Một số điều cần biết về bộ nguồn máy tính- Power supply unit( PSU)


- Nguồn máy tính (PSU) là gì? : Cách hiểu đơn giản nhất đó là 1 mạch điện tử có chức năng biến đổi điện năng . Từ lưới điện AC~ 220V/110V  thành các cấp điện áp DC nhỏ như 12v 5v 3.3v... để cung cấp năng lượng cho các thành phần  điện tử của 1 hệ thống máy tính.-PSU hoạt động như thế nào : các bộ nguồn thường được chia làm 2 loại
 Linear power supply  &  Switching power supply  (SMPS). bộ nguồn máy tính chúng ta đang sử dụng được xếp vào loại thứ 2 Switching power supply (SMPS)
bộ nguồn Switching hoạt động theo nguyên tắc thay đổi  tầng số điện áp cấp vào biến áp để cho điện áp ra theo mong muốn . Cách làm này giúp thu nhỏ kích thước bộ nguồn xuống nhưng vẫn có khả năng cung cấp 1 mức công suất khá lớn.  . Có rất nhiều công nghệ được ứng dụng trong sản xuất nguồn switching  nhằm tăng hiệu suất hoạt động cũng như tăng chất lượng điện áp đầu ra

sơ đồ khối đơn giản cấu tạo 1 PSU thông dụng

-Các thuật ngữ thường hay được nhắc tới khi tìm hiểu về PSU:
  -công suất thực : là công suất lớn nhất mà PSU có thể hoạt động ổn định trong 1 thời gian dài
  -công suất danh định: là công suất nhãn trên PSU được NSX tính toán dựa trên công suất thực của PSU để xác định mức công suất an toan nhất, Thường các bộ nguồn cao cấp có công suất thực lớn hơn mức công suất danh định 1 khoảng ( khoảng đó còn được gọi là phần overload ) các bộ nguồn giá rẻ thường có mức công suất danh định ngang mức công suất thực của PSU
  -công suất đỉnh ( Peak power) : là mức công suất tối đa mà  PSU có thể đạt tới trong 1 khoảng thơi gian và điều kiện nhất định.  chúng ta không nên sử dụng nhiều tới mức công suất này vì dễ làm tổn hại PSU hay thậm chí các linh kiện khác trong máy tính
  -Nguồn noname : là những bộ nguồn có NSX ko rõ ràng. CHất lượng kém, Ko có các mạch bảo vệ an toàn. Công suất thực nhỏ hơn công suất danh định nhiều lần
 -Các chế độ bảo vệ thường thây trên 1 PSU :
      -OCP : bảo vệ quá dòng
      -UVP : bảo vệ hạ áp
      -OVP : bảo vệ quá áp
      -SCP : bảo vệ ngắn mạch / chạm mạch
      -OPP : bảo vệ quá công suất
      -OTP : bảo vệ quá nhiệt
 -PFC (power factor correction): là  mạch Hiệu chỉnh hệ số công suất . Được gắn vào khu vực ngõ vào trong PSU . Nhiệm vụ của mạch PFC là làm giảm độ lệch pha giữa dòng điện(A) và điện áp(V) góp phần tăng hiệu suất sử dụng năng lượng

-Non PFC PSU : là các PSU không được trang bị mạch hiệu chỉnh công suất( PFC) các PSU này thường có công suất nhỏ và có tuổi đời khá lâu . Ưu điểm là rẻ, cấu tạo đơn giản, Nhược điểm là hiệu suất thấp ~70% , công suất đỉnh không được cao và dải điện áp có thể làm việc nhỏ nên các PSU này thường có 1 công tắc màu đỏ chuyển dòng điện 110/220v ở phía sau để chuyển điện bằng tay hoặc NSX có thể cố định ở 1 dãi điện áp duy nhất . Các PSU này đang dần được thay thế
Non PFC

-Passive PFC (PPFC) PSU : loại PSU này được trang bị mạch PFC thụ động sử dụng cuộn cảm lõi thép và tụ bù để nâng hệ số công suất. điểm dễ nhận biết nhất là các psu này thường có 1 cuộn cảm nhìn trong giống 1 biến áp lõi sắt khá nặng và 1 cặp tụ lọc chính khổng lồ bên trong. Hiệu suất có hơn PSU nonPFC tuy không được nhiều . tương tự các PSU non PFC các PSU PPFC cũng chỉ có thể hoạt động ở các dải điện áp hẹp mà thôi. Hiện tại khá ít nhà sản xuất sử dụng mạch PPFC cho các PSU  của mình vì hiệu quả đem lại không cao
Passive PFC

