиналов, поступающих в выпрямитель-стабилизатор, формируются постоянные стабильные напряжения (t/_Bblx) +3,3; ±5; ±12 В для питания системной платы. Если напряжения находятся в допуске, то схема контроля узла управления выдает сигнал исправности (Испр.), от которого светится светодиод на лицевой панели системного блока. В противном случае фиксируется аварийная ситуация и блок питания отключается от нагрузки. БП отключается от сети и при перегорании предохранителя F1. Для программного отключения ПЭВМ (переход в ждущий режим или спящий) используется сигнал, поступающий с системной платы по цепи «Вкл».

В современных ПЭВМ имеется ряд возможностей настроить отдельные параметры схемы управления питанием: автоматическое программируемое (по установленному времени) отключение монитора и жестких дисков для экономии электроэнергии, перевод компьютера при его простое в ждущий или спящий режимы (возможно и в ручную с клавиатуры).

Для управления используется расширенный интерфейс управления питанием и конфигурациями ACPI (Advanced Configuration and Power Interface). ACPI позволяет операционной системе непосредственно управлять питанием переносных и настольных компьютеров, серверов и периферийных устройств.

В ждущем режиме компьютер переключается в состояние с низким потреблением электроэнергии, в котором отключаются такие устройства, как жесткие диски и монитор. Возврат в рабочее состояние осуществляется после нажатия на клавиатуре любой кнопки или движения мышки. Поскольку в ждущем режиме не сохраняется состояние рабочего стола на жестком диске (вся информация хранится в ОЗУ), сбой питания компьютера, находящегося в ждущем режиме, может вызвать потерю несохраненных данных.

В спящий режим компьютер переводится, если он не используется длительное время или оставляется включенным на ночь. В спящем режиме все содержимое памяти сохраняется на жестком диске, отключаются монитор и жесткие диски и компьютер выключается. При перезапуске компьютера состояние рабочего стола полностью восстанавливается. Выход из спящего режима занимает больше времени, чем выход из ждущего режима.

Служба управления питанием операционной системы позволяет ПЭВМ управлять работой источников бесперебойного питания (ИБП). Набор доступных параметров зависит от установленной модели ИБП.

В современных ПЭВМ в основном используются напряжения 3,3; 5 и 12 В, а питание процессора, микросхем системной логики, ОЗУ и 1,5-вольтовых видеокарт осуществляет материнская плата встроенными преобразователями. Поэтому в блоках питания ПЭВМ целесообразно постепенно переходить к новым стандартам, ограничивающим номенклатуру напряжений.

Обеспечение температурного режима

Время безотказной работы ПЭВМ зависит не только от использования качественных комплектующих элементов, технологии изготовления и уровня (культуры) производства составных частей компьютера, но и от обеспечения требуемых климатических и механических условий эксплуатации.

На надежное функционирование компьютера в значительной степени оказывает влияние рабочий температурный режим элементной базы, зависящий от выделяемой (рассеиваемой) мощности микросхем, температуры внешней (окружающей) среды и внутренней температуры системного блока.

Постоянный рост производительности и функциональной сложности ПЭВМ приводит к значительному увеличению потребляемой мощности, из которой более 40 % выделяется в теплоту.

Особая проблема — обеспечение оптимальной рабочей температуры центральных процессоров. Современные процессоры, выделяя большую тепловую мощность, сильно разогреваются при работе и практически не могут применяться без специальных средств воздушного принудительного охлаждения.

Суммарная тепловая мощность, выделяемая в корпусе современной ПЭВМ, превышает 200 Вт и также не может быть рассеяна естественным путем, который составляет около 5 % от общего тепловыделения.

Для обеспечения оптимальной температуры в ПЭВМ используется комбинированный подход — локальный отвод теплоты от процессора и других элементов с большим потреблением и уменьшение температуры внутри корпуса за счет принудительной вентиляции, основанной на разности температур внешней среды и системного блока.

Для локального отвода теплоты от СБИС и мощных транзисторов устройств электропитания используются пассивные объемные устройства с большой площадью поверхности — радиаторы (рис.4.22).

