Почему срабатывает защита блока питания?

10 Авг 2018

Почему срабатывает OCP (Over Current Protection) — токовая защита блока питания?

Теоретически, работа датчиков токовой защиты блока питания могла бы со­сто­ять в измерении падения напряжения на ре­зис­то­рах, включенных по­сле­до­ва­тель­но с на­груз­кой. Та­кой пря­мо­ли­ней­ный под­ход в про­ек­ти­ро­ва­нии це­пей, спо­соб­ных обес­пе­чи­вать то­ки в де­сят­ки ам­пер, при­вел бы к боль­шим по­те­рям. Оче­вид­ный трюк, уже мно­го лет ис­поль­зуме­мый раз­ра­бот­чи­ка­ми им­пуль­с­ных бло­ков пи­та­ния для пер­со­наль­ных ком­пью­те­ров, — за­ме­рять па­­де­­ние на­пря­же­ния на ин­дук­тив­но­стях в це­пи LC-филь­тра вы­ход­ных напряжений +12V, +5V, +3.3V.

Давайте рассмотрим, как реализована защита блока питания от превышения потребляемого тока на примере ис­поль­зо­ва­ния одного из лучших управляющих контроллеров WT7527 от Weltrend Semiconuctor. Этот чип с успехом применяется в серии Prime блоков питания Seasonic, пользующихся заслуженным уважением самых взы­с­ка­тель­ных пользователей.

Фрагмент принципиальной схемы подключения управляющего контроллера Weltrend Semiconuctor WT7527
Рис 1. Фрагмент принципиальной схемы подключения управляющего контроллера Weltrend Semiconuctor WT7527

Как следует из заводской документации, контроллер WT7527 обеспечивает четыре линии токовой защиты: две для линий +12V, и по одной для +3.3V и +5V. В связи с тем, что основной отбор мощности современные системные платы и вы­со­ко­у­ров­не­вые ви­део адап­теры вы­пол­ня­ет по двенадцативольтовой шине, остановимся на тонкостях ре­а­ли­за­ции OCP (Over Current Protection) именно для нее.

Ограничения по току

Если вы думаете, что в цепях питания персонального компьютера возможен любой произвол, с этой мыслью стоит сразу распрощаться. Международный стандарт IEC 60950-1, логотип которого вынесен в заголовок статьи, де­кла­ри­ру­ет предел мощности — не более 240VA по каждой шине. Физический смысл такого ограничения — пред­от­вра­тить ситуацию, при которой аварийная мощность, потребляемая в случае короткого замыкания, может быть вос­при­ня­та схемой токовой защиты как допустимая (потребляемая нагрузкой), что может привести к разрушению эле­мен­тов уст­ройства и даже возгоранию.

В случае с постоянным током можно говорить о 240 Ваттах, что устанавливает для 12-вольтовой линии лимит в 20 ампер. Обойти это ограничение очень просто: достаточно развести напряжения по разным шинам, как это делает, например, Chieftec в блоках питания APS-500C:

Шильд с техническими характеристиками блока питания Chieftec APS-500C

Как следует из информации на самом блоке питания по каждой их линий +12V1 и +12V2 подается ток 18А. Обычно, одна из них делегируется для питания процессора, другая используется для накопителей и сопутствующей пе­ри­фе­рии. Каждая из них обслуживается своей схемой токовой защиты: и овцы целы требования IEC 60950-1 со­блю­де­ны, и питание в норме.

Шильд с техническими характеристиками блока питания FSP Group FX700GLN

В 700-ваттнике от FSP Group также востребован экстенсивный метод: 12-вольтовые линии разнесены на четыре канала, каждый из которых ограничен 18-амперным потреблением тока. При этом общая мощность че­ты­рех­ка­наль­но­го регулятора ограничена величиной 680 Ватт, что формально означает — суммарный ток че­ты­рех 12-вольтовых каналов не должен превышать лимит в 56.6 Ампер. (680W/12V=56.6A). Внимательный читатель заметит, что согласно дополнительному комментарию на этикетке имеют место более строгие ограничения: суммарный ток по линиям +12V не должен превышать 50 Ампер, а общий выходной ток ограничен лимитом в 70 Ампер. Очевидно, что умножение 18 ампер на четыре канала не дает сколько-нибудь полезной информации.

Современные тенденции в архитектуре блоков питания

Разделение нагрузки на примерно равные части является не более, чем трюком, ко­то­рым удачно воспользовались разработчики — питание неделимой нагрузки, потребляющей более 20 ампер по линии +12 вольт невозможно без нарушения норм безопасности. Очевидно, соблюдение этих норм зависит не только от разделения каналов в бло­ке питания, но и разводки силовых цепей в нагрузке.

Если мощный потребитель (например, видео адаптер), к которому подключено более одного разъема до­пол­ни­тель­но­го питания, соединяет их 12-вольтовые цепи в одну точку, либо соединяет 12-вольтовые линии разъема PCI Express и дополнительного питания, то результатом будет не только нарушение спецификации, но и риск создания дисбаланса в таких принудительно коммутируемых каналах. Это значит, что грамотная сборка высокоуровневых платформ и майнинговых ферм невозможна без верификации системы с помощью омметра. Или, перефразируя известного автора, «возможна, если вам не важен результат».

Если требуется питать неразделимую нагрузку большим током, соединение линий из недостатка превращается в преимущество — при раздельных каналах встречаются варианты, когда ток, обеспечиваемый блоком питания по линии дополнительного питания видео карты, недостаточен, хотя он и меньше суммарного тока всех каналов. При одной 100-амперной линии потребитель застрахован от данного типа несовместимости.

Дополнительные минусы единого канала также существуют, ведь потребляемый от линии питания ток является функцией времени. Например, для жесткого диска уровень потребления увеличивается при выполнении по­зи­ци­о­ни­ро­ва­ния, для CPU и GPU изменения могут быть обусловлены циклическим выполнением фрагментов кода, со­зда­ю­ще­го различную вычислительную нагрузку. В результате взаимовлияния компонентов и вследствие уве­ли­че­ния потребления тока может возрасти уровень помех по ли­ни­ям питания. Выведя регулятор громкости на пол­ную мощ­ность и за­пус­тив майнинг, не услышим ли мы в динамиках «звон биткоинов»?

Конец первой части