Слабое место блоков питания ATX. Почему компьютер странно, плавающе глючит без очевидных причин?

В этой статье поделюсь частью знаний на стыке радиолюбительства и компьютеров. Постараюсь статью сделать краткой и полезной. Но это не точно :)

Расскажу вам об одном из гадких, неприятных “приколов”, которые довольно сложно детектировать. Но они доставляют периодическую боль ^[1].

Симптомы проблем

Ваш стационарный компьютер ведёт себя несколько странно. Периодически, не сразу, а где-то от получаса-часа (иногда до пары часов может быть всё нормально, а потом..) с момента его включения – начинаются какие-то странные глюки. Поначалу мелкие. Но чем дальше, тем веселее. Могут подлетать драйвера, переподключаться устройства. При этом – видимых причин проблем нет.

В диспетчере задач нет перегрузок. И в hwmonitor c напряжениями и температурами всё в пределах нормы. Но периодические странные глюки возникают.

Причем главный паттерн – они имеют корреляцию не с нагрузками, а скорее со временем включения компьютера. Выключили ПК, дали постоять (или полезли внутрь разбирать и продувать) – запустили, проверяем. И все в норме. Но через полчаса – час они опять вылезают.

Драйвера и система в норме. sfc и DISM не показывает никаких проблем. А вот журнал системы – показывает странности.

К слову, первыми проблемы обычно начинают подкидывать драйвера тех устройств, которые потребляют много энергии. И у которых много преобразователей. К примеру дискретные видеокарты. Это не однозначная закономерность, но если приходится перекидывать драйвера – повод задуматься.

В общем, все выглядит так, будто в вашем ПК завелись “антификсики”, которые просыпаются через час-другой. И начинают по мелочи вам “гадить”. В общем – проблема плавающая, и куда копать – непонятно.

И да, это обычно не происходит с самыми новыми компьютерами. Что прямо из магазина. Но уже через полгода (если не повезло) – год оно может начаться.

В моей истории такая боль была с компьютером моего отца. И он вдобавок ещё и обычный пользователь. Самый настоящий физик-теоретик в возрасте. Пару лет я только и делал что периодически приезжал, проверял буквально всё. Продувал ПК, менял компоненты. И при мне – ничего не происходило.

Как диагностик, тут уже потихоньку начинаешь сходить с ума и верить в домовых.

Так бы оно всё и продолжалось до полного сумасшедшего дома, пока я, по случаю – не прикупил себе осциллограф и транзистор тестер. Иначе в жизни до этого не догадался туда посмотреть.

Откуда берутся эти обиженные фиксики и причем тут осциллограф?

Так откуда берутся эти самые разозлённые фиксики? И почему их почти ничего не берет – кроме полной замены ПК?

Постараюсь вас долго не мучить. Но это не точно :) Хотя бы общую теорию дать. Две основные причины для появления подобных плавающих ошибок в ПК (которые многие адресуют на драйвера и криворуких программистов) – температура и напряжения. А внутри блоков питания ATX – возникает их смесь.

Локальные перегревы могут приводить к нестабильности работы. Именно поэтому даже не самые современные компьютеры оснащаются уже много десятилетий множеством датчиков температур. Но с температурами попроще. Ибо у нас есть и свои детекторы. Просто руки. Ну, куда ими можно долезть.

А вот с напряжениями и стабильностью питания дела намного сложнее и хуже.

Первое – “встроенных” в тело детекторов напряжения (отличить 2.9 от 3.4 вольта, либо 11.8 против 12.7) мы не имеем уж точно :) Как минимум нам нужен мультиметр.

Второе – да, компьютер имеет и множество встроенных датчиков напряжения. Порой даже больше чем датчиков температуры.

Но тут важно понимать – как и те и другие датчики то работают? Перед тем как дать вам результаты измерений – каждый из этих датчиков сделает сотни, или даже тысячи замеров, усредняют показания (датчики дешевые, разброс большой) и выведут их вам.

Для температуры этой точности более чем достаточно. А вот для напряжений – не всегда.

