Блоки питания

Лекция  14             Блоки питания

14.1   Назначение  и  принципы  работы  блоков  питания

14.2  Внутренняя проверка блока питания

14.3   Разъемы        питания системной  платы

14.4   Разъемы  питания   периферийных  устройств

14.5    Мощность блоков питания

14.6   Усовершенствованная система управления питанием

14.7    Источник резервного питания (SPS)

Рекомендуемые материалы

14.8   Источник бесперебойного питания (UPS)

14..9   Батареи RTC/NVRAM

14.1   Назначение  и  принципы  работы  блоков  питания

Блок питания является одним из самых ненадежных устройств компьютерной системы. Это жизненно важный компонент персонального компьютера, поскольку без электропитания не сможет работать ни одна компьютерная система. Поэтому для организации четкой и стабильной работы системы необходимо хорошо разбираться в функциях блока питания, иметь представление об ограничениях его возможностей и их причинах, а также о потенциальных проблемах, которые могут возникнуть в ходе эксплуатации, и способах их разрешения.

Главное назначение блоков питания — преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +3,3, +5 и +12 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется напряжение +3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) — +12 В. Компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

Положительное напряжение

Как правило, цифровые электронные компоненты и интегральные схемы компьютера (системные платы, платы расширения, логические схемы дисководов) используют напряжения +3,3 и +5 В, в то время как двигатели (дисководов и вентиляторов) обычно работают с напряжением в 12 В. Список устройств и их потребляемая мощность приведены в табл. 1.

Для того чтобы система нормально работала, источник питания должен обеспечивать непрерывную подачу постоянного тока. Устройства, рабочее напряжение которых отличается от подаваемого, должны питаться от встроенных регуляторов напряжения. Например, рабочее напряжение 2,5 В для модулей памяти RIMM обеспечивается встроенным регулятором тока; процессоры подключаются к модулю стабилизатора напряжения (VRM), который обычно встраивается в системную плату.

Отрицательное напряжение

Хотя напряжения -5 и -12 В подаются на системную плату через разъемы питания, для ее работы нужен только 5-вольтный источник питания. Питание -5 В поступает на контакт B5 шины ISA, а на самой системной плате оно не используется. Это напряжение предназнача­лось для питания аналоговых схем в старых контроллерах накопителей на гибких дисках, по­этому оно и подведено к шине. В современных контроллерах напряжение -5 В не использует­ся; оно сохраняется лишь как часть стандарта шины ISA.Напряжения +12 и -12 В на системной плате также не используются, а соответствующие цепи подключены к контактам B9 и B7 шины ISA. К ним могут подсоединяться схемы любых плат адаптеров, но чаще всего подключаются передатчики и приемники последовательных портов. Если последовательные порты смонтированы на самой системной плате, то для их питания могут использоваться напряжения -12 и +12 В. В большинстве схем современных последовательных портов указанные напряжения не используются. Для их питания достаточно напряжения +5 В (или даже 3,3 В). Если в компью­тере установлены именно такие порты, значит, сигнал +12 В от блока питания не подается.

Напряжение +12 В предназначено в основном для питания двигателей дисковых накопи­телей. Источник питания по этой цепи должен обеспечивать большой выходной ток, особен­но в компьютерах с множеством отсеков для дисководов. Напряжение 12 В подается также на вентиляторы, которые, как правило, работают постоянно. Обычно двигатель вентилятора потребляет от 100 до 250 мА, но в новых компьютерах это значение ниже 100 мА. В боль­шинстве компьютеров вентиляторы работают от источника +12 В, но в портативных моделях для них используется напряжение +5 В (или даже 3,3 В).

