Технология PFC в компьютерном блоке питания: что это, зачем и как работает?

Привет, друзья! Вникая в технические характеристики комплектующих, можно увидеть опцию PFC в блоке питания, что это такое, зачем надо и как работает, я расскажу в сегодняшней публикации. Поехали.

Вспомним школьный курс физики

Те, кто хорошо изучал физику в школе, помнят, что мощность может быть активная или реактивная. Активной называется мощность, которая выполняет полезную работу – заставляет греться утюг, светиться лампу накаливания или приводит в действие компоненты ПК.

В реактивных цепях сила тока может отставать от напряжения или опережать его, что определяется параметром cos φ (косинус Фи). При индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения (индуктивная нагрузка) или опережает его (емкостная нагрузка).

Последнее часто встречается в сложных электрических схемах, где используются конденсаторы, в том числе и в компьютерных блоках питания.

Реактивная мощность не выполняет никакой полезной нагрузки, «блуждая» по электрическим цепям и нагревая их. Именно по этой причине предусмотрен запас сечения проводов. Чем больше cos φ, тем больше энергии рассеется в схеме, в виде тепла.

Реактивная мощность компьютерного БП

Так как, обычно в компьютерных блоках питания используются конденсаторы большой емкости, то и реактивная составляющая в такой схеме ощутима. К счастью, она не учитывается бытовым счетчиком электроэнергии, поэтому переплачивать за электричество юзеру не придется.

Значение cos φ для таких устройств обычно достигает 0,7. Это значит, что запас проводки по мощности, должен быть не менее 30%. Но, так как ток протекает через схему блока питания короткими импульсами со сменной амплитудой, из-за этого сокращается срок службы конденсаторов и диодов.

Если последние не имеют запаса по силе тока и подобраны «впритык» (как это часто бывает в дешевых БП), срок эксплуатации такого устройства сокращается.

Для борьбы с этими реактивными явлениями используется корректор коэффициента мощности, то есть PFC.

Что такое тип PFC

Существует два типа устройств с Power Factor Correction модулем:

Дроссель представляет собой устройство с комплексным сопротивлением, характер которого симметрично противоположен реактивности конденсаторов. Это в некоторой мере позволяет компенсировать негативные факторы, однако cos φ увеличивается незначительно.

Кроме того, частично стабилизируется входное напряжение основного блока стабилизаторов.

Active PFC, то есть активная схема (APFC), способна увеличить этот параметр до 0,95, то есть сделать его близким к идеальному. Такой БП менее подвержен кратковременным «провалам» тока, позволяя работать на заряде конденсаторов, что является неоспоримым преимуществом.

При этом стоит учитывать, что такие конструкционные особенности сказываются на цене устройства.

Сегодня в продаже можно найти БП в форм-факторе ATX, как с коррекцией коэффициента мощности, так и без PFC. Нужен ли PFC или нет, следует решать исходя из специфики использования компьютера. Например, в игровом компе его наличие желательно, но вовсе не обязательно.

Хочу акцентировать ваше внимание на следующем моменте. Помимо всего прочего, PFC снижает уровень высокочастотных помех на выходных линиях. Такой БП рекомендуется использовать в связке с периферическими устройствами, для обработки аналоговых видео и аудио сигналов – например, на студии звукозаписи.

Но даже если вы обычный любитель, подключающий электрогитару к компу с установленным Guitar Rig, рекомендуется использовать БП с корректором коэффициента мощности.

Если ищите огромный выбор подобных устройств, можете посмотреть в этом интернет-магазинчике, просто рекомендую. Также советую почитать о защите в блоках питания и как рассчитать мощность БП. Информацию про сертификаты вы найдете здесь.

Спасибо за внимание и до следующих встреч! Не забудьте поделиться этой публикацией в социальных сетях!

Источник

PFC коррекция коэффициента мощности

Коэффициент мощности и фактор наличия гармоник сетевой частоты являются важными показателями качества электроэнергии, особенно для электронного оборудования, которое этой электроэнергией питается.

Для поставщика переменного тока желательно, чтобы коэффициент мощности потребителей был приближен к единице, а для электронных приборов важно чтобы гармонических искажений было бы как можно меньше. В таких условиях и электронные компоненты устройств проживут дольше, и нагрузке будет более комфортно работать.

