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 آموزشی “نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه (PSU) رایانه‌های شخصی رده دسکتاپ” با ارائه توضیحاتی در مورد مراحل اصلاح ضریب قدرت و سویچ‌های اصلی به آشنایی با نحوه چگونگی تبدیل جریان متناوب برق شهر به جریان مستقیم مورد نیاز سخت‌افزارهای کامپیوتری پرداختیم. اکنون در نوشته فعلی با پرداختن به مبحث المان کنترل‌گر PWM و محافظ‌های امنیتی موجود در ساختار منابع تغذیه مهر اتمام را بر جبین مطلب اطلاق می‌داریم.

کنترلرگر مدولاسیون پهنای پالس – جداسازنده (PWM Controller – Isolator)

هدف اصلی المان کنترل‌گر مدولاسیون پهنای پالس حفظ اختلاف پتانسیل خروجی و کنترل میزان انرژی و ولتاژ اعمالی به سیستم در حالت لود یا به عبارتی دیگر سربار پردازشی شدید می‌باشد. کنترلر عمل اشاره شده را معمولاً با تنظیم چرخه فعالیت سویچ‌های اصلی در بین محدوده 0 تا 100 درصد به انجام می‌رساند، هرچند که مقدار حقیقی این مهم در حالت اصلی از بازه فوق کمتر می‌باشد. جهت درک بهتر موضوع به‌طور کلی می‌توان این گونه بیان داشت که اختلاف پتانسیل یا همان ولتاژ خروجی از محصول ولتاژ ورودی ضرب در محدوده تنظیمی چرخه کار توسط المان کنترلگر نامبرده به‌دست می‌آید که با استفاده از معادله بسیار ساده V(out)=V(in) x Duty Cycle قابل بیان است.

المان کنترلرگر مدولاسیون پهنای پالس با استفاده از یک ولتاژ مرجع کاملاً دقیق و منطبق با مقدار اختلاف پتانسیل منبع تغذیه در حالت بیکار به مقایسه ولتاژ خروجی مبادرت می‌ورزد. علاوه بر آن وجود یک بخش تقویت کننده خطا در بطن مدار مجتمع کنترلر PWM که به مقایسه و تصحیح خطای موجود در صورت عدم تعادل دو ولتاژ خروجی و مرجع اشاره شده با استفاده از یک میزان اختلاف پتانسیل بالا می‌پردازد نیز به چشم می‌خورد؛ بر همین اساس یک مبدل تبدیل خطای ولتاژ به عرض پالس، دوره زمانی چرخه کار سویچ‌های اصلی را با عنایت به درصد خطای ارسالی از سمت تقویت‌کننده نامبرده تنظیم و بر این مهم نظارت می‌نماید. بازخورد یا به عبارتی دیگر فیدبک ولتاژ خروجی‌های جریان مستقیم به‌منظور ارسال به بخش تقویت‌کننده خطای موجود در بطن تراشه مدولاسیون پهنای پالس باید ایزوله و مؤلفه‌های تولید نویز و اغتشاشات از ساختار آن منفرد گشته باشند.

همانطور که مستحضر هستید تعداد ولتاژهای ایزوله شده در مبحث الکترونیک و المان‌های الکتریکی به دو دسته مغناطیسی و نوری طبقه‌بندی می‌گردند. ولتاژهای نوری یا به عبارتی دیگر بصری در حالت کلی توسط تراشه‌هایی تحت عنوان “جداساز نوری (Optoisolator)” مورد تولید قرار می‌گیرند، در حالی که وظیفه خطیر انجام این مهم در حالت مغناطیسی بر عهده مبدل‌های ایزوله گذارده شده است، لذا وجود تفاوت در نحوه عملکرد دو روش فوق با یکدیگر کاملاً بدیهی می‌باشد.

منبع تغذیه

بررسی محافظ‌های مختلف موجود در ساختار منابع تغذیه

در این بخش از نوشته به بررسی برخی از مهمترین و اساسی‌ترین محافظ‌های امنیتی موجود در ساختار بسیاری از منابع تغذیه به‌منظور جلوگیری از بروز مشکلات مختلف می‌پردازیم. این مهم در محصولات رده ارزان قیمت تنها محدوده به الزامات استاندارد ATX نظیر OCP، SCP و OVP می‌باشد، در حالی که گستردگی آنها در منابع گران قیمت و رده اورکلاک از فزونی فراتری برخوردار است.