Стандарт ATX, если прочитать его в любой статье – накладывает требования по напряжениям питания, и допустимым диапазонам. Это легко проверяется. даже без приборов. И знает об этом почти любой системный администратор.

Но если читать стандарт внимательнее (и не в популярных статьях) то выясняется: нормируются не только уровни напряжений (которые отлично видны). Но и – уровни их пульсации. И вот этого уже никакие мелкие датчики с их тысячами измерений в секунду – не увидят.

Откуда берутся эти самые пульсации?

Блоки питания у нас – импульсные. И работают на десятках килогерц. И эти пульсации – неизбежное следствие.

Почему эти пульсации важны и нормированы?

Потому что эти импульсы – достаточно высокочастотны. И если их не фильтровать – они спокойно себе проходят по всей чувствительной ВЧ (а процессор, память ^[2], шины – весьма себе ВЧ чувствительные) технике почти без проблем. И неплохо её сбивают с толку.

Обещал не тянуть, а сам цитируешь документацию ATX. Где обещанное слабое место?

Чуть терпения. Мы почти на месте. Перед вами на фото – плата блока питания ATX 90х годов.

На ней справа налево. 2 большие банки и первый радиатор – Высоковольтная часть. Напряжения за 300 вольт. Токи – несколько ампер. Холодная но высоковольтная часть.

Далее, между радиаторами – блок с трансформаторами. Силовой – обведён красной рамкой. Два поменьше – для дежурного питания и обратной связи (контроль напряжения). Сюда, на силовой трансформатор мы подаем 300 вольт, а снимаем наши десятки и стабилизируем выход. Это часть теплее.

А начиная от второго радиатора ( справа-налево, напоминаю) начинается действительно горячая часть. Тут токи – десятки Ампер. На радиаторе – множество диодных сборок. Нагрев сильнее первичного.

Далее – дроссель групповой стабилизации (большая катушка в рамке) и множество “банок”. Тут выходное напряжение стабилизируется. Это и есть самое слабое место в ATX БП.

Выравнивающие конденсаторы возле дросселя. Данные конденсаторы как раз и отвечают за накопление (в пики зарядки) энергии, и сглаживают пики импульсов. В простых схемах выравнивания конденсаторы способны работать десятилетия.

Но уже при частотах в десятки килогерц – нагреваются. И все радиолюбители (и уж конечно, проектировщики блоков питания) об этом знают. Минусом компоновки тут – является близость нехолодного группового дросселя. Через него импульсами идёт весь выходной ток. Это уже ухудшает ситуацию. А вдобавок – ещё и 3 мощных резистора для балансировки. Тоже греются.

У нас уже в наличии – узел с большим количеством греющихся элементов. А рядом и радиатор диодов. Ещё не критично, но уже совсем нехорошо.

А теперь откуда взялась настоящая боль. Это был БП 90х годов. Линия 12 вольт на нем была второстепенной и слабой. Но начиная с 2000х годов выяснилось – что напряжение 12 вольт выходит в приоритет. И нам нужны уже не единицы а десятки ампер.

Это означает: более мощный трансформатор, больше диодных сборок на 12 вольт (ранее была 1 сборка из 2х диодов. Сейчас обычно – 4 сборки, каждый минимум на 10 Ампер).

А ещё, раз нам нужны более высокие токи – то и фильтрующие конденсаторы нужны большей емкости. И размера. И в том же пространстве! И плотность узла стабилизации (групповой дроссель+ выходной фильтр) в современном блоке питания на фото ниже.

Смотрим на выходные фильтрующие конденсаторы. И… Мы их под проводами даже не видим.

К выводу: во всех стандартного размера БП фильтрующие конденсаторы уплотнены греющимися элементами. И прикрыты от обдува проводами.

Что особенно неприятно – 2-3 главных конденсатора расположены впритык К дросселю. И уже почти не охлаждаются обдувом. А самое забавное – горячее всего оказываются именно “банки” на основные линии по 12 вольт!