В реальности же имеет место проблема, которая состоит в том, что обычный линейный источник питания не способен обеспечить электронное оборудование электроэнергией должного качества, да еще и с высоким КПД. В итоге приходится мириться с тем, что КПД сетевого блока питания в 80% при коэффициенте мощности стремящимся к 0,7 стало принято считать нормой.

А причина данной проблемы кроется в том, что на входе обычного импульсного блока питания стоит диодный мост с конденсатором фильтра, и будь потребитель выпрямленного тока даже линейной нагрузкой, все равно ток, подаваемый из сети на диодный мост, будет иметь всплески, ярко выраженные обособленные пики, между которыми расположены промежутки нулевого потребления тока от сети.

В схеме, которая получает питание от такого конденсатора фильтра, данное явление порождает высокие гармонические искажения. А коэффициент мощности у нагрузки, питаемой от такого простого выпрямителя с конденсатором, как правило не превысит и 0,3.

Существует простой «пассивный» способ немного сгладить острые токовые пики, чуть-чуть повысить коэффициент мощности и слегка снизить таким образом гармоники. Способ заключается в добавлении катушки индуктивности между диодным мостом и конденсатором фильтра. Это немного округлит пики в сторону сближения с синусоидальной формой.

Однако и в данном случае коэффициент мощности окажется по-прежнему далеким от единицы (около 0,7), ведь форма потребляемого тока снова совсем не синусоидальна. И когда такого плана потребителей различной мощности к сети подключено много, это становится серьезной проблемой для генерирующей электроэнергию стороны.

Лучший способ повышения коэффициента мощности и снижения гармоник сетевой частоты — применение в импульсных блоках питания относительно простых схем активной коррекции коэффициента мощности (PFC) на базе импульсного повышающего преобразователя типа boost converter. Здесь в схему входного выпрямителя добавляется не только катушка индуктивности, но и полевой транзистор с драйвером и контроллером, а также диод.

В процессе работы схемы активной коррекции коэффициента мощности (active PFC) полевой транзистор быстро переключается между двумя состояниями.

Первое состояние — когда ключ замкнут, дроссель получает питание от выпрямителя, запасает энергию в магнитном поле, при этом диод смещен в обратном направлении, и нагрузка получает питание только от конденсатора фильтра.

Второе состояние — когда транзистор разомкнут, в эту часть цикла диод переходит в проводящее состояние, и дроссель теперь передает энергию к нагрузке и заряжает конденсатор. Такие переключения происходят с частотой в несколько десятков килогерц на каждой полуволне сетевой синусоиды.

Грамотное управление ключом необходимо для того, чтобы ток потребления находился в фазе с переменным напряжением сети. С этой целью контроллер формирует ШИМ сигнал управления затвором полевого транзистора, чтобы на пике синусоиды дроссель получал энергию менее продолжительно, чем вблизи нулевого напряжения (более продолжительно).

Контроллер PFC имеет цепь обратной связи по выходному напряжению (которое сравнивается с опорным и поддерживается постоянным посредством ШИМ) а также датчик входного напряжения и тока дросселя, чтобы точно, в режиме реального времени, отслеживать средний ток дросселя для обеспечения нагрузке максимального коэффициента мощности.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Устройство импульсных блоков питания, APFC

Некоторое время назад мне задавали вопрос по поводу корректора коэффициента мощности импульсных блоков питания, попробую кратко рассказать что это такое и зачем надо.

Так уж сложилось, что в обычной жизненной ситуации вы скорее всего встретите корректор коэффициента мощности (ККМ) в блоке питания компьютера.
Нет, конечно они встречаются и в других блоках питания, даже чаще, чем в компьютерных. Но обычно это промышленные блоки питания и в быту попадаются крайне редко.
Думаю что большинство читателей моего блога и зрителей моего канала, как минимум немного ориентируются в радиоэлектронике, потому скорее всего видели компьютерный блок питания «изнутри».
Блок питания с активным корректором выглядит на первый взгляд почти также как и обычный.

Но если посмотреть внимательнее, то на «горячей» стороне можно заметить большой дроссель. Его магнитопровод может иметь разную форму, но чаще всего попадаются с кольцевыми, как и вариант на фото.
Кроме того подобные блоки питания отличаются еще и тем, что обычно в них установлен один фильтрующий конденсатор на 450-500 Вольт, а не два по 200-250. Обусловлено это тем, что часто такие блоки питания имеют широкий диапазон входного напряжения от 100-115 Вольт и переключение входного напряжения им не нужно.