Благодаря своей ребристой поверхности радиатор в достаточной мере увеличивает площадь теплового контакта кристалла мощного элемента с окружающей средой, значительно увеличивает интенсивность естественного и принудительного теплообмена и способствует снижению рабочей температуры. Применение ребристой поверхности позволяет увеличить полезную площадь радиатора с сохранением его компактного объема.

Тепловая эффективность радиатора во многом зависит не только от площади поверхности, но и от его конструктивных особенностей, технологии изготовления и обеспечения хорошего термического контакта между радиатором и корпусом элемента. Поэтому основание (подошву) радиатора тщательно шлифуют (до очень ровной и гладкой поверхности), а для уменьшения теплового сопротивления ее контакта с корпусом микросхем дополнительно используют термопасты с повышенной теплопроводностью на серебряной основе. Иногда применяют полимерную прокладку, которая при нагревании становится мягкой, заполняя весь зазор между корпусом процессора и подошвой радиатора.

Наиболее широкое распространение получили радиаторы из алюминия со сложными профилями ребристой поверхности (в форме прямоугольных ребер и стержней произвольного сечения). Для улучшения теплопроводности в состав алюминиевого радиатора дополнительно включают медное основание, которое равномерно распределяет теплоту по всей высоте алюминиевых ребер.

Находят применение радиаторы, которые изготавливают на основе тонкой медной ленты. Лента сворачивается в «гармошку» требуемой площади и закрепляется на базовой пластине (основании) радиатора пайкой. Часто в радиаторах вместо ленты используют тонкие медные пластины, закрепленные на основании радиатора пайкой или сваркой. Такие радиаторы имеют компактные размеры и хорошую тепловую эффективность.

Однако в условиях естественной конвекции воздуха тепловой эффективности радиаторов недостаточно для поддержания приемлемой рабочей температуры процессора, поэтому каждый процессорный радиатор оборудуется вентилятором для принудительного обдува его межреберного пространства. Такое сочетание радиатора с вентилятором получило название «кулер» (рис. 4.23).

Кулер делают разборным — на радиатор сверху устанавливается рамка крепления с вентилятором, которая прижимает радиатор к процессору, зацепляясь за стойки на материнской плате.

Кулер поддерживает рабочую температуру процессора в пределах технических требований и обеспечивает его правильное и надежное функционирование только в условиях непревышения критического значения температуры внутри корпуса ПЭВМ.

В большинстве случаев вентиляторы кулеров подключаются к материнской плате, но бывают исключения, когда из-за большого потребления они непосредственно запитываются от блока питания.

Предельной для процессора и других компонентов системы (особенно жестких дисков и видеокарт) считается внутрикорпусная температура свыше 55 °С, при которой локальных средств отвода теплоты от СБИС может стать недостаточно.

Для отвода избыточной внутренней теплоты применяется корпусная принудительная система воздушного охлаждения, которая работает на разности температур внутри и вне корпуса.

Система воздушного охлаждения должна иметь достаточную тепловую эффективность, необходимые технические параметры и надежность вентиляторов, наличие схем температурного контроля, тахометра для измерения скорости вращения вентилятора и сигнализации его останова, регуляторов электропитания и минимальный уровень шума.

Так как производительности одного вентилятора в блоке питания не всегда хватает для отвода тепловой мощности, в системных корпусах предусматривают специальные установочные места под вентиляторы в передней (внизу) и задней (вверху) стенках системного корпуса. Как правило, нижний вентилятор работает на всасывание воздуха, а верхний — только на выпуск).

В большинстве случаев дополнительный вентилятор на задней стенке системного блока является необходимым и достаточным условием для эффективного отвода теплоты и поддержания допустимой температуры внутри корпуса в пределах 35 °С при температуре окружающей среды около 25 °С.

Для современных высокопроизводительных компьютерных систем иногда на лицевой панели корпуса приходится устанавливать еще один вентилятор.

Для охлаждения в основном применяются осевые вентиляторы постоянного тока, формирующие воздушный поток в направлении, параллельном оси вращения лопастей крыльчатки.

Современные вентиляторы постоянного тока строятся на без- коллекторных малогабаритных электродвигателях с фазовым управлением, создающим в статоре вращающееся магнитное поле. В качестве ротора используется кольцевой постоянный магнит, совмещенный с крыльчаткой, а статор представляет собой индуктор магнитного поля с четырехполюсными (шести- или восьмиполюсными) обмотками.