محافظ توان خوب (Power Good (PWR_OK))

بر طبق استاندارد ATX، سیگنال Power Good یا PWR_OK به‌منظور نظارت بر ولتاژ خروجی ریل‌های اصلی منابع تغذیه در آستانه تنظیمات پیشفرض و تشخیص این مهم مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر آن اطمینان از ذخیره میزان انرژی کافی در مبدل‌های منبع جهت تامین نیازمندی‌های سخت‌افزارهای رایانه‌ای هنگام خروج از وضعیت بیکار و تحت سربارهای شدید پردازشی (مانند اجرای بازی‌های سه بعدی و …) و همچنین عدم خاموشی ناگهانی سیستم در صورت قطع برق از جمله وضایف پارامتر محافظتی فوق به شمار می‌رود. مقدار پیشفرض محافظ PWR_OK بر اساس استاندارد نامبرده باید کمتر از 500 میلی‌ثانیه باشد.

منبع تغذیه

محافظ جلوگیری از افزایش جریان (Over Current Protection یا OCP)

نوعی محافظ که حضور آن بلا استثنا در تمامی منابع تغذیه رده ارزان تا گران قیمت به چشم خورده و در زمینه جلوگیری از افزایش بیش از اندازه میزان جریان خروجی ریل‌های اصلی به فراتر از محدوده خطر ایفای نقش می‌نماید. بر طبق ویرایش 2.2 استاندارد ATX، پارامتر محافظتی فوق در صورت افزایش مقدار بار هر یک از ریل‌های منبع تغذیه به بیش از 240VA (ولت – آمپر) و یا برابر با آن فعال و از فزونی بیشتر بار جلوگیری به عمل می‌آورد، هرچند که مقدار پیشفرض فوق در نسخه 2.31 استاندارد نامبرده حذف شده است.

حذف مقدار پیشفرض اشاره شده از نسخه 2.31 استاندارد ATX به دلیل ایجاد محدودیت‌های هنگفت برای توسعه دهندگان در هنگام افزایش توان خروجی منابع تغذیه صورت پذیرفته است. پیش از این مهم، بسیاری از کمپانی‌های فعال در زمینه طراحی و تولید محصولات مذکور به‌منظور فایق آمدن بر مشکل اشاره شده اقدام به تعبیه‌سازی تعدادی ریل مجازی (به عنوان مثال چهار ریل +12 ولت) در محصولات خود می‌نموده‌اند که میزان بار پیشفرض خروجی برای هرکدام از آنها برابر با 240 ولت – آمپر می‌باشد. در این صورت محافظ امنیتی OCP از ایجاد محدودیت در هنگام افزایش سربار انرژی با عنایت به ترکیب مجموع بارهای گذرنده از مقاومت‌های شانت موجود در مسیر هر ریل و کسب میزان باری بیشتر از مقدار اشاره شده (متناسب با تعداد ریل‌های مجازی) در منابع تغذیه برخوردار از توان خروجی بالا جلوگیری به عمل می‌آورد.

پیاده‌سازی پارامتر محافظتی افزایش جریان در منابع تغذیه در حالت کلی نیازمند دو قطعه اساسی از قرار زیر می‌باشد:

یک تراشه مجتمع محافظ با قابلیت پشتیبانی از پارامتر OCP

مقاومت‌های شانت

آگاهی از تعداد ریل‌های مجازی منابع تغذیه با شمارش تعداد مقاومت‌ها شانت موجود در محدوده ریل منتسب به ولتاژ +12 ولت امکانپذیر می‌باشد.

محافظ‌های جلوگیری از افزایش یا کاهش ولتاژ (Over/Under Voltage Protection یا OVP/UVP)

وظیفه اساسی محافظ‌های فوق، همانطور که از عنوان آنها نیز می‌توان استنباط کرد نظارت بر میزان ولتاژ هر یک از ریل‌های اصلی و جلوگیری از بروز صدمات جدی به دیگر سخت‌افزاری رایانه‌ای در صورت افزایش یا کاهش خروجی‌های آنها از محدوده خطر می‌باشد. تمامی منابع تغذیه مبتنی بر ویرایش 2.31 استاندارد ATX، علاوه بر المان کنترل‌گر مدولاسیون پهنای پالس به‌منظور نظارت بر فرآیند تشکیل ولتاژهای مستقیم به‌صورت کاملاً منظم، باید از محافظ‌های فوق جهت افزایش درصد ایمنی محصولات نیز برخوردار باشند. ولتاژ خروجی ریل‌های اصلی بر طبق استاندارد نامبرده از سه مقدار متفاوت تحت برچسب‌های Minimum ،Nominal و Maximum از قرار جدول زیر برخوردار می‌باشند:

(تغییر ولتاژ هر یک از ریل‌های اصلی منابع تغذیه، مادامیکه که خروجی آنها بر طبق محدودیت جدول فوق تنظیم گشته باشند توسط کمپانی‌های سازنده محصولات میسر است.)

