پاور کامپیوتر زیر ذره‌بین: بررسی ساختار، اجزا و نحوه عملکرد

یک‌سوسازها و فیلترهای خروجی

وظیفه یکسوسازها و فیلترهای خروجی، هم‌نام خودشان، یکسوسازی و فیلتر کردن موج سوئیچینگ فرکانس بالایی است که توسط سوئیچ‌ها (FETها) تولید شده و از طریق بخش ثانویه ترانسفورماتور اصلی عبور می‌کند. در این مرحله دو نوع طراحی از جمله طراحی غیرفعال (Passive) و طراحی همزمان (Synchronous) برای یکسوسازی دیده می‌شود.

در طراحی غیرفعال، از یکسوسازهای شاتکی (Schottky Barrier Rectifiers یا SBR) استفاده می‌شود و در طراحی همزمان، FETها جایگزین SBRها می‌شوند. در یکسوسازی همزمان، راندمان افزایش می‌یابد چون افت ولتاژ رو به جلوی SBR حذف می‌شود.

برای درک بهتر موضوع، یک مثال بزنیم، یک یکسوساز شاتکی معمولاً 0.5 ولت اُفت ولتاژ دارد، بنابراین اگر بخواهیم جریان 40 آمپر را هدایت کنیم، توان تلف‌شده برابر است با 40A x 0.5V = 20W. اگر به جای SBR از یک FET استفاده کنیم که مقاومت حالت روشن (RDS(on)) آن 3 میلی‌اهم (0.003 اهم) باشد، توان تلف‌شده برابر خواهد بود با 40A x 40A x 0.003Ω = 4.8W. این تفاوت باعث می‌شود 15.2 وات کمتر مصرف شده و راندمان حدود 24 درصد افزایش یابد.

علاوه بر طراحی‌های غیرفعال و همزمان، گاهی از طراحی هیبرید به نام نیمه‌همزمان (Semi-synchronous) استفاده می‌شود که هم از FET و هم از SBR بهره می‌برد تا هزینه کاهش یافته و راندمان نسبت به حالت غیرفعال بهبود یابد.

تولید ولتاژ منفی 12 ولت معمولاً با یک دیود معمولی انجام می‌شود، زیرا در این خط معمولاً جریان زیادی کشیده نمی‌شود (معمولاً کمتر از 1 آمپر). اما در برخی منابع تغذیه رده بالا، حتی برای این خط کوچک، مدار رگولاسیون اختصاصی وجود دارد.

برای خروجی 5VSB، معمولاً مدار کاملاً مستقلی با ترانسفورماتور جداگانه به کار می‌رود، چرا که این خط در حالت آماده‌باش (Standby) منبع تغذیه فعال است. برای تولید یا فیلتر خروجی‌های اصلی (+12 ولت، 5 ولت و 3.3 ولت)، سه نوع رگولاسیون گروهی، رگولاسیون مستقل و مبدل‌های DC-DC وجود دارد.

رگولاسیون گروهی

رگولاسیون گروهی معمولاً در پاورهای کم‌ظرفیت و اقتصادی استفاده می‌شود. برای شناسایی طراحی رگولاسیون گروهی می‌توانید تعداد سیم‌پیچ‌های بخش ثانویه را بررسی کنید و اگر فقط دو سیم‌پیچ وجود داشته باشد، رگولاسیون گروهی است. سیم‌پیچ بزرگ‌تر برای خطوط 12V/5V و سیم‌پیچ کوچکتر برای 3.3 ولت است.

در این نوع رگولاسیون، خطوط +12 ولت و 5 ولت با هم تولید می‌شوند و هر دو ولتاژ خطای خروجی خود را به کنترلر رگولاتور ارسال می‌کنند. این باعث می‌شود وقتی بار میان خطوط نامتعادل باشد، کنترلر نتواند به خوبی تنظیم صحیح را حفظ کند.

مثلاً اگر بار روی خط +12 ولت زیاد باشد و روی 5 ولت کم، ولتاژ خط دوم بالا می‌رود چون کنترلر سعی می‌کند ولتاژ +12 ولت را افزایش دهد اما به دلیل اتصال آن به خط 5 ولت، هر دو افزایش می‌یابند. به همین دلیل بیشتر پاورهای با رگولاسیون گروهی نمی‌توانند هنگام تست‌های بار نامتعادل، ولتاژ خطوط را در محدوده تلرانس +/- 5 درصد حفظ کنند.

در رگولاسیون گروهی، خط 3.3 ولت معمولاً توسط رگولاتور پس از مگنتیک آمپلی‌فایر (Magnetic Amplifier Post Regulator) از 5 ولت یا 12 ولت کنترل می‌شود. اکثر پاورهای گروهی نمی‌توانند تست “Haswell-ready” اینتل را به خوبی پشت سر بگذارند؛ در این تست تمام خطوط باید هنگام بار کامل روی خطوط کم‌اهمیت (5 ولت و 3.3 ولت) و بار حداقلی روی خط +12 ولت، داخل مشخصات ATX باقی بمانند.

رگولاسیون مستقل

رگولاسیون مستقل در پاورهای با ظرفیت و عملکرد بالاتر استفاده می‌شود که صرفه‌جویی در هزینه اولویت کمتری دارد. در این نوع، هر خروجی DC اصلی توسط مدار مستقلی تولید می‌شود و بار نامتعادل بین خطوط باعث ایجاد مشکل ولتاژ نمی‌شود. خط +12 ولت توسط کنترلر رگولاتور اصلی و خطوط 5V/3.3V توسط رگولاتورهای پس از مگنتیک آمپلی‌فایر کنترل می‌شوند.

برای شناسایی یک پاور با رگولاسیون مستقل، به تعداد سیم‌پیچ‌های حلقوی (توروییدی) در بخش ثانویه توجه کنید؛ اگر سه عدد سیم‌پیچ داشت، یعنی برای هر خط یکی و رگولاسیون مستقل است و بنابراین در بارهای نامتعادل مشکلی نخواهد داشت.

مبدل‌های DC-DC / ماژول‌های رگولاسیون ولتاژ

در بسیاری از پاورهای امروزی، خطوط فرعی (5 ولت و 3.3 ولت) به طور مستقل با استفاده از مبدل‌های پایین‌دهنده (Buck Converters) تولید می‌شوند. در این حالت، این خطوط از طریق خط +12 ولت تولید می‌شوند که باعث افزایش قابل توجه راندمان و بهبود عملکرد حتی در بارهای نامتعادل می‌شود. در برخی پلتفرم‌های رده بالا، مبدل‌های DC-DC روی بردهای مدولار نصب می‌شوند تا اتلاف انرژی ناشی از انتقال توان به حداقل برسد.

قبل از رفتن به مرحله بعدی، باید تأکید کرد که سیم‌پیچ‌های توروییدی قرار گرفته بعد از یکسوسازها نه تنها در یکسوسازی بلکه در فرآیند فیلتر کردن نقش دارند، زیرا به کاهش ریپل، ولتاژ و جریان در خروجی‌های DC کمک می‌کنند. با این حال، در پاورهایی که از مبدل‌های رزونانسی LLC استفاده می‌کنند، معمولاً در بخش ثانویه برای تولید ولتاژ +12 ولت سیم‌پیچ توروییدی وجود ندارد و اگر هم باشد، فقط برای فیلترینگ کاربرد دارد.