Или краткий вывод:

Самые главные по нагрузкам,
Самые большие по размерам и емкостям,
Самые большие и критичные по фильтруемым токам,
Самые важные по качеству фильтрации,
фильтрующие конденсаторы по линиям +12В – в современных ATX ИПБ – оказываются самой горячей и плотной зоной в современном ИБП. Они буквально находятся в печке.

Сами почти не охлаждаются из-за плотной компоновки, но ещё и соседствуют со множеством дополнительных источников тепла.

При таких условиях эксплуатации – происходит их быстрая деградация.

А с ухудшениями качества этих фильтров – увеличивается уровень пульсаций на выходе.

То есть источники многих злых фиксиков в системе – это они.

Как же так инженеры дико промазали, спросите вы? Все всё видели, знали и понимали. Но помимо требований по повышению мощностей потребления (с базовых в среднем 100Ватт с середины 90х и до современных хотя бы 400) – допустимые размеры блоков питания стандарта ATX – не выросли ни на миллиметр! Ибо требования к компоновке.

В общем – для гораздо большего по размерам, токам и тепловыделению фильтрующего блока в ATX ИБП взять больше места было попросту неоткуда.

Были некоторые эксперименты с доп. платами (двухэтажки) в середине 2000х. Но в массы они не пошли. Они мешали возросшим по размерам вентиляторам охлаждения (во всю верхнюю крышку) и увеличившимся в количестве – выходным проводам.

И грамотные инженеры делали то что могли: поднимали качество используемых емкостей. Массово переходили на “более горячие” фильтрующие емкости. Если в 90х стандартом для конденсаторов был рабочий допуск 85 градусов, то сейчас у всех приличных производителей – уже тут давно более температурно-стойкие емкости на 105 градусов от топовых производителей и с низким ESR.

Но вот другая проблема: конденсаторы с высокими рабочими температурами, большими емкостями и малыми размерами – значительно дороже. Ну а более простые по параметрам “аналоги” – первое время, в стадии продаж, тестирования, и первых недель или месяцев эксплуатации почти не показывают отличий.

А значит – рынок заполонили “намного более дешевые аналоги”. Первые недели или месяцы с момента продаж – они работают “ничуть не хуже”. Но стоят намного дешевле. Но уже спустя год со старта эксплуатации – подсыхающие от вечного перегрева бытовые емкости начинают мягко намекать о себе.

Есть же специальные тестеры для блоков питания, что цепляются к разъему матплаты и сразу всё показывают!

Эти тестеры есть, и они полезны. Но они смотрят именно и только на напряжения при какой-то определенной нагрузке, заложенной в само устройство. По сути там стоят светодиоды и операционные усилители в режиме компаратора (сравнение с эталоном. Отклонение выше – зажигаем красных светодиод). Пульсаций они не видят. А проблемы с блоком питания покажут гораздо позже, когда уже убитые емкости начнут приводить к таким просадкам напряжений, которые контроллер уже не сможет исправлять.

Вдобавок, имея осциллограф – можно проверить и даже новый блок питания при первичной установке. Не продали ли тебе какой-то кусок неизвестно чего, что уже с завода еле ползает в стандартах?

Как это проявляется на практике, и как это увидеть?

Поначалу никак. Напряжения на выходе мы видим те же самые. Со временем от деградации фильтров (высыхания электролитов конденсаторов, в первую очередь около дросселей и диодов) – увеличиваются лишь пульсации.

И только уже при очень серьёзных потерях параметров емкостей – когда конденсатора начинают терять энергию десятками % – мы начинаем видеть некие просадки напряжений на десятые доли вольт.

Но пульсации мы не видим. И без специальных приборов – увидеть и детектировать их невозможно.

Для примера, покажу мой ПК.

Как мы видим на изображении по линии 12 вольт, если бы мы ориентировались на мультиметр (или на внутренние датчики напряжения в матплате) – у нас всё отлично, и нет причин даже думать о нём.