Не стоит путать дроссель АККМ (активный корректор коэффициента мощности) с выходным дросселем групповой стабилизации, хотя внешне они весьма похожи. Отличие в том, что обычно дроссель корректора имеет только одну обмотку, а ДГС (дроссель групповой стабилизации), несколько.

Вообще корректор может быть не только активным, а и пассивным. В этом случае вы увидите на верхней крышке блока питания «железный» дроссель с парой проводов, внешне похожий на 50Гц трансформатор мощностью 10-20 Ватт.
Такой вариант также жизнеспособен, но заменить полноценный активный корректор он не может.

Дальше переменный ток выпрямляется и фильтруется конденсаторами. Чаще всего применяется такая схема, представляющая из себя диодный мост и пару (иногда один) конденсаторов.
Конечно там есть еще входной фильтр, предохранитель, но в данном случае они нас не касаются.

При нормальной напряжение на конденсаторах будет примерно 280-320 Вольт в зависимости от их емкости и мощности нагрузки, я об этом уже рассказывал в своем видео посвященному устройству блоков питания.
Но так как напряжение в сети по сути 100 раз в секунду меняется от нуля до 320 Вольт и опять до нуля, а в цепи есть диодный мост, то ток заряда конденсаторов фильтра течет не всегда, а только когда амплитудное напряжение превысит напряжение на конденсаторах.
При этом ток в цепи 220-230 Вольт будет выглядеть как показано вверху этой картинки. Получается, что блок питания потребляет энергию не постоянно, а только на пиках синусоиды. Если предположить, что БП потребляет в итоге энергию всего 20% времени, то ток в момент когда идет заряд конденсаторов, будет в 5 раз больше среднего тока потребления. Например ток 1 Ампер, мощность 220 Ватт, значит пики тока будут доходить до 5 Ампер.

Проблема эта вылезла «в полный рост» тогда, когда количество импульсных блоков питания превысило некую «критическую массу». В итоге было придумано довольно простое и эффективное решение. Кстати, в развитых странах все мощные блоки питания должны иметь корректор коэффициента мощности, но так как это недешево, то производители недорогих блоков питания на этом экономят в первую очередь.

Как я сказал, решение проблемы простое и по сути лежит на поверхности. А базой для этого решения является обычный степ-ап преобразователь напряжения. На схеме виден дроссель, транзистор, диод, ШИМ контроллер и конденсатор.
При открывании транзистора в дросселе накапливается энергия, которая при закрытии транзистора суммируется с входным напряжением и поступает в нагрузку, подзаряжая выходной конденсатор. Такая схема часто используется в повербанках для получения 5 Вольт из 3.7.

Но если скрестить обычный блок питания и эту схему, то мы получим активный корректор коэффициента мощности.
При этом важно то, что фильтрующий конденсатор после диодного моста не ставится, его роль выполняет конденсатор небольшой емкости, обычно 0.47-1.0мкФ, он нужен только для компенсации импульсного характера потребления корректора.

В итоге преобразователь пытается «высосать» из сети все что можно в диапазоне уже не 220-230 Вольт, а 40-80. Кстати, мощные блоки питания далеко не всегда могут работать в широком диапазоне, хотя и могут при этом содержать в своем составе АККМ. Просто в таких режимах корректору приходится тяжело и работу в широком диапазоне они не обеспечивают, хотя и продолжают корректно работать.

Здесь я попробовал наглядно показать разницу в работе обычного БП и БП с корректором.
Красным выделен вариант работы обычного блока питания, заштрихованная часть отображает зону, где есть потребление тока. Видно что зона довольно узкая, соответственно ток будет большим. Причем чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем уже будет эта зона и тем ниже будет коэффициент мощности.
Синим и зеленым я показал пару вариантов работы активного корректора, один начинает работу примерно от 100 Вольт амплитудной составляющей, второй примерно от 50 Вольт. Видно что зона стала шире, соответственно ток пропорционально падает и растет коэффициент мощности.
В общем-то данная зона может начинаться почти от нуля, тогда коэффициент будет равен единице, но обычно он составляет 0.98-1, этого более чем достаточно.