14.2 Внутренняя проверка блока питания

Сигнал Power_Good Блок питания не только вырабатывает необходимое для работы узлов компьютера напряже­ние, но и приостанавливает функционирование системы до тех пор, пока величина этого напря­жения не достигнет значения, достаточного для нормальной работы. Иными словами, блок пи­тания не позволит компьютеру работать при “нештатном” уровне напряжения питания. В каждом блоке питания перед получением разрешения на запуск системы выполняется внутренняя проверка и тестирование выходного напряжения. После этого на системную пла­ту посылается специальный сигнал PowerGood (питание в норме). Если такой сигнал не по­ступил, компьютер работать не будет.Уровень напряжения сигнала Power Good — около +5 В (нормальной считается величина от +3 до +6 В). Он вырабатывается блоком

Рис. 1. Блок питания стандарта ATX

питания после выполнения внутренних проверок и выхода на номинальный режим и обычно появляется через 0,1-0,5 с после включения ком­пьютера. Сигнал подается на системную плату, где микросхемой тактового генератора фор­мируется сигнал начальной установки процессора.При отсутствии сигнала PowerGood микросхема тактового генератора постоянно подает на процессор сигнал сброса, не позволяя компьютеру работать при нештатном или неста­бильном напряжении питания. Когда PowerGood подается на генератор, сигнал сброса от­ключается и начинается выполнение программы, записанной по адресу: FFFF:0000 (обычно в ROM BIOS).Если выходные напряжения блока питания не соответствуют номинальным (например, при снижении напряжения в сети), сигнал PowerGood отключается и процессор автоматиче­ски перезапускается. При восстановлении выходных напряжений снова формируется сигнал PowerGood и компьютер начинает работать так, как будто его только что включили. Благо­даря быстрому отключению сигнала PowerGood компьютер “не замечает” неполадок в сис­теме питания, поскольку останавливает работу раньше, чем могут появиться ошибки четно­сти и другие проблемы, связанные с неустойчивостью напряжения питания.

              Рис. 2. Блок питания стандарта SFX с верхним расположением вентилятора

14.3   Разъемы        питания   системной  платы

Каждый блок питания содержит специальные соединители, подключаемые к соответствующим разъемам системной платы, подавая напряжение на центральный процессор, модули памяти и установленные платы расширения (ISA, PCI, AGP). Неправильное подключение разъемов может привести к весьма нежелательным последствиям, вплоть до сгорания блока питания и системной платы. Более подробно разъемы системной платы, используемые различными блоками питания, рассматриваются в следующих разделах.

Главный разъем питания ATX

Новый стандарт для разъемов блоков питания используется только в новой конструкции ATX (рис. 14.3): 20-контактный разъем, разводка которого приведена в табл. 14.1. Расположение выводов разъема питания лучше показывать со стороны проводов. Это позволит правильно сориентировать разъем соединителя при его подключении к разъему системной платы.

Рис. 14.3. Разъемы P8 и P9

Таблица 14.1. Разъемы блока питания AT/LPX

14.4   Разъемы  питания   периферийных  устройств

Кроме разъемов, предназначенных для подключения системной платы, блоки питания содержат ряд силовых разъемов для подключения различных периферийных устройств, начиная с дисковых накопителей и заканчивая внутренним вентилятором охлаждения.

Разъемы питания дисковых накопителей и периферийных устройств

Разъемы питания дисковых накопителей стандартизированы в соответствии с назначени-ем выводов и цветом проводов. Разъемы питания дисковых накопителей и периферийных устройств показаны на рис. 14.4.

Обратите внимание, что нумерация выводов и обозначение напряжений этих разъемов обратно противоположны. Будьте особенно осторожны, самостоятельно изготавливая кабельный адаптер или используя его для подключения разъемов разных типов. Перемена местами красных и желтых проводов может привести к повреждению подключенного дисковода или периферийного устройства.

Чтобы отыскать вывод 1, внимательно осмотрите разъем: обычно номер указан на пластмассовом корпусе,.

Контакт 1  +12 В (желтый) , контакт 2  Общий (черный)

Контакт 3 Общий (черный)

Контакт 4 +5 В   (красный)

Рис. 14.4. Разъемы питания дисковых накопителей и периферийных устройств
Кроме разъемов, предназначенных для подключения системной платы, блоки питания содержат ряд силовых разъемов для подключения различных периферийных устройств.

Рис. 14.6. Разъем кабеля питания для дискового накопителя

Рис. 14.7. Общий Y-образный кабельный адаптер

Рис. 14.8. Переходной кабельный адаптер (периферийное устрой-ство–накопитель на гибких дисках)

Разъемы питания дисковых накопителей и периферийных устройств

Разъемы питания дисковых накопителей стандартизированы в соответствии с назначени-ем выводов и цветом проводов. Разъемы питания дисковых накопителей и периферийных устройств показаны на рис. 14.4.

Схема расположения выводов силового разъема стандартного дисковода и его цветовая кодировка приведены в табл. 14.1. В табл. 14.2 представлена схема расположения выводов силового разъема накопителя на гибких дисках.

Обратите внимание, что нумерация выводов и обозначение напряжений этих разъемов обратно противоположны. Будьте особенно осторожны, самостоятельно изготавливая кабельный адаптер или используя его для подключения разъемов разных типов. Перемена местами красных и желтых проводов может привести к повреждению подключенного дисковода или периферийного устройства.

Чтобы отыскать вывод 1, внимательно осмотрите разъем: обычно номер указан на пластмассовом корпусе, но бывает настолько мал, что его трудно заметить.

Рис. 14.5. 20-контактный разъем блока питания конструкции ATX

* Необязательный сигнал.

Таблица 14.3. Схема расположения выводов разъема питания периферийных устройств (большой силовой разъем)

14.5    Мощность блоков питания

Большинство производителей компьютеров предоставляют техническую информацию о блоках питания. Ее можно найти в техническом руководстве, а также на этикетке, приклеенной к блоку. Если вы знаете название компании — производителя блока питания, обратитесь непосредственно к ней Большинство производителей выпускают серии устройств с различными выходными мощностями в диапазоне 100–450 Вт.Новые источники питания вырабатывают также напряжение +3,3 В. В табл. 14.6 приведены параметры различных источников питания ATX, которые вырабатывают напряжение +3,3 В.

14.6   Усовершенствованная система управления питанием

Стандарт усовершенствованной системы управления питанием (Advanced Power Manage­ment — APM) разработан компанией Intel совместно с Microsoft и определяет ряд интерфей­сов между аппаратными средствами управления питанием и операционной системой компью­тера. Полностью реализованный стандарт APM позволяет автоматически переключать ком­пьютер между пятью состояниями в зависимости от текущего состояния системы. Каждое последующее состояние в приведенном ниже списке характеризуется уменьшением потреб­ления энергии.

■ Full On. Система полностью включена.

■ APM Enabled. Система работает, некоторые устройства являются объектами управле­ния для системы управления питанием. Неиспользуемые устройства могут быть вы­ключены, может быть также остановлена или замедлена (т.е. снижена тактовая часто­та) работа тактового генератора центрального процессора.

■ APM Standby (резервный режим). Система не работает, большинство устройств нахо­дятся в состоянии потребления малой мощности. Работа тактового генератора цен­трального процессора может быть замедлена или остановлена, но необходимые пара­метры функционирования хранятся в памяти. Пользователь или операционная система могут запустить компьютер из этого состояния почти мгновенно.

■ APM Suspend (режим приостановки). Система не работает, большинство устройств пассивны. Тактовый генератор центрального процессора остановлен, а параметры функционирования хранятся на диске и при необходимости могут быть считаны в па­мять для восстановления работы системы. Чтобы запустить систему из этого состоя­ния, требуется некоторое время.

■ Off (система отключена). Система не работает. Источник питания выключен.