منبع تغذیه

محافظ جلوگیری از افزایش توان (Over Power Protection یا OPP)

محافظ نامبرده با توجه به عنوان خود به‌منظور جلوگیری از آسیب‌های بسیار جدی به منبع تغذیه و دیگر سخت‌افزارهای موجود در بطن چهارچوب کیس در هنگام نیاز سیستم به میزان انرژی بیشتر و افزایش شدید میزان بار خروجی منبع وارد عمل می‌گردد. از جمله موارد ایفای نقش پارامتر نامبرده می‌توان به استفاده از منابع تغذیه ضعیف در پیکربندی رایانه‌های شخصی نیازمند توان بالا اشاره کرد (به عنوان مثال استفاده از یک منبع تغذیه با خروجی 500 وات در ساختار کامپیوتری که نیازمند 650 وات انرژی می‌باشد).

بسیاری از کمپانی‌های فعال در زمینه طراحی و ساخت منابع تغذیه میزان خروجی محصولات خود را به‌منظور جلوگیری از بروز برخی از مشکلات اندکی فراتر از مقدار توان درج شده در مشخصات در نظر می‌گیرند، بر همین اساس محافظ OPP اغلب در بازه‌های بیشتر از 50 تا 100 وات فعال و به ایفای نقش خود می‌پردازد. وجود محافظ جلوگیری از افزایش جریان در منابع تغذیه برخوردار از تعداد یک ریل +12 ولت با عنایت به حذف مقدار محدودیت پیشتر اشاره شده از استاندار  ATX در عمل بی‌معنی جلوه کرده و اهمیت موضوع با شدت فراوانی به سمت پروتکشن OPP متمایل می‌گردد (هرچند که وجود محافظ OCP به عنوان یک الزام در طراحی منابع تغذیه ضروری می‌باشد).

محافظ جلوگیری از افزایش حرارت (Over Temperature Protection یا OTP)

منابع تغذیه برخوردار از پارامتر محافظتی نامبرده اغلب یک ترمیستور را در قسمت سینک‌های ثانویه جاذب حرارت خود میزبان دارند. مقاومت نامبرده مدارهای محافظتی موجود در ساختار منبع تغذیه را از میزان گرمای لحظه‌ای هیت‌سینک‌ها آگاه و در صورت فزونی آن از محدوده از پیش تعیین شده، دستور توقف فعالیت را به منبع اعلام می‌دارد. افزایش حرارت منابع تغذیه اغلب به دلیل دریافت خروجی بیشتر از توان و یا نقص در سیستم خنک کننده (عدم چرخش فن) رخ می‌دهد.

محافظ جلوگیری از اتصال کوتاه (Short Circuit Protection یا SCP)

محافظ نامبرده به منظور جلوگیری از بروز مشکلات بسیار جدی نظیر آتش‌سوزی و …، ولتاژهای خروجی ریل‌های اصلی را تحت نظارت خود گرفته و در صورت احتمال تداخل آنها با یکدیگر و بروز اتصال کوتاه، بلافاصله از فعالیت منبع تغذیه جلوگیری به عمل آورده و آن را خاموش می‌کند. پروتکشن امنیتی معرفی شده در زمینه افزایش ضریب ایمنی رایانه شخصی و سخت‌افزارهای کامپیوتری تاثیرات بسیار فراوانی را به خود اختصاص می‌دهد که وجود آن در برخی از محصولات رده ارزان قیمت ممکن است مشاهده نگردد.

حال که با سخت‌افزار منبع تغذیه و بخش‌های مختلف تشکیل‌دهنده آن آشنایی پیدا کرده و دانستیم که اهمیت قطعه مذکور در پیکربندی رایانه‌های شخصی از اولویت بسیار فراوانی برخوردار می‌باشد، لذا حسن ختام نوشته را با پرداختن اجمالی به برخی از استانداردهای معمول و رسمی منابع نامبرده نظر ATX ،EPS و 80 Plus اعلام می‌داریم.

