Секрет производительности Seasonic

Дизайн блоков питания семейства Seasonic вот уже не­сколь­ко лет вы­зы­ва­ет при­с­таль­ный ин­те­рес кон­ку­рен­тов к схе­мо­тех­ни­ке и ком­по­нент­ной ба­зе. Имен­но этот фак­тор вы­нуж­да­ет их со­вер­шен­ст­во­вать раз­ра­бот­ки, что­бы вы­вес­ти эф­фек­тив­ность сво­их бло­ков пи­та­ния на дол­жный уро­вень. В чем же се­к­рет про­дук­ции Sea Sonic Electronics?

Вступительное

Проектируя блоки питания 80 PLUS элитного класса, ком­па­ния Sea Sonic Electronics вынуждена считаться с тре­бо­ва­ни­я­ми мно­го­кри­те­ри­аль­ной оп­ти­ми­за­ции: полет творческой мысли ограничен массо-габаритными параметрами PSU, нор­мо­кон­т­ро­лем от FCC, рен­та­бель­но­стью про­из­вод­ст­ва и взятыми на себя га­ран­тий­ны­ми обя­за­тель­ст­ва­ми. Эти ас­пек­ты ди­зай­на Seasonic тесно увязаны между собой, по­э­то­му бу­дем ак­цен­ти­ро­вать вни­ма­ние на каж­дом из них в тех случаях, когда их вес имеет ре­ша­ю­щее значение.

Про унификацию

Прежде, чем коснуться кнопки включения, несколько слов о печатной плате. Регулярность дизайна блоков питания Seasonic основана на унифицированной печатной плате с классической зеленой маской. Вы­вер­ты вро­де бор­до­во­го или темно-синего масочного покрытия проектировщиков Seasonic не вдох­нов­ля­ют, да и ин­же­не­рам-на­лад­чи­кам меньше работы: визуальный контроль зеленой PCB легче, эффективнее, а значит — дешевле.

Регулярность дизайна блоков питания Seasonic основана на унифицированной печатной плате с классической зеленой маской

На печатной плате блока питания Seasonic Prime SSR-850GD предусмотрено место для более мощных компонентов

Выбор комплектующих определяет, в какую категорию попадет конструкция: будет ли это блок питания клас­са Ti­ta­ni­um, ограничится ли производитель классом Platinum, а то может соберет блок питания на ком­по­нен­тах «зо­ло­то­го стан­дар­та». Незанятое место на PCB совсем не означает экономию. В некоторых случаях тре­бу­ют­ся аль­тер­на­тив­ные ре­ше­ния. Что хорошо для Gold, может потребовать иных ком­по­нен­тов для бло­ков пи­та­ния классом выше. Однако, су­ще­ст­вен­ную роль играет не столько выбор комплектующих, сколько сама идеология по­стро­е­ния схе­мо­тех­ни­че­ских ре­ше­ний.

Входные цепи

Знакомство с блоком питания всегда начинается с силового кабеля и разъема на корпусе устройства. Эво­лю­ция пер­со­наль­ных плат­форм сказалась на качестве этих тривиальных комплектующих. На качество си­ло­во­го ка­бе­ля поль­зо­ва­тель об­ра­ща­ет внимание только если случайно обнаружит, что температура его изо­ля­ции су­щест­вен­но от­ли­ча­ет­ся от ок­ру­жа­ю­щей среды. Закон Ома экономия меди отменить не в силах: или се­че­ние про­вод­ни­ков со­от­вет­ст­ву­ет по­тре­бля­е­мой мощ­нос­ти или у нас проблемы.

Отказ от переключателя, выбирающего стандарты питающих напряжений, давно стал каноном. Равно как и отсутствие тран­зит­ной розетки («для подключения монитора»). Здесь у Seasonic все, как у людей. За ис­клю­че­ни­ем эк­склю­зив­но­го ре­ше­ния — кнопки запуска гибридного режима. Анализ схемных решений этого режима выходит за рамки дан­но­го ма­те­ри­а­ла и будет рассмотрен особо.

Помехам — заслон

Наиболее бюджетные блоки питания в схемных решениях по минимуму используют фильтры помех, по­ро­ж­дая раз­но­об­раз­ные паразитные процессы в широком спектре электромагнитного излучения. Топовый сегмент блоков питания дол­жен со­от­вет­ст­во­вать про­мыш­лен­ным стан­дар­там, каким бы затратным ни был процесс по­дав­ле­ния не­же­ла­тель­ных яв­ле­ний. Внимание конструкторов здесь приковано к подавлению гар­мо­ник ча­сто­ты пре­об­ра­зо­ва­ния, на­и­бо­лее зло­вред­ных в ноль-переходах (момент перехода через ноль используется для построения систем связи Po­wer­Line в се­тях пе­ре­мен­но­го то­ка).