- Active PFC(APFC) PSU: đây là loại PSU được trang bị mạch PFC chủ động. Mạch APFC là 1 mạch boost converter có nhiệm vụ cung cấp 1 dòng điện ổn định khoảng 300VDC  cho phần còn lại của PSU. PSU được trang bị mạch APFC thường có hiệu suất hoạt động cao thường >80% , Mức công suất khá lớn. Tuy nhiên vì giá thành sản xuất khá đắt nên các nhà sản xuất có chia APFC thành 2 loại chính
APFC full range 88~264VAC: Các PSU này được trang bị mạch APFC có thể hoạt động ở mọi dải điện áp dân dụng trên thế giới. Bạn sẽ không cần phải chuyển điện bằng tay như các PSU khác. Ở những nơi điện chập chờn thì đây là 1 sự lựa chọn tốt nhất có thể
APFC short range 180~240VAC: để giảm chi phí  và nâng hiệu quả kinh tế các NSX chế tạo ra PSU sử dụng mạch APFC short range cho các khu vực sử dụng điện ap 220VAC. Các PSU APFC này thường sử dụng linh kiện có  trị số nhỏ hơn các PSU APFC fullrange do chỉ phải hoạt động duy nhất trên lưới điện 220V . Tuy chỉ hoạt động với dải điện áp hẹp nhưng khác với các PSU nonPFC/PPFC các PSU APFC short range có hiệu suất hoạt động cao hơn và khả năng ổn định dòng điện tốt hơn
Hiện tại các PSU sử dụng mạch APFC nói chung đang ngày càng xuất hiện nhiều hơn do hiệu quả mà nó đem lại khá cao
Active PFC

-Hệ số PF ( power factor) :  Tỉ lệ giữa công suất tiêu thụ thật và công suất phản kháng được gọi là hệ số công suất.  Hệ số công suất có giá trị của nó được thể hiện từ 0 đến 1
.hệ số công suất càng lớn thì hao phí càng nhỏ
Hệ số công suất bằng 1 khi dòng điện và điện áp cùng pha.
Hệ số công suất bằng 0 khi dòng điện và điện áp lệch pha nhau 90 độ
các bộ nguồn có trang bị mạch APFC có hệ số PF có thể đạt tới 0.99 ,Các bộ nguồn NonPFC PPFC có hệ số công suất chỉ trong khoảng 0.6 cho tới 0.8


-80PLUS là gì? : 80plus là 1 chứng nhận quốc tế về hiệu suất có địa chỉ website :http://www.plugloadsolutions.com/80...
Hiện tại có 6 mức đánh giá về hiệu suất của psu . Hiệu suất càng cao thì hao phí của việc biến đổi điện năng của psu càng thấp Hiệu suất trên lưới điện 220V thường cao hơn 110V. Tuy vậy các chứng chỉ này không thể hiện hoàn toàn đủ về chất lượng của PSU mà chỉ đánh giá về Hiệu suất của PSU mà thôi

-Single rail 12v vs Multi rails 12v: đây là 2 từ hay được người bán nhắc tới khi  đi mua PSU . ở đây chúng ta chỉ nhắc tới các khái niệm chính
         “khái niệm multi rails xuất hiện khi tiêu chuẩn ATX12V phiên bản 2.0 ra đời, trong phiên bản này nó yêu cầu các nhà sản xuất PSU nên thực hiện theo khuyến cáo an toàn của tiêu chuẩn UL (Underwriters Laboratories) và EN 60950. Yêu cầu PSU cần phải có mạch giới hạn dòng không cho mỗi đường 12VDC trên PSU không được vượt quá công suất 240VA tương đương với dòng điện là 20A (20A*12V=240W hay 240VA).”
Như vậy các PSU có đường 12v lớn hơn 300W cần phải chi nhỏ đường 12v tổng ra thành các đường 12v nhánh và mổi nhánh đc mạch OCP trong IC supervisor giám sát . các đường 12V nhánh này sẽ cung cấp điện cho mổi 1 bộ phận trong máy tính (Vd: CPU, VGA, HDD,mainboard). Điều này sẽ  trở phức tạp khi các thế hệ VGA đời mới mạnh mẽ có khả năng chạy song song thậm chi đa VGA  và do đó cũng ăn điện hơn rất nhiều .
multi rails 12V