آشنایی با استاندارد ATX

استاندار ATX که متشکل از کوتاه شده عبارت Advanced Technology Extended است برای اولین در سال 1995 توسط کمپانی اینتل معرفی و گستردگی آن سخت‌افزارهایی همچون منابع تغذیه، مادربرد و چهارچوب‌های کیس رایانه‌های شخصی را در بر می‌گیرد. نسخه ابتدایی استاندارد نامبرده برای اولین بار در اواخر سال 1995 منتشر و تعداد سه رابط اتصالی جدید از قرار زیر را با خود به ارمغان آورد:

رابط مولکس (Molex) با برخورداری از تعداد 4 پین اتصالی.

رابط فلاپی (FDD) با برخورداری از تعداد 4 پین اتصالی.

رابط تامین توان مادربرد با برخورداری از تعداد بیست پین اتصالی (اغلب تحت عنوان 20 پین مادربرد نیز شناخته می‌شود).

استاندارد فوق بیان می‌دارد که توان مورد نیاز سخت‌افزارهای رایانه‌ای باید به‌صورت مستقیم توسط ریل‌های +5 و +3.3 ولت تامین گردند، زیرا گستردگی ریل خروجی +12 ولت در آن دوران فقط به فراهم آوردن انرژی فن‌های خنک کننده محدود شده بود. حضور استاندارد مذکور تا سال 2000 همچنان به قوت خود باقی ماند.

ذکر این نکته نیز ضروری است که نسخه 2.31 استاندارد ATX در سال 2007 معرفی و با فراهم آوردن تغییراتی از جمله حذف محدودیت 240 ولت – آمپر ریل‌های +12 ولت توانست برای مدت زمان کوتاه جایگاه خود را حفظ کند.

آشنایی با استاندارد EPS

استاندارد EPS که از کوتاه شده عبارت Entry-Level Power Supply Specification تشکیل شده است برای اولین بار توسط انجمن Server System Infrastructure (SSI) برای رایانه‌های شخصی رومیزی رده پیشرفته و گران قیمت و سیستم‌های سرور میان رده معرفی و در حالت کلی یکی از مشتقات استاندارد ATX به شمار می‌رود. منابع تغذیه بهره‌مند از استاندارد مذکور باید از مشخصاتی به قرار زیر بهره‌مند باشند:

یک عدد رابط مادربرد با برخورداری از تعداد 24 پین اتصالی.

یک عدد رابط EPS با برخورداری از تعداد 8 پین اتصالی.

وجود یک رابط +12 ولت و متشکل از تعداد 4 پین در صورت برخورداری منبع تغذیه از توان خروجی 700 تا 800 وات و افزایش آن به تعداد دو عدد با فزونی توان منبع به بیش از 850 وات.

در حال حاضر از نسخه 2.92 استاندارد مذکور در طراحی و ساخت منابع تغذیه استفاده می‌شود.

آشنایی با استاندارد 80 Plus

استاندارد فوق بیان می‌دارد که میزان بازدهی و راندمان سخت‌‎افزارهای منابع تغذیه در هنگامی که به اندازه 20، 50 و یا 100 درصد تحت بار قرار گرفته‌اند باید بیشتر از 80 درصد باشد، علاوه بر آن مقدار پیشفرض پارامتر ضریب قدرت نیز نباید کمتر از 0.9 باشد.

اولین منبع تغذیه مبتنی بر استاندارد معرفی شده نخستین بار در فبریه سال 2005 توسط کمپانی Seasonic تولید و روانه بازار گردید. در حال حاضر جدیدترین نسخه از استاندارد مذکور تحت عنوان پلاتینوم به‌شمار می‌رود که قدمت معرفی آن به سال 2009 باز می‌گردد. از جمله دیگر برچسب‌های استاندارد فوق می‌توان به برونزی، نقره‌ای، طلایی و … اشاره کرد. علاوه بر آن ذکر این نکته نیز ضروری است که توسعه دهندگان سخت‌افزارهای منبع تغذیه از الزامی مبنی بر رعایت استاندارد 80 Plus در محصولات خود برخوردار نبوده و این مهم به‌صورت داوطلبانه انجام می‌پذیرد.

جهت مطالعه بخش‌های پیشین نوشته به لینک‌های زیر مراجعه فرمایید:

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

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

پست های مرتبط

دیدگاه خود را بنویسید