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

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


بدون شک یکی از مهمترین و حیاتی‌ترین قطعات موجود در چهارچوب کیس منبع تغذیه می‌باشد. گستردگی سخت‌افزار فوق به قدری از اهمیت برخوردار است که عنوان قلب رایانه را بر آن اطلاق داشته‌اند، زیرا وظیفه فراهم آوردن میزان انرژی مورد نیاز دیگر قطعات موجود نظیر پردازنده مرکزی، حافظه اصلی، کارت گرافیک و … را تماماً برعهده داشته و کوچکترین اختلال در عملکرد صحیح و بی‌عیب و نقص آن به بروز فجایع جبران‌ناپذیری منتهی می‌گردد.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

منابع تغذیه یا به عبارتی دیگر Power Supply Unit ها در حالت کلی از دو تکنیک به‌منظور تبدیل جریان ورودی بهره می‌جویند که این مهم در منابع قدیمی و برخوردار از قدمت طولانی با استفاده از فناوری خطی صورت می‌پذیرد. روش فوق اگرچه در زمان خود به‌گونه‌ای کامل و مؤثر محسوب می‌گشت، اما دقت بسیار اندک آن در فرآیند تبدیل جریان امروزه از گستردگی آن کاسته و به هیچ عنوان در بطن محصولات جدید قابل مشاهده نمی‌باشد.

تکنیک دوم که امروزه در طراحی و ساخت تمامی منابع تغذیه موجود در بازار مورد استفاده قرار می‌گیرد در حالت کلی میزان جریان ورودی را در مسیر حرکت تحت تاثیر المان‌های الکترونیکی مختلفی قرار داده و فرآیندهای گوناگونی را بر روی آن پیاده‌سازی می‌کند که علاوه بر دقت بسیار فراوان در عملیات تبدیل، جریانی بسیار روان و تمیز را در اختیار دیگر سخت‌افزارهای رایانه‌ای قرار می‌دهد. این دسته از منابع تغذیه تحت عنوان “منابع تغذیه حالت سوچینگ” یا به عبارتی دیگر “Switching Mode Power Supply” مورد شناخت قرار می‌گیرند.

اگر چه سخت‌افزار نامبرده در پیکربندی یک رایانه شخصی از اهمیت بسیار فراوانی برخوردار است، اما متاسفانه طیف کثیر از افراد هیچ‌گونه توجهی را به سمت و سوی قطعه مذکور متمرکز نکرده و اغلب اولویت آخر را به تهیه و خرید آن نسبت می‌دهند که عملی بسیار اشتباه است، زیرا همانطور که بدن انسان بدون پمپاژ خون توسط قلب از فعالیت باز ایستاده و شخص با وجود برخورداری از اندام‌های داخلی کاملاً سالم به دیار باقی می‌شتابد، سخت‌افزارهای موجود در بطن چهارچوب کیس نیز در صورت عدم تامین میزان انرژی مناسب و دریافت جریانی بدون پالایش در کمتر از چند صدم ثانیه با مشکلات عدیده و عمده‌ای مواجه و در نهایت می‌سوزند که منشا اصلی آن تماماً به عملکرد نامناسب منبع تغذیه بازگردانی می‌گردد.

مقاله گردآوری شده در ادامه ابتدا به معرفی و تفسیر عملکرد المان‌های داخلی یک منبع تغذیه پرداخته و سپس استانداردهای معمول حال حاضر نظیر ATX ،EPS و 80 Plus را به‌صورت اجمالی مورد بررسی قرار می‌دهد.

تکنیک تبدیل توان سوچینگ (SPC) و مراحل مختلف عملکرد آن در یک منبع تغذیه

تمامی منابع تغذیه هم‌اکنون موجود در بازار از تکنیک “تبدیل توان سوچینگ” یا به عبارتی دیگر “Switching Power Conversion” جهت تبدیل جریان ورودی استفاده می‌کنند.

پایه و اساس نحوه تبدیل جریان توسط تکنیک فوق در نگاه کلی از پیچیدگی‌های فراوانی برخوردار نبوده و به‌راحتی قابل درک می‌باشد. جریان نیازمند تبدیل در ابتدا از طریق یک سرچشمه تامین انرژی نظیر پریز برق وارد منبع تغذیه شده و سپس توسط یک فرکانس بسیار قدرتمند تولیدی توسط خازن‌ها و سلف‌ها به بسته‌های انرژی کوچکتری تکه تکه و پس از آن دستخوش تغییرات مختلفی در مسیر حرکت خود قرار می‌گیرد. در انتها تمامی بسته‌های انرژی مجدداً به یکدیگر پیوسته و پس از انجام برخی از فرآیندهای اصلاح‌سازی، جریانی کاملاً صاف و روان در ماهیت مستقیم یا DC از منبع تغذیه خارج و در اختیار دیگر سخت‌افزارهای رایانه‌ای قرار می‌گیرد.

همانطور که مستحضر هستید وظیفه یک منبع تغذیه یا PSU تبدیل جریان متناوب (AC) برق شهری به جریان مستقیم یا به عبارتی دیگر DC به عنوان ولتاژ خروجی می‌باشد. بزرگی جریان متناوب با توجه به کشور و مناطق مختلف از تفاوت‌هایی برخوردار و مقدار آن در محدوده 100 تا 240 ولت متغییر می‌باشد، در حالی که جریان مستقیم مورد نیاز توسط سخت‌افزارهای رایانه‌ای و به‌صورت کلی طیف وسیعی از انواع و اقسام دیگر وسایل الکترونیکی از مقادیر متفاوتی بهره‌مند نبوده و فرکانس ثابت آن توجه به پارامترهای منطقه و کشور مبداً یا مقصد را از معادلات حذف می‌کند.

پیشتر گفته شد که جریان ورود یافته به منبع تغذیه در مسیر حرکت خود با عنایت به فرکانس تولیدی توسط المان‌های خازن و سلف به بسته‌های انرژی کوچکتری تقسیم‌بندی می‌گردد، اما نکته بسیار جالب توجه تعداد بسته‌های تولیدی نسبت به میزان جریان ورودی می‌باشد که بر اساس آن هر چقدر که میزان جریان ورودی به منبع تغذیه بیشتر باشد، تبدیل آن به بسته‌های انرژی کوچکتر نیز با فزونی بیشتری همراه شده و لذا پاکت‌های بیشتری در مقایسه با مقدار جریان کمتر تولید می‌گردند. این مهم در اندازه المان‌های الکترونیکی موجود در بطن منبع تغذیه نظیر خازن‌ها، سلف‌ها و … که وظیفه ذخیره و انتقال بسته‌های انرژی نامبرده را برعهده دارند تاثیر مستقیم دارد (جریان بیشتر = المان‌های الکترونیکی بزرگتر، جریان کمتر = المان‌های الکترونیکی کوچکتر).

از جمله مهمترین برتری‌های منابع تغذیه SMPS (منابع تغذیه حالت سوچینگ) نسبت به نمونه محصولات خطی می‌توان به کاهش چشمگیر و قابل توجه وزن و افزایش میزان بهره‌وری به بیشتر از 90 درصد اشاره کرد که خود در فزونی دقت تبدیل انرژی بسیار تاثیرگذار می‌باشد، اما پیچیدگی بیشتر و هزینه تولید بالاتر نیز از جمله نکات منفی منابع فوق به شمار می‌روند.

بازده خالص و خروجی منابع تغذیه حالت سوچینگ تنها جریان مستقیم نیست، بلکه احتمال تشکیل امواج الکترو مغناطیسی و رادیویی (EMI/RFI) در نتیجه عملیات تبدیل که ممکن است با دیگر سیگنال‌های موجود در محیط تداخل پیدا نمایند نیز بسیار فراوان بوده که این مهم خود یکی از اصلی‌ترین نقاط ضعف این دسته از منابع تغذیه محسوب می‌گردد؛ لذا وجود فیلترهایی جهت پالایش سیگنال‌های نامبرده نظیر صافی‌های امواج الکترو مغناطیسی (تحت عنوان فیلترهای گذرا یا Transient Filter نیز شناخته می‌شوند) و بخش‌های محافظتی امواج رادیویی در ساختار پاور بسیار لازم و ضروری به شمار می‌روند.

تصویر زیر شماتیکی از مسیری که در طی روند آن، جریان متناوب AC به چندین جریان مستقیم DC در اندازه و ولتاژ‌های مختلف تبدیل و همچنین قطعات دخیل در فرآیند مربوطه را نمایانگر می‌باشد.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

پالایه (فیلتر) امواج الکترو مغناطیسی/فیلتر گذرا (EMI/Transient Filter): جلوگیری از تشکیل یا تداخل امواج الکترو مغناطیسی و رادیویی و محافظت از بسته‌های انرژی.

پل یکسوساز (Rectifier Bridge): یکسوسازی فرآیند تبدیل جریان متناوب به مستقیم.