Để dễ hiểu chung ta có 1 ví dụ đơn giản: 1 PSU 800W thông dụng của hãng A có 3 rail 12v mổi rail giới hạn dòng ở 20A(240W) tổng công suất đường 12v đạt tới 720w . 1 rail 12v cung cấp điện cho riêng CPU . rail 12v thứ 2 cung cấp cho mainboard và HDD , rail 12v còn lại cung cấp cho các đầu PCIex
trường hợp chúng ta lắp vào 1 CPU skylake 88W , 1 SSD và vài HDD có tổng công suất tiêu thụ khoảng 100W .1 VGA tiêu thụ khoảng 250W  tổng công suất tiêu thụ cấu hình trên rơi vào khoảng 450W và với chiếc PSU trên thì vấn đề sẽ xảy ra là PSU sẽ bị quá tải trên rail 12v thứ 3 và sẽ kích mạch OCP shutdown PSU ngay lập tức trong khi đó 2 rails 12v còn lại hoàn toàn chỉ đang tải 1 mức công suất rất nhỏ . Và phần công suất dư thừa đó sẽ không được chuyển qua cho rail 12v thứ 3 đang tải chiếc VGA ăn điện kia. Điều bắt buộc phải làm ở đây là chúng ta cần chia tải lại bằng tay để phân bố đều tải trên các rails 12v . Sẽ phải dùng  đầu chuyển molex -> PCIex để rail 12v thứ 2 cùng gánh chiếc VGA với rail 12v thứ 3 .. như vậy tổng 2rail 12v khi kết hợp lại đặt gần 500w và dễ dàng tải cả chiếc VGA và số SSD HDD đi kèm . Điều này có điểm bất lợi là chúng ta sẽ làm hệ thống dây trong case trở nên rườm rà. và phải tính toán chia tải các rails 12v

single rail 12v

       PSU single rail sinh ra để tối giản vấn đề đó . Chỉ duy nhất 1 rail 12v và Không yêu cầu buộc phải có mạch OCP ( 1 số PSU cao cấp vẫn trang bị mạch OCP cho các psu single rail tuy điểm cắt dòng của các PSU này rất cao ) ,cung cấp toàn bộ lượng điện cho PSU Không cần phải tính toán chia rail12v nữa  . Điều này giúp việc ráp  máy trở nên đơn giản, linh hoạt hơn rất nhiều . Và nhờ điều đó PSU single rail gần như chiếm lĩnh thị trường.

Multi rails 12V "lai"

       Tuy vậy một số thị trường khá khắt khe về tiêu chuẩn an toàn vẫn yêu cầu các PSU phải là multi rails 12v nếu muốn bán ở đây .Trong cái khó ló cái khôn các NSX đã tìm cách lách luật này bằng việc nâng công suất tối đa của 1 số rail 12v lên cao hơn mức 20A(240W) để làm nhiệm vụ tải VGA hoặc đa VGA. Với các PSU multi rails 12v “lai” này chúng ta có phẩm chất của cả 2 loại PSU phía trên vẫn có mạch OCP và vẫn đủ điện để cung cấp cho hệ thống.
Bên cạnh đó còn có các PSU fully digital cho phép người dùng chia rail 12v hay gọp lại thành single rail thậm chí set từng mức Ampe cho từng rail thông qua phần mềm đi kèm. các PSU dạng này thường rất đắt
-DC to DC (VRMs modul): các thế hệ máy tính hiện đại yêu tiêu thụ  đường 12V ngày càng nhiều hơn và giảm tiêu thụ các đường điện còn lại. Do vậy để tối ưu hoá việc sử dụng điện năng các NSX đã đính kèm các mạch VRMs 5v 3.3v trên đường 12V và không cần phải quấn đường 5V trên biến áp chính cũng như cần thêm 1 biến áp phụ để tạo đường 3.3v từ đường 5V nữa giúp giảm việc sử dụng các linh kiện thụ động sinh nhiệt .
Mạch VRMs là 1 mạch buck converter ( Mạch hạ áp) có nhiệm vụ hạ áp 12v xuống 5v và 3.3v  mạch này chúng ta thường thấy ở các PSU thế hệ mới và hiệu suất hoạt động khá cao  . Ưu điểm là tổng công suất của đường 12v sẽ rất lớn trên tổng công suất thực của psu ( chiếm tới hơn 90%) và với việc sử dụng sử dụng đương 5v 3.3v nhiều hay ít thì lượng công suất dự trử của 2 đường này cũng sẽ trả về cho đương 12V . và Chúng ta sẽ không lãng phí bất cứ lượng công suất dự trử nào . Ở các PSU thế hệ trước nếu chúng ta ko xài đường 5v hay 3.3v thì lượng công suất dự trử của các đường điện đó sẽ không được chuyển sang cho đường 12v
2 modul VRMs 5v & 3.3v trên 1 PSU
-Tụ nhật -Chất lượng linh kiện: trên các kênh marketing của các NSX chúng ta luôn thấy các dòng quảng cáo này . Tụ nhật như tên gọi đến từ các nhà sản xuất từ nhật bản . với chất lượng cực tốt. điều này giúp tăng độ bền cũng như sự ổn định của linh kiện khi hoạt động. các hãng tụ nhật nổi tiêng như : nippon chemicon, rubycon, nichicon, Hitachi, panasonic /matsushita , sanyo,....
bên cạnh đó còn các linh kiện bán dẫn như MOsfet và diode schottky đến từ các hãng nổi tiếng của thế giới như : infineon, Fairchild, ST microelectronic, NXP semiconductor,..
nếu PSU của bạn sử dụng  linh kiện của các hãng trên thì bạn có thể tự tin vào chất lượng chiếc PSU đang dùng
các kí hiệu trên tụ