Ортогональный фильтр на плате блока питания Sea Sonic SSR-650PX Focus

Ортогональный фильтр подавления помех на плате блока питания Seasonic Focus SSR-650PX

Кроме того, схемное решение PSU должно создать надежный заслон от внешних помех. Их ис­точ­ни­ком яв­ля­ет­ся сама сеть пе­ре­мен­но­го тока. Обычно, защита от нежелательных внешних воздействий строится на подавлении син­фаз­ной (сим­мет­рич­ной) и диф­фе­рен­ци­аль­ной (не­си­м­мет­рич­ной) входных помех. У Seasonc для этого применяется двух­звен­ный фильтр ра­ди­о­ча­с­тот­ных помех с ор­то­го­наль­ным рас­по­ло­же­ни­ем ка­ту­шек ин­дук­тив­нос­ти.

Усложнение схемотехники вызвано тем фактом, что помехи от блока питания могут влиять не только на сис­те­мы ти­па Po­wer­Line, но и на беспроводные коммуникации (удаленное управление, интернет вещей и т.п.). Ор­то­го­наль­ное рас­по­ло­же­ние катушек фильтра применяется с целью исключить взаимное влияние устройств в маг­нит­ном по­ле, тем са­мым по­вы­сив эф­фек­тив­ность филь­тра в широком диапазоне частот. Ведь сер­ти­фи­кат от Фе­де­раль­ной ко­мис­сии по свя­зи (FCC) на элек­т­ро­маг­нит­ную сов­мес­ти­мость просто так получить еще никому не удавалось!

Схемные решения

Для достижения максимальной производительности в ди­зай­не Sea­sonic при­шлось от­ка­зать­ся от клас­си­че­ской по­лу­мос­то­вой схе­мы на TL494. Применение новой элементной базы по­зво­ли­ло со­з­дать блок пи­та­ния по своим па­ра­мет­рам да­ле­ко опе­ре­див­шим ее абсолютно во всем.

Мост

Схема выпрямителя построена на двух диодных мостах Vishay LVB2560, каждый из ко­то­рых рас­счи­тан на то­ко­вую на­груз­ку в 25 ампер. Суммарно, конструкция выдерживает 50 ампер, чего вполне достаточно для всей ли­ней­ки бло­ков пи­та­ния Seasonic.

Мост Vishay LVB2560

Вместо диодного моста Vishay, характерного для линейки Sesonic Prime, семейство Focus оснащается компонентами Lite-On Semiconductor

Выбор данного диодного моста не случаен: падение напряжения на LVB2560 до­ста­точ­но ма­лое, как для си­ло­вых ди­о­дов, плюс хорошее быстродействие (reverce recovery time). Последний па­ра­метр до­сту­пен в спе­ци­фи­ка­ци­ях толь­ко премиального сегмента диодных мостов. Корпус LVB2560 не то, чтобы уникален. Он удач­но ис­поль­зу­ет про­ст­ран­ст­во вну­три блока питания для вертикального монтажа — на ра­ди­а­тор с двух сто­рон кре­пит­ся па­ра ди­од­ных мос­тов, эко­но­мя и мес­то, и ма­те­ри­а­лы.

Встречаются модели блоков питания Seasonic с диодными мостами GBJ2506, производства Lite-On Se­mi­con­duc­tor. Их отличительная черта — почти втрое меньшая емкость p-n перехода, что тоже неплохо.

Самовосстанавливающийся конденсатор Carli MPX40

Многие компоненты в блоках питания Seasonic всех поколений оснащаются крошечными индуктивностями, обязанность которых — бороться с помехами

За подавление переходных процессов отвечает ва­рис­тор­ная защита в связке с электронным реле. Стоит за­ме­тить, что Seasonic щедро оснащает термисторами компоненты, способные менять свои характеристики в условиях ак­тив­но­го из­лу­че­ния те­п­ла в ог­ра­ни­чен­ном объеме блока питания. Не менее щедро применяются и кро­шеч­ные ин­дук­тив­но­с­ти, обязанность которых — бороться с помехами в местах их возникновения — это до­пол­ни­тель­ные фильтры СВЧ, что сви­де­тель­ст­ву­ет о весьма тща­тель­ном подходе к борьбе с паразитными явлениями в широком спектре частот. Бюд­жет­ные блоки питания лишены такой воз­мож­но­с­ти и не в со­сто­я­нии кон­ку­ри­ро­вать с Seasonic.

Борьбу за надежность Seasonic на­чи­на­ет уже во входных цепях. Для этого используется са­мо­вос­ста­нав­ли­ва­ю­щий­ся конденсатор для кор­рек­ции ко­эф­фи­ци­ен­та мощ­нос­ти Carli MPX40.