Наиболее распространенный вариант схемы управления вращением электродвигателя основывается на использовании преобразователя, значение электрического напряжения которого зависит от изменения магнитного поля — специального датчика, действие которого основано на эффекте Холла. Схема осуществляет синхронизированную последовательную подачу напряжения на обмотки двигателя, создавая вращающееся магнитное поле в статоре, которое приводит постоянный магнит, закрепленный на роторе, в движение.

Разъем вентилятора в основном содержит два провода питания 5 или 12 В, иногда вводят дополнительные выводы для тахометра и сигнала останова.

Крыльчатку и корпус в основном изготавливают из пластмассы, но бывают исключения, когда корпус вентилятора делают из алюминия. Для улучшения аэродинамических характеристик крыльчатки внутреннюю поверхность ее лопастей делают очень гладкой.

Вал ротора крепится в корпусе вентилятора подшипниками скольжения, качения (шариковые подшипники) или их комбинацией.

Подшипник скольжения представляет собой бронзовую втулку, стальной вал ротора вставляется в подшипник, который блокируется сальниками (резиновыми прокладками) для сохранения смазки.

Срок службы вентиляторов на подшипниках скольжения не превышает 10ООО... 15ООО ч, а на подшипниках качения достигает 40 ООО ...50 ООО ч.

Вентилятор подает воздух под давлением, поэтому его основной характеристикой считается производительность (расход) — объемная скорость воздушного потока, которая в технической документации указывается в кубических футах в минуту. Чем больше эта величина, тем более эффективна работа вентилятора.

Не менее важной характеристикой вентилятора является скорость вращения крыльчатки (в оборотах в минуту). Чем быстрее вращается крыльчатка, тем выше производительность вентилятора. Скорость вентиляторов, используемых в ПЭВМ, составляет 1 500... 7 ООО об./мин.

Другим показательным конструктивным параметром является типоразмер вентилятора. Наиболее распространенные типоразмеры — 60 х 60, 70 х 70, 80 х 80 мм, реже применяются большие вентиляторы — 120 х 120 мм.

Основным недостатком большинства систем воздушного охлаждения можно считать повышенный уровень шума от работы вентиляторов. Уровень шума вентилятора в акустическом диапазоне измеряется в децибелах и может изменяться в диапазоне 20... 50 дБА. Считается, что к тихим относятся вентиляторы, уровень шума которых не превышает 30 дБА (для сравнения, фоновый уровень шума в жилом помещении в ночное время — 25 дБА). 80-миллиметровый вентилятор шумит в среднем в два раза сильнее, чем 120- миллиметровый. Кроме того, на шум вентиляторов влияют их крепление, скорость работы, конструкция и объем системного корпуса, количество вентиляционных отверстий и запыленность помещений. Свою долю в шум системы охлаждения вносят приводы оптических, гибких и жестких дисков.

Для снижения уровня шума вентиляторов используют автоматическое управление скоростью вращения крыльчатки в зависимости от текущего значения температуры кристалла процессора, внутри блока питания и системного корпуса. Температура измеряется термодатчиками (терморезисторы или термопары), размещаемыми в характерных (критичных) точках ПЭВМ.

Типовые материнские платы обычно обеспечивают измерение температуры для варьирования скорости вращения кулеров. В последнее время термодатчики и регулировку скорости вентилятора начинают использовать и в видеокартах. Частота вращения вентилятора кулера, его производительность и уровень шума зависят от загрузки процессора, тесно связанной с тепловыделением, и температуры воздуха в том месте, где установлен термодатчик. Датчики устанавливаются рядом с вентилятором кулера, в основании радиатора и на самом кристалле процессора.

При полной загрузке процессора на обмотки двигателя вентилятора подается максимальное напряжение питания, с понижением загрузки процессора оно пропорционально уменьшается, снижая число оборотов ротора, его производительность и уровень шума в 1,5—2 раза.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Для чего служит заземление?

2. Опишите структурную схему блока питания.

3. Какие общие требования предъявляются к системе охлаждения ПЭВМ?

4. Какие технические средства применяются для обеспечения теплового режима процессорных СБИС?

5. С какой целью применяют термодатчики?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: