نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه (PSU) رایانه‌های شخصی رده دسکتاپ

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه (PSU) رایانه‌های شخصی رده دسکتاپ


اگر به خاطر داشته باشید، در بخش پیشین مقاله “نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه (PSU) رایانه‌های شخصی رده دسکتاپ” به آشنایی با اهمیت بسیار فراوان قطعه فوق و نیاز به اختصاص اولویت ویژه به تهیه و خرید آن پرداختیم، حال به‌منظور تکمیل موضوع، ادامه مبحث را با بررسی بخش‌های مختلف سخت‌افزار حیاتی نامبرده به پیش می‌بریم (جهت مطالعه بخش اول نوشته به لینک زیر مراجعه فرمایید:)

“نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه (PSU) رایانه‌های شخصی رده دسکتاپ – بخش اول”

مرحله اصلاح ضریب قدرت فعال (Active PFC)

پیش از پرداختن به مبحث نحوه عملکرد مرحله APFC، کسب اطلاعات بیشتر در مورد مفهوم ضریب قدرت یا همان Power Factor لازم و ضروری به شمار می‌رود

ضریب قدرت در حالت کلی نمایانگر نسبت توان واقعی منابع تامین انرژی به توان ظاهری آن‌ها می‌باشد که با واحد کیلو وات (kW) یا کیلو ولت-آمپر مورد سنجش قرار می‌گیرد. همانطور که مستحضر هستید توان از محصول نهایی ولتاژ ضرب در مقدار جریان یا به عبارتی دیگر P/W = V x I به‌دست می‌آید.

بار موجود در منابع تغذیه و سیستم‌های تامین توان بر پایه دو نوع بار مقاومتی (Resistive) و واکنشی (Reactive) طبقه‌بندی می‌گردند که مورد اول با توجه به عنوان آن تنها از مقاومت‌ها و مورد دوم نیز از المان‌های ذخیره‌ساز انرژی نظیر سلف‌ها، خازن‌ها و یا هر دو نشأت می‌گیرد.

سیستم‌هایی که بار آنها، صرفه‌نظر از مقاومتی یا واکنشی بودن آن دارای حالت خطی است، منحنی‌های نموداری جریان و ولتاژ آنها به شکل سینوسی قابل مشاهده می‌باشند.

اگر میزان بار موجود به‌صورت کاملاً مقاومتی حاضر باشد، موج‌های ولتاژ و جریان دائماً به شکل معکوس در یک زمان قطب‌های خود را تغییر داده و این بدان معنی است که در هر لحظه، محصول نهایی ولتاژ و جریان نسبت به یکدیگر دربردارنده مقداری مثبت می‌باشد؛ علاوه بر آن عدم تغییر جهت جریان نیز نمایانگر انتقال فقط انرژی واقعی به میزان بار مربوطه است.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

در مواقعی که بار موجود به‌صورت کاملاً واکنشی حاضر می‌باشد، نوعی حالت تغییر زمانی در فیمابین ولتاژ و جریان تشکیل می‌گردد که محصول این مهم برخلاف بار مقاومتی نمایانگر مقدار مثبت نیمی از موج‌های ولتاژ و جریان و منفی بودن نیمه دیگر آنها در یک سیکل کامل است، لذا میزان انرژی متوسط ورودی به بار با مقدار انرژی بارگردانده شده به منبع کاملاً برابر بوده و کل انرژی واقعی به بار منتقل نمی‌شود. اگر مرحله فعلی را با دقت بیشتری مورد بررسی قرار دهیم، در میابیم که هیچ نوع انرژی به‌صورت خالص وجود ندارد، زیرا انتقال انرژی خالص به سمت بار از وجود خارجی برخوردار نبوده و انرژی موجود تنها به شکل واکنشی حاضر می‌باشد.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

اگرچه توضیحات فوق تنها سناریوهای تئوری را نمایانگر است، تمامی المان‌های معمول الکتریکی نظیر خازن‌ها، سلف‌ها، مقاومت‌ها و … در دنیای واقعی و کارکرد حقیقی از خود مقاومت نشان می‌دهند که این مهم منجر به عبور هر دو نوع بار مقاومتی و واکنشی از درون آنها می‌شود (برخلاف عبور تنها یک نوع بار).

همانطور که پیشتر نیز اشاره شد، پارامتر ضریب قدرت برابر با نسبت توان واقعی به توان ظاهری است که مقدار آن در حالت ایده آل باید نزدیک به 1 باشد؛ در این حالت میزان مبلغ پرداختی از جانب شخص خریدار تنها صرف توان واقعی (وات) شده و هیچ هزینه‌ای بابت توان یا همان قدرت ظاهری از وی دریافت نمی‌گردد، هرچند که این مهم از جانب تمامی کارخانه‌های سازنده منابع تغذیه رعایت نشده و برخی با عدم رعایت قانون فوق، مبالغ اضافه‌ای را از مصرف کنندگان دریافت می‌کنند که از منظر اخلاقی و حق الناس به هیچ عنوان صحیح نیست.

اگرچه بسیاری از کمپانی‌های قدرتمند طراحی و ساخت منابع تغذیه با رعایت مقدار واقعی ضریب قدرت از دریافت هزینه‌های اضافی از خریداران خود جلوگیری به عمل می‌آورند، اما الزام سازندگان به انطباق و رعایت مفاد استاندارد EU در ساخت محصولات، درصد سوء استفاده و کسب هزینه‌های بیشتر را به حداقل ممکن کاهش داده است. استاندارد فوق در حالت کلی بیان می‌دارد که تمامی منابع تغذیه حالت سوچینگی که توان خروجی آنها بیش از 75 وات می‌باشد باید بر طبق تکنیک Passive PFC توسعه یافته باشند. علاوه بر آن اعطای گواهی‌نامه 80 Plus به منابع تغذیه نیز نیازمند مقدار ضریب قدرت برابر با 0.9 و یا اندکی بیشتر می‌باشد.

در سال‌های گذشته، بسیاری از کمپانی‌های فعال در صنعت طراحی و توسعه منابع تغذیه از قابلیت “اصلاح ضریب قدرت غیر فعال” یا به‌عبارتی دیگر Passive PFC در محصولات خود استفاده می‌نموده‌اند. تکنیک فوق در حالت کلی دارای فیلتری است که فقط به فرکانس‌های 50 یا 60 هرتز (فرکانس معمول برق شهر در بسیاری از کشورها و مناطق مختلف) اجازه عبور می‌دهد. این مهم خود در کاهش جریان‌های هارمونیک (دارای توازن) و تبدیل بار غیر خطی به خطی و نزدیک شدن مقدار ضریب قدرت به یک میزان واحد به کمک خازن‌ها و سلف‌ها تاثیرات بسیار فراوانی را سبب می‌گردد.

از جمله اصلی‌ترین نقاط ضعف تکنیک PPFC می‌توان به ضریب قدرت کمتر نسبت به منابع مبتنی بر تکنیک “اصلاح ضریب قدرت فعال” یا Active PFC اشاره کرد. علاوه بر آن وجود یک المان دوبرابر کننده ولتاژ (ولتاژ دوبلر) به‌منظور تبدیل جریان‌های متناوب موجود در محدوده بین 115 تا 230 ولت نیز در کاهش میزان کارآمدی تکنیک فوق تاثیرگذار است، اما درصد راندمان بیشتر منابع تغذیه مبتنی بر تکنیک PPFC در مقایسه با نمونه‌های مشابه تکنیک سمت مقابل خود در قالب ویژگی‌های مثبت دسته‌بندی می‌گردد.

تکنیک Active PFC در واقع یک مبدل جریان‌های متناوب به مستقیم است که با استفاده از سیگنال‌های مدولاسیون پهنای پالس (PWM) به کنترل میزان جریان وارده به منبع تغذیه می‌پردازد. هنگامی که ولتاژ یا جریان متناوب برق شهر توسط Bridge Rectifier یکسو و مؤلفه بخش منفی آن حذف شد، ماسفت‌های APFC که تعداد آنها معمولاً دو عدد است بوسیله یک سیگنال PWM شروع به کار کرده و جریان مستقیم متوسط را به توالی ثابتی از پالس‌های مختلف جداسازی می‌نماید. حال ساختار پالس‌های موجود توسط خازن‌های روان کننده از هرگونه نویز و اغتشاش پالایش و جریان‌هایی صاف و روان برای تغذیه به سویچ اصلی فرستاده می‌شوند.