Фактор мощности

Следующая за узлом выпрямления — схема контроллера-компенсатора реактивной мощности (APFC) — по­ст­ро­е­на на полупроводниках от Infineon. Это пара полевых транзисторов IPP60R099CP, изготовленных по технологии CoolMOS CP, которая гарантирует рекордно низкое сопротивление по линии сток-исток (RDSon), хотя и не отличается особыми ха­рак­те­рис­ти­ка­ми по времени восстановления обратного сопротивления. В от­кры­том состоянии IPP60R099CP, бла­го­да­ря своим параметрам, даст ми­ни­маль­ное рас­се­и­ва­ние мощ­нос­ти, что не­ма­ло­важ­но для общего теплового режима устройства.

Стабильная работа NPC1654, активного контроллера PFC упакованного в майларовый рукав, во многом определяется качеством конденсаторов Nippon Chemi-Con

Стабильная работа NPC1654, активного контроллера PFC упакованного в майларовый рукав, во многом определяется качеством конденсаторов Nippon Chemi-Con

У инженеров Sea Sonic Electronics есть поле для маневра при расчете схемы APFC: бо­лее мощ­ные бло­ки пи­та­ния ос­на­ща­ют­ся более мощными аналогами «по­ле­ви­ков» от Infineon, аналогично происходит и с менее мощными. Здесь двой­ная вы­го­да: унификация PCB, о которой говорилось выше, под­креп­ле­на ши­ро­ким ас­сор­ти­мен­том ком­по­нен­тов Cool­MOS CP у производителя.

А вот диод Шоттки в boost-цепочке уже выбран по параметрам быстродействия: время восстановления у него просто великолепное. SCS110AG от Rohm Semiconductor выглядит очень убедительно. Схемой APFC в семействе Focus уп­рав­ля­ет контроллер Champion CM6500UNX (в Prime обычно устанавливали NPC1654) с при­лич­ны­ми час­тот­ны­ми ха­рак­те­рис­ти­ка­ми, что особенно важно для «умного» по­дав­ле­ния пуль­са­ций в све­те ми­ни­ми­за­ции ре­ак­тив­ной со­став­ля­ю­щей и бо­лее оп­ти­маль­но­го за­ря­да вход­но­го кон­ден­са­то­ра на про­тя­же­нии все­го по­лу­пе­ри­о­да.

Преобразователь напряжения

Платформы Seasonic, обладающие эффективностью класса Titanium, используют ­мос­то­вую схему пре­об­ра­зо­ва­ния постоянного напряжения с резонансным LLC-кон­вер­то­ром. Если в активном PFC все ак­цен­ты на ка­чест­ве кон­ден­са­то­ров Nip­pon Chemi-Con, то функциональность структуры DC-DC всецело зависит от на­мо­точ­ных изделий. Защита раз­ра­бот­ки от не­сан­к­ци­о­ни­ро­ван­но­го ко­пи­ро­ва­ния в импульсных тран­с­фор­ма­то­рах и дрос­се­лях ре­зо­нан­с­ной схемы, но и ка­призы поведения блоков питания Seasonic тоже где-то поблизости :)

Мостовая схема реализована на четырех «по­ле­ви­ках» от Infineon. Раз­ра­бот­чи­ки здраво выбрали по­лу­про­вод­ни­ко­вые при­боры от Infineon, аналогичные тем, что стоят в схеме APFC-контроллера. Мост на IPP50R140CP (или близ­ких по па­ра­мет­рам) под­дер­жи­ва­ет­ся ре­зо­нан­сным LLC-пре­об­ра­зо­ва­те­лем, который обеспечивает заданную эффективность. В за­ви­си­мос­ти от мо­де­ли бло­ка пи­та­ния та­ко­вая может быть одним из старших классов 80 PLUS: Titanium, Platinum или Gold.

Управляют полевыми транзисторами два драйвера Si8230BD производства Silicon Labs. Выбор этих мик­ро­схем сво­е­го ро­да сюр­приз, так как Silicon Labs больше известен, как про­из­во­ди­тель од­но­крис­таль­ных мик­ро­кон­т­рол­ле­ров, а их чип CP2102 стал по сути про­мыш­лен­ным стан­дар­том ре­а­ли­за­ции USB-to-UART. Схемы управления силовыми цепями у Si­Labs, впрочем, тоже отменного качества.

Сердце резонансного трансформатора постоянного тока — контроллер Champion CM6901T6X

Сердце резонансного трансформатора постоянного тока — контроллер Champion CM6901T6X

В блоках питания Seasonic Prime драйверы Si8230BD стоят на монтажной стороне печатной платы, что не иде­аль­но для их теплового режима. Не удивительно, что при разработке семейства Focus от них отказались, пол­но­стью воз­ло­жив уп­рав­ле­ние на ре­зо­нан­с­ный контроллер Champion CM6901T6X. В зависимости от копоновки этот чип ус­та­нав­ли­ва­ет­ся либо на крошечной дочерней плате вертикально по от­но­ше­нию к ма­те­рин­ской PCB, либо на стороне пайки, т.е. снизу.