Для реализации режимов APM требуются аппаратные средства и программное обеспече­ние. Источниками питания ATX можно управлять с помощью сигнала PowerOn и факульта­тивного разъема питания с шестью контактами. (Необходимые для этого команды выдаются программой.) Изготовители также встраивают подобные устройства управления в другие элементы системы, например в системные платы, мониторы и дисководы.

Операционные системы (такие, как Windows 9x), которые поддерживают APM, при на­ступлении соответствующих событий запускают программы управления питанием, “наблюдая” за действиями пользователя и прикладных программ. Однако операционная сис­тема непосредственно не посылает сигналы управления питанием аппаратным средствам.

Система может иметь множество различных аппаратных устройств и программных функ­ций, используемых при выполнении функций APM. Чтобы разрешить проблему сопряжения этих средств в операционной системе и аппаратных средствах предусмотрен специальный абст­рактный уровень, который облегчает связь между различными элементами архитектуры APM.

При запуске операционной системы загружается программа — драйвер APM, который связывается с различными прикладными программами и программными функциями. Именно они запускают действия управления питанием, причем все аппаратные средства, совместимые с APM, связываются с системной BIOS. Драйвер APM и BIOS связаны напрямую; именно эту связь использует операционная система для управления режимами аппаратных средств.

Таким образом, чтобы функционировали средства APM, необходим стандарт, поддержи­ваемый схемами, встроенными в конкретные аппаратные устройства системы, системная BIOS и операционная система с драйвером APM. Если хотя бы один из этих компонентов от­сутствует, APM работать не будет.

14.7    Источник резервного питания (SPS)

SPS включается только тогда, когда исчезает или становится очень низким сетевое напряжение. В этом случае срабатывает соответствующий датчик, и к установленному в блоке преобразователю постоянного напряжения в переменное подключается аккумуляторная бата-рея. Начинает вырабатываться переменное напряжение, которое, в свою очередь, поступает на выход устройства вместо сетевого.

SPS в принципе работают неплохо, но в некоторых моделях переключение на резервное питание происходит недостаточно быстро. При этом компьютер может отключиться или перезагрузиться. Естественно, что такое “резервирование” мало кого устроит. В высококачественных SPS устанавливаются феррорезонансные стабилизаторы. Это довольно громоздкие устройства, позволяющие запасать некоторое количество энергии, используемой для питания компьютера во время переключения схемы.

В рассматриваемых блоках могут устанавливаться фильтры-стабилизаторы, но в дешевых моделях их, как правило, не бывает, и напряжение в нормальных условиях поступает на компьютер непосредственно из сети, без всякой фильтрации и стабилизации. В SPS с феррорезонансными стабилизаторами выходное напряжение поддерживается постоянным, к остальным же для большей надежности следует дополнительно подключать фильтр-стабилизатор. В зависимости от качества и выходной мощности, стоимость SPS колеблется от ста до нескольких тысяч долларов.

14.8   Источник бесперебойного питания (UPS)

Лучшим решением всех проблем, возникающих в цепях питания, является установка источника бесперебойного питания, который одновременно выполняет функции фильтра-стабилизатора и источника аварийного питания. В отличие от SPS, которые включаются периодически, источники бесперебойного питания работают постоянно, и напряжение на компьютер поступает только от них. Поскольку некоторые фирмы продают источники резервного питания SPS как UPS (так как они предназначены для одних целей), последние иногда называют “истинными источниками бесперебойного питания” (“True UPS”). Хотя схема и конструкция UPS во многом похожи на SPS, главное различие между ними заключается в том, что в настоящем UPS отсутствует переключатель — питание компьютера всегда осуществляется от аккумулятора.

В UPS постоянное напряжение 12 В от аккумуляторной батареи преобразуется в перемен­ное. В вашем распоряжении фактически будет свой автономный источник питания, не зави­сящий от электрической сети. От нее осуществляется только подзарядка аккумулятора, при­чем ток заряда либо равен потребляемому нагрузкой, либо несколько больше (при частично разряженной батарее).