پیش از خازن‌های روان کننده، تمامی منابع تغذیه از یک سلف و یا سیم‌پیچ ویژه‌ با بهره‌مندی از جزء واکنشی و توانایی جلوگیری از افزایش ناگهانی جریان بدون اتلاف انرژی نیز برخوردار می‌باشند. وجود سیم‌پیچ فوق بسیار لازم و ضروری به شمار می‌رود، زیرا تمامی خازن‌هایی که به‌صورت مستقیم با سیگنال (جریان) DC در اتصال هستند از جریان‌های هجومی کنترل نشده‌ای برخوردارند که با عنایت وجود المان مذکور، مقدار جریان‌های نامبرده تولیدی توسط خازن و یا عبوری از درون آنها کنترل و خنثی می‌شود. علاوه بر آن حضور یک مقاومت گرمایی (ترمیستور) مبتنی بر تکنیک APFC در اطراف سلف به‌منظور محدود نمودن جریان‌هایی که سیم‌پیچ موفق به خنثی‌سازی آنها نشده است نیز در برخی از منابع تغذیه به چشم می‌خورد.

تکنیک Active PFC معمولاً بر پایه دو حالت “هدایت ناپیوسته” و “هدایت پیوسته” مورد کنترل قرار می‌گیرد. نحوه عملکرد روش اول که به اختصار تحت عنوان DCM شناخته می‌شود به‌گونه‌ای است که ماسفت‌های اصلاح ضریب قدرت تنها هنگامی فعال می‌شوند که خازن‌های جریان کاملاً خالی از انرژی گردند، اما روش فعالیت در حالت دوم (اختصاراً تحت عنوان CCM شناخته می‌شود) به این شکل نبوده و ماسفت‌ها حتی زمانی که خازن‌ها هنوز کاملاً خالی از جریان نگشته‌اند نیز روشن و در نتیجه کل انرژی بازیابی معکوس موجود در خازن‌ها توسط ماسفت‌های مربوطه به‌صورت کامل از بین می‌رود.

اغلب منابع تغذیه نوین و امروزی در مرحله APFC خود از روش دوم استفاده می‌نمایند، زیرا این مهم برای توان‌های خروجی بیشتر از 200 وات کاملاً مناسب و ایده آل به شمار می‌رود. از جمله اصلی‌ترین نقاط ضعف حالت هدایت پیوسته می‌توان به اتلاف انرژی بیشتر و تولید امواج الکترومغناطیسی اشاره کرد.

سویچ‌های اصلی – مبدل (Main Switches – Transformer)

سویچ‌ها یا به عبارتی دیگر ماسفت‌های اصلی منابع تغذیه تنها در دو حالت خاموش (کاملاً غیر رسانا) و روشن (کاملاً رسانا) به فعالیت پرداخته و جریان مستقیم خروجی از خازن‌های روان کننده را با استفاده از فرکانس‌های قدرتمند تولیدی توسط خود تکه تکه می‌نمایند. علاوه بر آن فعالیت این دسته از سویچ‌ها توسط رگلاتورهای تغییر ولتاژ (Switching Regulators) مورد کنترل قرار می‌گیرد. در نهایت پس از قطعه قطعه نمودن سیگنال مربوطه، جریان مستقیم DC مجدداً به جریان متناوب AC با برخورداری از شکل موج مستطیلی تبدیل و برای تغذیه به مبدل فرستاده می‌شود.

در مرحله ثانویه، جریان اختلاف پتانسیل مربوطه با کاهش همراه و برای بهسازی بیشتر به دومین المان یکسوکننده جهت تولید تمامی ولتاژ‌های معمول مورد نیاز سخت‌افزارهای رایانه‌ای نظیر 12 ولت، 5 ولت، 3.3 ولت، منفی 12 ولت و … ارسال می‌گردد.