-LLC resonant converter: Đây là 1 công nghệ ứng dụng vào mạch PWM có 2 kiểu mạch chính Half bridge( công suất nhỏ) và Full bridge ( công suất lớn) . giúp tăng hiệu suất hoạt động . Các PSU thế hệ mới 80plus gold trở lên thường sư dụng công nghệ này
-Dual forward (double forward) converter : Đây cũng là 1 công nghệ được ứng dụng vào mạch PWM . Có tuổi đời khá lâu thiết kế đơn giản và khẳng định được độ ổn định và được đại đa số NSX sử dụng, thường được dùng cho các PSU có hiệu suất từ 80plus gold trở xuống
-Modular vs Non Modular : cáp rời & cáp liền . Chỉ loại cáp mà PSU sử dụng. Loại rời thì tiện lợi cho việc đi dây trang trí case bù lại giá sẽ đắt hơn loại cáp liền
- Fully Digital PSU : Đây là dòng PSU công nghệ cao nhất hiện tại thay vì sử dụng các IC chuyên dụng để điều khiển hoạt động mọi bộ phận của PSU. các PSU này sẽ sử dụng vi điều khiển (MCU) dưới sự lập trình của NSX sẽ điều khiển với độ chính xác cao và giao tiếp trực tiếp với người dùng thông qua phần mềm được cài trên máy tính. Đại diện duy nhất của dòng sản phẩm này là thế hệ PSU AXi của corsair

-Các thông số đánh giá chất lượng PSU
     Hold up time: thể hiện khả năng lưu điện của PSU ngăn chặn tình trạng sốc điệu nếu có . theo chuẩn ATX mức tối thiểu mà 1 psu phải vượt qua là 16mS ( mili giây).
     Ripple & noise : (Mức độ Nhiễu cao tầng / Nhiễu AC) là 1 trong những yêu chí đánh giá chất lượng điện áp đầu ra của PSU, Các xung nhiễu này có thể gây hại cho các linh kiện bán dẫn tinh vi của hệ thống máy tính   . Theo tiêu chuẩn ATX ripple& noise phải nhỏ hơn giá trị được ghi trong bảng dưới đây

1 PSU được đánh giá Ripple & noise của đường 12v như sau:
trung bình  trong khoảng 80 tới 120mV
Khá 40 tới 80mV
tốt 20-40mV
rất tốt <20mV
tệ khi >120mV
các đường điện còn lại 5v ,3.3v , 5vsb
tốt <25mV
khá 25-50mV
tệ >50mV

      Dao động điện áp: là tiêu chí thường thấy nhất khi đánh giá chất lượng điện áp psu, điện áp đầu ra không được giao động quá lớn vì có thể làm hại các mạch VRMs trên mainboard hoặc làm hỏng các chip điều khiển
1 số PSU cao cấp được NSX thiết kế để độ biến thiên khi tải chỉ trong khoảng 3% thậm chí 0.5% cho tất cả các đường điện
với tiêu chuẩn ATX ta có thông số như bảng dưới đây . Đây là các thông số các PSU sản xuất ra buộc phải đạt

Comments