Осциллограф же показывает другую картинку. Пульсации в районе 120мВ. Блоку питания, к слову более 5 лет. Cougar 700 Wt. Нагрузка Core i7 4770, gtx 1050, 1HDD 3Tb, 2 SSD, 32Gb Ramm. ЧП нет, но уже стоит подумать о профилактике ИБП.

По линии 5Вольт ситуация обратна. Мультиметр показывает что на линии напряжение “немного низковато”. И это может напрячь. Но на осциллографе совсем другая картинка. Тут всё хорошо.

Кому интересно – для ясности данные о компьютере и его нагруженности в момент замера

Можно ли увидеть проблемы как-то по другому, без осциллографа? Ну, иногда сильно поджаренные конденсаторы вздуваются либо текут электролитом. Но далеко не все и не всегда можно увидеть без выпайки деталей и их проверки по отдельности. Вне схемы.

А почему материнские платы не отслеживают пульсации? У них же стоит куча датчиков?

Да, датчиков куча. Но все они работают как дешевые и периферийные измерители. И частота снятия данных – тысячи замеров в секунду. И они обрабатываются дешевыми (копеечными) микроконтроллерами.

Для хотя бы приблизительного измерения уровня пульсации (чтобы эти пульсации хотя бы нарисовать на экране) – нужен уже совсем другой порядок измерений. Самые простые “осциллографы-показометры”, которые считаются чуть ли не игрушечными – уже должны уметь возможность измерять и обрабатывать хотя бы десятки миллионов снятых сигналов секунду.

Этот параметр обозначается в сэмплах. Точнее в реальном мире – сотнях мегасэмплах (на дешевых и бытовых) и Гигасэмплах (на чем-то посерьёзнее) устройствах. Ну а ещё и нужны процессоры, что смогут получать и обрабатывать такой поток данных. Ардуино с такими задачами (без разгона как минимум) уже не справляется. Нужны устройства “помощнее”.

На материнских платах банально для таких мини-компьютеров, учитывая что у них есть и множество других, куда более важных задач – места нет.

Что делать? Как детектировать? Как бороться?

Что делать? Первое – не покупать “мощных и дешевых” неизвестных китайцев, которые по первости – реально не уступают по качеству. Смотреть на сертификацию 80+ (там несколько уровней, на каждом из них свои, серьёзно повышающиеся требования. Платина так вообще изначально – выглядела как нечто космическое, неизвестно как этого добиваться) .

Пусть это и не гарантия качественных компонентов, но каковы причины чтобы на хорошее устройство её не получать? И да, на фейковые “китайские сертификаты” типа 90+ смотрим и проходим мимо. Если люди пытаются так маскироваться -что там под капотом будет то? Рис и солома?

Детектировать просто. С помощью даже самых простых “осциллографов-показометров” уровни пульсации вполне себе видны. Благо развитие микроэлектроники сделало их доступными. В бытовом классе самые дешевые варианты стоят от нескольких тысяч рублей.

Как бороться? Первое – не берите блоки питания неизвестных производителей. Если нужен мощный – постарайтесь найти в размерах более чем стандартный ATX.

Простой способ проверить на коленке, без приборов

Есть более простой способ проверить проблемы, чем цеплять осциллограф за минимум 10 тысяч рублей? Методом комбинаторики – есть. Можно переключить системник с плавающими и непредсказуемыми проблемами – к другому блоку питания, от компьютера, с которым точно всё хорошо. И понаблюдать. Без аппаратуры но при наличии запчастей для ротации и времени – вполне рабочий способ.

А может перепаивать емкости дома, дедушкиным паяльником?

Можно ли перепаять емкости? В принципе да, но импульсный блок питания для человека без опыта ^[5] ремонта силовой техники да с базовым паяльником? Без транзистор тестера да без опыта – это окажется угадайкой с весьма непредсказуемым исходом.

Не то место куда стоит лезть начинающему в радиоэлектронике. В случае ошибки ^[6] – компьютерный блок питания на старте может просто превратиться почти в замкнутый провод между контактами. И в лучшем случае неплохо бабахнет. Минимум включать для проверки через лампочку (последовательно). Но вот беда – APFC блоки питания через лампочку заводятся очень плохо и далеко не всегда.