تکنیک اصلاح ضریب قدرت فعال (APFC): کنترل جریان عرضه شده به منبع تغذیه به‌منظور تناسب شکل امواج جریان تبدیل شده با شکل سیگنال ولتاژ اصلی.

سویچ‌های اصلی (Main Switches): تکه تکه و یا ریز ریز نمودن جریان مستقیم DC به بسته‌های انرژی بسیار کوچک، با فرکانس بالا.

مبدل (Transformer): جداسازی ولتاژ اولیه از ولتاژ ثانویه و تبدیل ولتاژ‌های گام رو به پایین (Step-Down).

فیلترها و یکسو کننده‌های خروجی (Output Rectifiers & Filters): تولید جریان مستقیم خروجی و پالایش آن.

مدارهای محافظتی (Protection Circuit): نظارت و اطمینان بر عملکرد صحیح و بی‌عیب و نقص منبع تغذیه.

کنترلرگر مدولاسیون پهنای پالس (PWM Controller): تنظیم چرخه سویچ‌های اصلی به‌منظور ثابت نگاه داشتن ولتاژ خروجی هنگام افزایش بار.

جداسازنده (Isolator): جلوگیری از برخورد و جداسازی ولتاژی که از بخش خروجی DC به سمت کنترلگر PWM در حال حرکت است.

مرحله فیلترینگ و پالایش امواج الکترو مغناطیسی (EMI/Transient Filtering)

پیشتر گفته شد که تولید امواج الکترو مغناطیسی و رادیویی در طی فرآیند تبدیل جریان متناوب به مستقیم در منابع تغذیه حالت سویچینگ امری اجتناب‌ناپذیر به شمار می‌رود. تشکیل امواج مضر نامبرده که ممکن است صدمات و اثرات جدی و جبران‌ناپذیری را بر روی دیگر وسایل موجود در محیط و یا حتی سلامتی انسان از خود بر جای گذارد در حقیقت از ترانزیستورهای مسئول عملیات راه‌گزینی یا به عبارتی دیگر سوچینگ ترانزیستورها نشأت می‌گیرد؛ علاوه بر آن ایمن‌سازی منبع تغذیه از نویزها و ولتاژهای بسیار سریع و ناگهانی خروجی از منبع جریان متناوب (به عنوان مثال پریز برق) نیز جهت تضمین عملکرد صحیح و بی‌عیب و نقص آن امری بسیار ضروری به شمار می‌رود.

تداخلات خروجی از منابع جریان متناوب (AC) یا همانطور که پیشتر نیز اشاره شد برق شهر در حالت کلی به دو دسته نویز مد مشترک (CMN) و نویز حالت دیفرانسیل (DMN) تقسیم‌بندی می‌گردند.

نویز مد مشترک هنگامی بروز پیدا می‌کند که تداخلات الکتریکی بین دو نقطه مرجع و زمین و یا سیم‌های مشترک صورت گیرد. نویز نامبرده دارای ولتاژهای سریع و ناگهانی با فرکانس بسیار بالا بوده و اغلب توسط سیم‌های بدون پوشش دارای اشکال و یا وسایل الکترونیکی مستعد تولید امواج الکترو مغناطیسی و رادیویی تولید و به‌منظور خنثی‌سازی آن از چوک‌های حلقوی یا سیم‌پیچی به همراه خازن‌های رده Y (عدسی، سرامیکی و موارد مشابه) بهره می‌جویند.

نویز حالت دیفرانسیل اغلب در فیمابین دو خط که از یک نقطه سنجش و اندازه‌گیری حاصل می‌شوند تولید و به‌منظور خنثی‌سازی آن نیز از خازن‌های رده X در سرتاسر طول مسیر خطوط استفاده می‌نمایند.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

علاوه بر موارد اشاره شده، دیودهای موجود در قسمت پل یکسوساز نیز تاثیراتی را در تولید نویز به خود اختصاص می‌دهند، به‌خصوص هنگامی که در وضعیت بدون فعالیت یا خاموش به سر می‌برند، بر همین اساس موقعیت فیزیکی بخش پالاینده امواج الکترومغناطیسی یا همان فیلتر گذرا در مراحل طراحی و توسعه منابع تغذیه پیش از پل یکسوساز (Rectifier Bridge) قرار می‌گیرد تا علاوه بر پالایش امواج نامبرده، نویز ایجادی توسط دیودهای حاضر در بخش پل نیز دستخوش تغییرات قرار گرفته و خنثی گردند.