Низковольтный контур

На выходе резонансного трансформатора постоянного тока в блоках питания Seasonic мы имеем мощ­ную 12-воль­то­вую ли­нию, на базе которой строится низковольтный контур с требуемой сеткой напряжений: +5 В и +3,3 В. Обя­за­тель­ная в рамках поддержки PC-совместимости линия –12 В используется разве что для пи­та­ния ра­ри­тет­ных по­сле­до­ва­тель­ных портов.

Вторичные шины порождаются на дочерних платах, что экономит место и позволяет унифицировать VRM-модули

Вторичные шины порождаются на дочерних платах, что экономит место и позволяет унифицировать VRM-модули, комплектуя ими блоки питания в зависимости от заявленной мощности

Для реализация сетки напряжений Seasonic одним из первых применил модульную компоновку: 3-х и 5-ти вольтовые шины порождаются на дочерних платах, что экономит место и позволяет унифицировать VRM-модули, комплектуя ими блоки питания в зависимости от заявленной мощности. Но прежде, чем подключить их к 12-вольт­овой шине, пуль­са­ции вы­ход­но­го тока стабилизируются синхронным выпрямителем на четырех полевых MOSFET-транзисторах с уп­рав­ле­ни­ем по зат­во­ру. Ранее, как правило, использовались Infineon BSC014N04LS (на фото вверху они расположены правее кон­т­рол­ле­ра Champion CM6901T6X); семейство Focus комплектуется Nexperia PSMN2R6-40YS.

Пульсации выходного тока стабилизируются синхронным выпрямителем на четырех полевых MOSFET-транзисторах с управлением по затвору

Пульсации выходного тока стабилизируются синхронным выпрямителем на четырех полевых MOSFET-транзисторах с управлением по затвору

Для монтажа «по­ле­ви­ков», которые прилично греются, выделено изрядное место на стороне пайки. Теп­ло­от­вод ре­а­ли­зо­ван фоль­ги­ро­ван­ной по­верх­но­стью PCB: на нее нанесены луженые тепловые мостики. До­пол­ни­тель­ное рас­се­ива­ние тепла осу­щест­вля­ет­ся с помощью пассивных радиаторов на компонентной стороне. Это решение сей­час ко­пи­ру­ют уже все производители мощных БП.

Отличительна черта Seasonic — применение пассивных медных радиаторов, спо­соб­ных су­ще­ст­вен­но улуч­шить тепловой режим 12-вольтового тракта блока питания. Они стоят возле VRM-модуля, от окисления медный слой за­щи­щен га­ль­ва­ни­че­ским по­кры­ти­ем — это так называемый Tin Plated Copper, хотя на первый взгляд, его ма­то­вый блеск боль­ше по­хож на пал­ла­ди­ро­ва­ние.

Там и сям на поверхности PCB блока питания во вторичных цепях видны крышки электролитических кон­ден­са­то­ров Chemi-Con. Выбор поставщика не оставляет места для нареканий. В конце концов, 10-летняя га­ран­тия к этому обя­зы­ва­ет.

Что на выходе?

Выходные характеристики блока питания Seasonic SSR-650PX мониторит привычный для этого про­из­во­ди­теля чип от Wel­trend Se­mi­con­duc­tor — WT7527. Его вклад в защиту от коротких замыканий и других не­штат­ных ситуаций де­таль­но рас­смот­рен в предыдущей публикации.

В блоках питания Sesonic Prime управляющий контроллер Weltrend WT7527 размещается на вертикально устанавливаемой дочерней плате, в семействе Focus ему нашлось место на нижней стороне PCB

В блоках питания Sesonic Prime управляющий контроллер Weltrend WT7527 размещается на вертикально устанавливаемой дочерней плате, в семействе Focus ему нашлось место на нижней стороне PCB

Схемное решение обеспечивает высокую стабильность выходных напряжений вне за­ви­си­мос­ти от уров­ня по­тре­бля­е­мой мощ­нос­ти, а конструкция — надежность и комфорт. Комфорт — не в последнюю оче­редь бла­го­да­ря гиб­рид­но­му ре­жи­му. Переключатель Hybrid Mode на корпусе БП позволяет электронике управлять вен­ти­ля­то­ром по об­сто­я­тель­ст­вам, отключая его при нагрузках до 20%. Риск перегрева ми­ни­ми­зи­ро­ван бла­го­да­ря кон­ст­рук­тор­ским на­ход­кам, суть которых мы попытались про­а­на­ли­зи­ро­вать в текущей публикации.

Отдельного разбора заслуживает схема дежурного питания, но об этом — в следующих публикациях.