میزان ولتاژ عبوری از درون سویچ‌های اشاره شده به‌صورت تئوری در هنگام روشن بودن آنها برابر صفر بوده و این مهم در هنگام خاموش بودن آنها به ماهیت ولتاژ تغییر وضعیت می‌دهد (میزان ولتاژ عبوری از درون سویچ‌ها در هنگام خاموش بودن آنها برابر با صفر است)، بر همین اساس از آنجایی که واحد توان از ضرب میزان اختلاف پتانسیل موجود در جریان بدست می‌آید، لذا محصول ولتاژ و جریان بر طبق توضیحات فوق همیشه برابر با مقدار صفر بوده و هیچ‌گونه اتلاف انرژی در درون سویچ‌ها شکل نمی‌گیرد؛ اما این مهم همانطور که پیشتر نیز اشاره شد تنها در حالت تئوری برقرار و شرایط حقیقی به هیچ عنوان از آن پیروی نمی‌کند، زیرا بازه زمانی موجود در طی فرآیند سویچینگ یا به عبارتی دیگر تغییر وضعیت ماسفت‌ها از حالت خاموش به روشن و بالعکس، هرچند کوچک خود در اتلاف انرژی تاثیرگذار است.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

هنگامی که یک سویچ (ماسفت یا ترانزیستور) به تغییر وضعیت خود از حالت خاموش به روشن مبادرت می‌ورزد، بازه زمانی موجود در فیمابین عملیات در جلوگیری از صفر شدن مقدار ولتاژ و جریان تاثیرگذار بوده و این مورد علاوه بر اتلاف انرژی، به عنوان عاملی در افزایش حرارت نیز مزید بر علت می‌گردد، بنابراین وجود سیستم خنک کننده و صفحات جاذب گرما (هیت‌سینک) به‌منظور کاهش میزان دمای تولیدی توسط المان‌های الکتریکی، به‌خصوص سویچ‌ها در منابع تغذیه بسیار لازم و ضروری به شمار می‌رود. این مهم وزن سنگین برخی از منابع تغذیه که علت اصلی آن به تعداد فراوان هیت‌سینک‌های موجود و نیاز به فن خنک کننده بازگردانی می‌گردد را توجیه می‌نماید.

یکسوسازهای خروجی و فیلترها (Output Rectifiers & Filters)

نقش المان‌های یکسو کننده و فیلترهای خروجی، همانطور که از عنوان آنها نیز پیدا است تبدیل جریان متناوب AC به جریان مستقیم DC با استفاده از تکنیک یکسوسازی سیگنال و پالایش امواج فرکانس بالای تولیدی توسط سویچ‌ها (ماسفت‌ها) می‌باشد. جریان مربوطه پس از عبور از مراحل فوق به‌منظور تغذیه به دومین مبدل یا به عبارتی دیگر ترانسفورماتور اصلی فرستاده می‌شود.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

مرحله فعلی در حالت کلی دربردارنده دو نوع یکسوکننده غیرفعال (Passive) و همگام (Synchronous) می‌باشد. در حالت اول، یکسوسازهای “شاتکی” یا به عبارتی دیگر SBRها مورد استفاده قرار می‌گیرند، در حالی که وظیفه این مهم در حالت دوم برعهده ماسفت‌ها واگذار می‌شود. همانطور که مستحضر هستید بخش عظیمی از منابع تغذیه نوین و امروزی از شکل یکسوسازی همگام به‌منظور تبدیل جریان استفاده می‌کنند، زیرا افزایش میزان راندمان کاری در نتیجه حذف افت ولتاژ‌های تولیدی توسط دیودهای شاتکی عاملی بسیار ایده آل و مطلوب به شمار می‌رود.