Даже если напряжение в сети пропадает, UPS продолжает работать, поскольку при этом лишь прекращается процесс подзарядки батареи. Никаких переключений в схеме не происхо­дит, а потому не возникает даже кратковременных провалов питающего напряжения. Батарея в этом режиме, конечно, разряжается, и интенсивность разряда зависит от мощности, потреб­ляемой компьютером. Но практически в любом случае вы успеете спокойно завершить рабо­ту и подготовить компьютер к нормальному выключению питания. UPS функционирует не­прерывно, используя заряженный аккумулятор. После восстановления сетевого напряжения аккумулятор сразу, без дополнительных переключений, начинает подзаряжаться, и вы снова можете включить компьютер и спокойно работать.

14..9   Батареи  RTC/NVRAM

Все 16-разрядные или более современные системы имеют микросхему особого типа, в которой находятся часы реального времени (Real-Time Clock — RTC), а также хотя бы 64 байт (включая данные часов) энергонезависимого ОЗУ (Non-Volatile RAM — NVRAM). Эта микросхема официально называется микросхемой RTC/NVRAM, но обычно на нее ссылаются как на микросхему CMOS, или CMOS-память. Такие микросхемы потребляют питание от батарей и могут хранить информацию несколько лет.

Она содержит часы реального времени, оповещающие программу о текущем времени и дате, причем и время и дата будут представляться правильно даже при отключении системы.

Часть микросхемы, называемая NVRAM, имеет другие функции. Она предназначена для хранения данных о конфигурации системы, включая объем установленной памяти, типы накопителей на гибких и жестких дисках, а также другую подобную информацию. Некоторые новые системные платы для хранения данных о конфигурации имеют микросхемы расширения NVRAM объемом 2 Кбайт и более. Это особенно актуально для систем Plug and Play, конфигурация которых содержит параметры не только системной платы, но и установленных адаптеров. После включения питания эта информация может быть прочитана в любой момент.

Чтобы предотвратить стирание NVRAM и сбой часов в то время, когда система выключена, к этим микросхемам подводят питание от специальной батарейки. Чаще всего используется литиевая батарейка, поскольку она имеет довольно продолжительное время работы, особенно если питает микросхему RTC/ NVRAM, потребляющую мало энергии.

Самые современные высококачественные системы содержат новый тип микросхем, в которые встроена батарейка. При нормальных условиях срок службы таких батарей измеряется десятью годами, что намного превышает срок эксплуатации компьютера. Если в вашей системе используется один из таких блоков, то батарея и микросхема заменяются одновременно, поскольку они конструктивно объединены. В некоторых системах батареи вообще не применяются. Например, Hewlett-Packard использует специальный аккумулятор, который автоматически перезаряжается при каждом включении системы. Если система не включена, аккумулятор будет обеспечивать RTC/NVRAM энергией, необходимой для работы, на протяжении недели или дольше. Но если компьютер останется выключенным на более длительное время, данные, хранящиеся в NVRAM, будут потеряны. В таком случае система может перезагрузить NVRAM из архивной микросхемы ROM, установленной на системной плате. Единственная информация, которую можно потерять, — текущая дата и время, но ее можно ввести заново. При использовании аккумулятора в сочетании с архивом в ROM получается довольно надежная система, оснащенная всем необходимым для хранения информации.

Контрольные вопросы

1 Какую роль выполняют блоки питания в компьютерной системе?

2 Какие устройства используют положительное напряжение?

3 Какие устройства используют отрицательное  напряжение?

4 Описать внутреннюю проверку блока питания.

5 Описать  разъемы      питания   системной  платы.

Вместе с этой лекцией читают "4. Идентификация объектов управления".

6 Описать разъемы  питания   периферийных  устройств.

7 Описать разъемы дисковых накопителей.

8 Описать систему управления питанием.

9 Описать источник резервного питания.

10 Описать источник бесперебойного питания (UPS).

11 Для чего применяются  батареи  RTC/NVRAM?