در نهایت تعداد قطعات و المان‌های الکتریکی مختلفی که در کنار یکدیگر تشکیل‌دهنده فیلتر امواج الکترومغناطیسی می‌باشند عبارتند از:

تعداد دو خازن رده Y

تعداد دو خازن رده X

تعداد یک مقاومت واریستور اکسید فلزی (مقاومت وابسته به ولتاژ و محافظ منبع تغذیه در برابر تغییرات بسیار سریع ولتاژهای متناوب)

یک فیوز محافظ

علاوه بر آن ذکر این نکته نیز ضروری است که تعداد المان‌های نامبرده با توجه به کلاس منبع تغذیه و میزان توان خروجی آن ممکن است متفاوت بوده و کمپانی سازنده بنا بر مصلحت خود به افزایش یا کاهش شمارش قطعات مبادرت ورزد.

اغلب سازندگان به‌منظور کاهش هزینه نهایی تولید محصولات رده ارزان قیمت خود اقدام به حذف برخی از المان‌های گوناگون از بطن منبع تغذیه و مدار چاپی آن می‌نمایند که مقاومت واریستور اکسید فلزی (MOV) معمولاً از اولین قطعات جا افتاده به‌شمار می‌رود. در صورت حذف و عدم استفاده از مقاومت نامبرده در فیلتر امواج الکترومغناطیسی منبع تغذیه، تغییرات بسیار سریع و ناگهانی ولتاژ نه تنها برای سلامت پاور، بلکه دیگر سخت‌افزارهای حیاتی موجود در بطن چهارچوب کیس نظیر کارت گرافیک و … نیز کشنده و خطرناک تلقی می‌شود که در این حالت استفاده از چندراهی‌های محافظ برق در مسیر پریز تا منبع تغذیه امری بسیار لازم و ضروری به شمار می‌رود (جهت کسب اطلاعات بیشتر به نوشته زیر مراجعه فرمایید):

“آیا تعویض چندراهی محافظ برق پس از چندسال کارکرد ضروری است؟”

معمولاً اغلب منابع تغذیه پس از بخش منتسب به فیلتر امواج الکترومغناطیسی، تعداد یک یا چند مقاومت گرمایی (ترمیستور) را نیز به‌منظور محافظت از دیگر قطعات الکتریکی موجود در برابر جریان‌های بزرگ تهاجمی و افزایش دما به بیش از حد آستانه در بطن خود میزبان دارند. ترمیستور در حالت کلی المانی غیرفعال به‌شمار می‌رود که میزان مقاومت خود را با توجه به میزان گرمای اعمالی تنظیم می‌نماید. هنگامی که یک ترمیستور در حالت خنک قرار دارد، مقدار مقاومت آن برابر با 6 تا 10 اهم می‌باشد، در حالی که این مهم در هنگام شروع فعالیت منبع تغذیه و افزایش حرارت محیط در نتیجه عملکرد دیگر قطعات به فزونی دمای ترمیستور و کاهش مقاومت آن به محدوده 0.5 تا 1 اهم منتهی می‌شود.

نگاهی دقیق به درون منبع تغذیه

پس از عبور برق شهر ورودی از فیلتر امواج الکترومغناطیسی (EMI) و پالایش آن از هرگونه نویز و اغتشاشات مختلف، جریان متناوب موجود توسط تعداد یک یا چند عدد پل یکسوکننده دست‌خوش تغییراتی قرار و ماهیت آن از حالت AC به DC تغییر وضعیت می‌دهد، علاوه بر آن افزایش مقدار ولتاژ جریان مستقیم تبدیل شده در مقایسه با جریان متناوب ورودی نیز توسط پل‌های نامبرده صورت می‌پذیرد (به‌عنوان مثال اگر میزان اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) جریان متناوب ورودی برابر با 230 ولت باشد، این مهم پس از تبدیل به جریان مستقیم به مقدار 325 ولت فزونی پیدا می‌کند).

اکنون که ماهیت برق شهر در طی فرآیندهای شکل گرفته بر روی خود در مسیر عبور از فیلتر حذف امواج الکترومغناطیسی و پل‌های یکسوساز از حالت جریان متناوب AC به جریان مستقیم DC تغییر وضعیت داده است، سیگنال موجود به منظور بهسازی‌های بیشتر به مرحله Active Power Factor Correction یا به اختصار APFC ورود پیدا می‌کند که در بخش دوم نوشته به ارائه توضیحات بیشتر در خصوص آن می‌پردازیم.

پست های مرتبط

دیدگاه خود را بنویسید