جهت درک بهتر موضوع فرض کنید که مقدار افت ولتاژ در دیودهای شاتکی SBR برابر با 0.5 ولت است، حال تولید 40 آمپر بر طبق معادله بسیار ساده 40×0.5=20 نمایانگر میزان توانی برابر با 20 وات می‌باشد، در حالی که مقدار این مهم در صورت استفاده از ماسفت‌ها، با فرض میزان افت ولتاژ 3 هزارم ولت برابر با 4.8 وات (40x40x0.003) می‌باشد که خود نشانگر 15.2 وات انرژی کمتر و افزایش 24 درصدی راندمان است.

علاوه بر دو نوع یکسوساز معرفی شده در پاراگراف‌های فوق، استفاده از نوعی تکنیک ثانویه تحت عنوان “نیمه همگام” متشکل از دیودهای شاتکی SBR و ماسفت‌های معمول در پیکربندی برخی از منابع تغذیه نیز به چشم می‌خورد.

تولید ولتاژهای خروجی بسیار حیاتی منابع تغذیه نظیر ریل‌های مثبت 12 ولت، مثبت 5 ولت و مثبت 3.3 ولت مستقیماً توسط ماسفت‌ها و سویچ‌های اصلی صورت می‌پذیرد، در حالی که اهمیت این مهم در ریل منفی 12 ولت (12V-) کاسته و وظیفه آن بر دوش تنها یک دیود معمولی واگذار شده است. میزان جریان خروجی ریل نامبرده بسیار اندک و اغلب کمتر از 1 آمپر می‌باشد، لذا اتصال مستقیم بسیاری از سخت‌افزارهای داخلی رایانه‌های شخصی به آن عملاً غیر ممکن بوده و بهسازی خروجی آن نیز از اولویت برخوردار نمی‌باشد.

تولید ولتاژ خروجی ریل 5VSB+ توسط یک مدار کاملاً مستقل و مبدل جداگانه صورت می‌پذیرد، زیرا اهمیت بسیار فراوان آن در اختصاص اولویت‌های ویژه بسیار تاثیرگذار می‌باشد. ریل مذکور به‌منظور تغذیه حافظه اصلی و برخی دیگر از سخت‌افزارهای فرار رایانه پیوسته روشن و در حال فعالیت است، حتی هنگامی که  منبع تغذیه خاموش و رایانه در وضعیت آماده به‌کار قرار دارد (عبارت SB در عنوان ریل فوق از کوتاه شده عبارت Stand-By تشکیل شده است).

فرآیند تولید و پالایش ولتاژهای خروجی ریل‌های اصلی نظیر ریل مثبت 12 ولت، مثبت 5 ولت و مثبت 3.3 ولت توسط سه رگلاتور جداگانه تحت عناوین رگلاتور گروهی، رگلاتور مستقل و تبدیلات جریان مستقیم به جریان مستقیم (DC-DC) انجام می‌پذیرد که در ادامه به بررسی نحوه عملکرد آن می‌پردازیم.

رگلاتورهای گروهی اغلب در منابع تغذیه برخوردار از میزان توان خروجی پایین و ارزان قیمت مورد استفاده قرار می‌گیرند. از جمله ساده‌ترین روش‌های تشخیص این مهم شمردن تعداد سیم‌پیچ‌های موجود در بخش ثانویه منبع تغذیه می‌باشد. وجود تعداد تنها دو سیم‌پیچ نمایانگر استفاده از رگلاتور گروهی توسط محصول مربوطه است. در این حالت سیم‌پیچ بزرگتر برای تولید ولتاژهای خروجی 12 و 5 ولت و سلف (سیم‌پیچ) کوچکتر نیز در فراهم آوردن اختلاف پتانسیل 3.3 ولت به ایفای نقش می‌پردازند.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

در طراحی و نحوه عملکرد رگلاتور نامبرده، ولتاژها 12 و 5 ولت در آن واحد و در یک زمان تولید و مشکلات موجود در اختلاف پتانسیل نظیر نویزها، اغتشاشات و … توسط کنترلر برطرف می‌گردند. این خود بدان معنی است که اگر به هر دلیلی میزان بار موجود در فیمابین دو ریل از حالت تعادل خارج گردد، کنترل این مهم برای رگلاتور بسیار مشکل خواهد شد. به عنوان مثال در صورتی که مقدار ولتاژ ریل 5 ولت به علتی کمتر شود (به عنوان مثال 4 ولت)، کنترلر رگلاتور در جهت جبران کاستی بوجود آمده اقدام به افزایش اختلاف پتانسیل خروجی می‌نماید، از آنجایی که دو ریل فوق به یکدیگر متصل هستند، لذا خروجی ریل 12 ولت که ممکن است از میزان متعادل و مطلوب خود بهره ببرد نیز افزایش و به سمت عدم تعادل حرکت می‌کند؛ علاوه بر آن عکس این مهم نیز کاملاً از صحت برخوردار است.