В горячей части огромные токи, а в холодной – напряжение что легко может убить. Ну и извлеченная плата никак не защищает от поражения током. Тут нужно точно знать что ты делаешь. Иначе токнет так, что мало не покажется.

Так а что было с компьютером отца из начала истории?

Было все весело. Пару лет он жаловался на странное поведение ^[7] ПК. Я периодически приезжал, видел ошибки драйверов в журнале, подлечивал систему. Очищал от пыли. Разбирал-собирал. Проверял – все в норме. И оно так повторялось по кругу. Проблем было не видно – пока не подключил осциллограф. Там были настоящие волны. Почти идеальный шторм :)

Разобрав блок питания и добравшись до конденсаторов – я ничего смертельного поначалу не увидел. НО выпаяв ближайшие к дросселю 5 штук – уже обалдел. На плате были очевидные следы потеков электролита. До распайки – их не было видно из за плотности.

Проверка транзистор тестером показала: они все давно мертвы. Показатели емкостей – раза в полтора-два выше номинала на этикетке (так бывает), ESR десятки или даже сотни Ом. Потери энергии – десятки %.

Замена всех их блок питания оживила. Я поставил лучшее что у меня было. Jamicon серию на 105 градусов. Правда долго долбался с запуском блока питания через лампочку. Блок питания был с APFC. Это крайне полезная вещь. Но имеет проблемы с запуском через лампу последовательно. Лампа ограничивает стартовый ток, а APFC это не нравится. Если обычно хватает лампы на 40-60Ватт, чтобы понять – есть замыкание или нет. То с APFC – пришлось брать целый ряд до 300Ватт и подбирать – с какой из них запустится на холостом ходу без нагрузки.

После любой пайки блоки питания (особенно импульсные) категорически запрещено включать напрямую в сеть без защиты. Лампа (обычная, со спиралью накала) как раз такой защитой и является – если блок замкнет напрямую – она загорится в полный накал, но ограничит ток. И не даст блоку питания сгореть.

После такого ремонта – блок питания жив и здоров до сих пор. Ну а я, если вдруг приходится “посмотреть компьютер” (и не получается отказаться) – теперь всегда держу при себе осциллограф.

Но поясню: только для проверки включения БП ATX с APFC – мне пришлось полдня городить целый стенд. И через него обязательно проверять блоки питания – после любой перепайки. На банальный мусор или случайные мостики.

Предупреждение: Пожалуйста, поверьте старой черепахе, что научена на опыте ни раз.

Импульсные блоки питания – точно не задача для новичка. Не умеете паять силовую часть – лучше не влезайте сами. Отдайте профессионалам, или хотя бы подучитесь сами. Там в первичке энергии хватит чтобы несколько раз убить.

Итог. Подходим к выводам

Подозрение на блок питания усиливается, если:

• сбои появляются не сразу, а через 30–90 минут после включения;

• симптомы плавающие и разнородные: от переподключения устройств до странных сбоев драйверов;

• явной связи с нагрузкой нет, но есть связь со временем прогрева;

• температуры процессора, видеокарты и накопителей в пределах нормы;

• встроенные датчики и мультиметр показывают “всё нормально”;

• после выключения и остывания ПК проблема временно исчезает;

• система, память и накопители по базовым проверкам не дают явных ошибок;

• при подмене БП на заведомо исправный симптомы исчезают или заметно слабеют.

Что важно помнить

• Нормальные средние напряжения ещё не означают, что с БП всё хорошо.

• Главная скрытая проблема стареющего БП — рост пульсаций и ухудшение фильтрации.

• Такие неисправности часто маскируются под “кривые драйверы”, “глюки Windows” или случайные аппаратные сбои.

• Без осциллографа это плохо видно, поэтому на практике самый простой бытовой тест — подмена блока питания.

P.S. Ну что, как и всегда ранее – хотел написать “небольшую статью”. Но по пути “снова что-то пошло не так”.