Чем же чреват этот пресловутый коэффициент мощности.
Из-за пиков тока происходит кратковременная перегрузка сети, в следствие чего могут начаться проблемы в старых и изношенных сетях. Возможно отгорание нулевого провода в трехфазных сетях с совсем печальными последствиями.

А вот схема входной части компьютерного блока питания имеющего в своем составе активный корректор мощности, он выделен синим цветом.
Не удивляйтесь что на схеме нет ШИМ контроллера, который им управляет, часто он расположен на отдельной плате, а иногда интегрирован в общий ШИМ контроллер. Т.е. помимо одного-двух штатных каналов имеется еще и выход для управления транзистором корректора. Такой вариант удобен для производителя, но далеко не всегда удобен для ремонтника. В самом начале я показал фото блока питания, там как раз вышел из строя узел корректора, а так как микросхема управляет всем, то выгорела и она. Найти замену я не смог, потому Бп лежит мертвым грузом и возможно будет разобран на запчасти, тем более что они весьма неплохого качества.

Что же дает нам корректор, сначала преимущества:
1. Характер потребления почти такой же как у активной нагрузки, соответственно нет пиковых перегрузок.
2. Часто такие БП имеют расширенный диапазон входного напряжения и лучше работают в плохих электросетях.
3. Емкость фильтрующего конденсатора нужна меньше, так как паузы без тока меньше.
4. Инвертору блока питания легче работать, ведь по сути он питается стабилизированным напряжением.

Теперь недостатки.
1. Выше цена.
2. Меньше надежность
3. Могут быть сложности при работе с некоторыми моделями UPS.

Иногда идут споры, по поводу КПД таких блоков питания. Я придерживаюсь мнения, что КПД одинаков, так как хоть корректор и имеет собственное потребление, но основному инвертору работать легче, потому то на ото и выходит.

Ну и конечно же видео, в качестве дополнения. А я как всегда жду ваших вопросов как в комментариях здесь, так и под видео.

Источник

Коррекция коэффициента мощности блока питания что это

В последние десятилетия количество электроники, используемой в домашних условиях, в офисах и на производстве, резко увеличилось, и в большинстве устройств применяются импульсные источники питания. Такие источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней. Это влияние выражается не только в разного рода помехах, сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтральной линии. При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке, практически, равен нулю) может увеличится до критического значения.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания, электронных нагрузках люминесцентных ламп, драйверах двигателей постоянного тока и аналогичных приборах.

Коррекция коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис. 1).

Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 2).

Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:

Стоит заметить, что отношение (I_1эфф)/(I_{эфф(общ)} ) есть косинус угла между векторами, соответствующими действующему значению общего тока и действующему значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол q, то выражение для коэффициента мощности принимает вид: PF=cos j Ч cos q. Задача коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы приблизить к нулю угол разности фаз j между напряжением и током, а также угол q гармонических искажений потребляемого тока (или, другими словами, максимально приблизить форму кривой тока к синусоиде и максимально компенсировать фазовый сдвиг).

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Пассивный метод коррекции чаще всего применяется в недорогих малопотребляющих устройствах (где не предъявляется строгих требований к интенсивности младших гармоник тока). Пассивная коррекция позволяет достичь значения коэффициента мощности около 0,9. Это удобно в случае, когда источник питания уже разработан, остается только создать подходящий фильтр и включить его в схему на входе.

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот.

3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от величины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот.

Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой AD/DC-преобразователь с широтно-импульсной (PWM) модуляцией. Модулятор управляет мощным (обычно MOSFET) ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.

Источник

Преимущества блоков питания с корректором и без

Содержание

Содержание

О понятии активного корректора коэффициента мощности (APFC) и о причинах его использования производителями в компьютерных БП уже было рассказано на страницах блога. В этой публикации попробуем разобраться, какие преимущества для пользователя ПК несет в себе БП с APFC и есть ли они в принципе.

Структурная схема БП

Рассмотрим типовую структурную схему компьютерного БП с APFC.

Обратите внимание, что схематически корректор коэффициента мощности — это отдельное устройство, которое располагается между сетевым выпрямителем и сглаживающим фильтром. И это дополнительное устройство не что иное, как еще один преобразователь, который по своей топологии является повышающим преобразователем напряжения.

По сути, если убрать из структурной схемы блок, который обозначен APFC, то мы получим обычный блок питания без корректора.