اکنون با توجه به توضیحات پاراگراف فوق، بسیاری از منابع تغذیه مبتنی بر رگلاتورهای گروهی در سپری نمودن آزمون‌های کراس‌لود در محدوده افزایش یا کاهش بار تا میزان 5 درصد از مشکلات عدیده و عمده‌ای رنج برده و اغلب موفق به پیمودن آن نمی‌شوند. همانطور که پیشتر نیز اشاره شد، ولتاژ خروجی ریل 3.3 ولت نیز با استفاده از تقویت کننده مغناطیسی فرا رگلاتور از طریق اختلاف پتانسیل‌های 12 و یا 5 ولت تولید و در دسترس دیگر سخت‌افزارهای موجود قرار می‌گیرد.

رگلاتورهای مستقل اغلب در منابع تغذیه برخوردار از میزان توان خروجی بالا و رده گران قیمت مورد استفاده قرار می‌گیرند. تمامی ریل‌های خروجی منبع تغذیه در طراحی تنظیم کننده فوق از مدارهای مستقل به خود برخوردار و بروز ناهنجاری در ولتاژ یک ریل در برهم خوردن تعادل بار دیگر خروجی‌های موجود تاثیرگذار نمی‌باشد. ولتاژ خروجی ریل 12 ولت در ساختار رگلاتور فوق توسط کنترل‌گر اصلی و ولتاژهای 5 و 3.3 ولت نیز توسط المان تقویت کننده مغناطیسی فرا رگلاتور مورد تولید قرار می‌گیرند.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

منابع تغذیه مبتنی بر رگلاتورهای مستقل از تعداد سیم‌پیچ‌های حلقوی موجود در مدار چاپی قابل شناسایی می‌باشند. وجود تعداد سه سیم‌پیچ (هر سلف اشاره به ریل مستقل مربوط به خود را دارد) نمایانگر تنظیم کننده نامبرده است.

بسیاری از منابع تغذیه موجود در بازار از روش تبدیلات جریان مستقیم به مستقیم (DC-DC) به‌منظور تولید ولتاژهای خروجی ریل‌های اصلی خود بهره می‌جویند که روند انجام آن توسط مبدل‌های باک گام رو به پایین (Step-Down) و یا ماژول‌های رگلاتور ولتاژ (VRM) انجام می‌پذیرد. در این دسته از منابع تغذیه، اختلاف پتانسیل خروجی ریل‌های 5+ و 3.3+ ولت به‌صورت کاملاً مستقیم از از ریل مثبت 12 ولت مورد تولید قرار می‌گیرند که این مهم خود به عنوان عاملی در افزایش میزان بهره‌وری محصول در آزمایشات کراس‌لود تاثیرگذار می‌باشد. علاوه بر آن ذکر این نکته نیز ضروری است که منابع تغذیه مبتنی بر روش تبدیل فوق در حقیقت به‌نوعی همانند محصولات دربردارنده رگلاتور مستقل عمل می‌کنند که پیشتر به ارائه توضیحات آن پرداختیم.

پیش از پرداختن به ادامه موضوع، ذکر این نکته نیز ضروری است که چوک‌های حلقوی قابل مشاهده پس از پل‌های یکسوکننده در ساختار مدار چاپی منابع تغذیه علاوه بر یکسوسازی و تبدیل جریان ورودی، در فرآیندهای پالایش و تصفیه انرژی نیز ایفای نقش می‌نمایند.

پست های مرتبط

دیدگاه خود را بنویسید