Ниже на фото показан блок питания с корректором (справа) и без корректора (слева). БП имеют примерно одинаковую мощность — 450-500 Вт.

Несложно заметить, что компоненты APFC (3) занимают дополнительное место на плате БП, впрочем, давайте по порядку.

Недостатки, которые рождают преимущества

Мы уже выяснили, что блок питания с APFC имеет дополнительные электронные компоненты, в том числе силовые. Теоретически, вероятность отказа любого электронного устройства повышается с увеличением количества используемых в нем компонентов. Значит ли это, что БП с APFC менее надежен, чем БП без него? Да, значит. Но, показатели надежности современной элементной базы находятся на очень высоком уровне, что позволяет производителям без опаски гарантировать работоспособность своих изделий на протяжении нескольких лет, даже устанавливая туда кучу компонентов. Но не абы каких, а качественных в широком смысле этого слова.

Каждое устройство, имеющее в своем составе преобразователи электроэнергии, имеет определенный коэффициент полезного действия (КПД). Это значит, что в процессе преобразования часть энергии теряется в виде тепла. Так вот, дополнительный преобразователь напряжения (коим является APFC) снижает общий КПД блока питания. И снова на выручку приходит современная элементная база и продвинутые схемотехнические и конструктивные решения. Их грамотное применение позволяет обеспечить КПД устройства на уровне, удовлетворяющем требованиям сертификатов энергоэффективности, даже добавив туда еще один источник тепла.

Вот и получается, что производитель, следуя за стандартом энергоэффективности, вынужден использовать продвинутые технологии, иначе его БП просто не будет соответствовать требуемым характеристикам и никакого сертификата не получит.

Но это не значит, что производители, которые не торопятся получать сертификат, делают некачественные БП. Такие БП могут быть вполне достойными изделиями.

Наверное, это дорого

Вполне логично предположить, что использование современной «продвинутой» элементной базы и дополнительных компонентов для корректора повысит конечную стоимость БП для потребителя.

Только вот среди пользователей все прочнее укореняется мнение, что если БП имеет сертификат, то это обязательно качественный БП. В большинстве случаев так оно и есть. И, судя по тенденции на рынке, блоков питания, не имеющих сертификат энергоэффективности, становится все меньше. Достаточно посмотреть на ассортимент БП в DNS. Устройств с сертификатом предлагается около 230 штук, а без сертификата 128. Да уж, действительно, спрос рождает предложение, а интересное предложение рождает спрос.

Проблема, о которой нельзя молчать

Некоторые БП с APFC отказываются работать в паре с источниками бесперебойного питания (ИБП), когда те переходят в режим питания от батареи. Однако, это касается только тех ИБП, которые в режиме работы от батареи имеют на выходе не синусоиду, а ее ступенчатую аппроксимацию. Впрочем, как-то не справедливо обвинять в этом БП с APFC. Скорее это проблема определенных ИБП. Но так как ИБП появились раньше, чем корректоры в БП, то пользователи склонны считать, что это проблема именно блока питания. Почему возникает такая проблема и как ее решать — это совсем другая история.

Что в итоге

Да, БП с APFC стоят чуть дороже обычных. Но за эту стоимость пользователь получает современное устройство, собранное на передовой элементной базе, которая, в свою очередь, позволяет использовать продвинутые конструктивные и схемотехнические решения. БП с корректором в большинстве случаев имеют минимум бронзовый сертификат энергоэффективности. И уже никто не помнит, что является следствием чего.

Все это позволяет производителям предоставлять достаточно большой срок гарантии на БП. Собственно, это одно из тех качеств, которым производитель привлекает покупателя, оправдывая более высокую стоимость устройства. И тут реально работает принцип «дороже значит качественнее».

Заканчивая, хочется упомянуть довольно значимое преимущество БП с корректором. Это возможность работы в большом диапазоне входных напряжений сети — ориентировочно 100-240 вольт. Это следствие того, что корректор — это по сути повышающий преобразователь со стабилизированным напряжением на выходе и возможность работать в широком диапазоне входного напряжения заложена в него природой. Поэтому, если у вас напряжение в сети заниженное и любит «погулять», то выбор БП с APFC будет очевидным. Это как правило, но не следует забывать, что из всех правил есть исключения, поэтому при выборе конкретной модели все же стоит уточнить данную характеристику.

Источник