Железо

Увеличение КПД выпрямителей импульсных блоков питания

Очень важную роль в увеличении прибыли от майнинга играет снижение текущих расходов. Львиную долю расходов при добывании криптовалют составляют траты на оплату электричества.

Для уменьшения сумм в платежках за электричество необходимо занижать потребление видеокарт с помощью даунвольтинга, а также использовать более эффективные блоки питания, меньше расходующие электричество на тепловые потери.

Одним из способов уменьшения расходов на электричество является модернизация уже установленных на фермах блоков питания.

Увеличение их КПД на 3-5 процентов экономит 30-50 ватт электроэнергии с каждого потребленного киловатта. При круглосуточном майнинге мощностью 5-10 кВт общий расход уменьшается на 10-12 киловатт ежесуточно или на 360 квт в месяц. Кроме того, улучшается температурный режим работы БП, меньше усыхают электролитические конденсаторы, что продлевает срок бесперебойной эксплуатации.

Как можно увеличить КПД импульсного блока питания?

Для увеличения КПД дешевых компьютерных (и не только) блоков питания, а также улучшения характеристик вырабатываемых ими напряжений можно сделать следующие простые шаги:

  • заменить выпрямительные диоды в первичной и вторичной цепях БП на более эффективные (с меньшим падением напряжения);
  • вместо диодного моста во вторичной цепи БП по силовой линии 12 вольт использовать синхронный выпрямитель на полевых транзисторах;
  • установить во вторичной цепи БП эффективные DC-DC преобразователи напряжения 12 вольт в 3,3 и 5 вольт (для этого нужно отключить штатные цепи и обеспечить подачу с преобразователей на супервизор БП стабильных напряжений 3,3 и 5 вольт);
  • поменять электролитические конденсаторы ИБП на более современные полимерные с маленьким ESR;
  • заменить дросселя индуктивных фильтров на более мощные с равной или большей индуктивностью, перейти на схему резонансного преобразования LLC путем установки дополнительного колебательного контура для улучшения формы тока использующегося в БП (что уменьшает потери);
  • отключить схему управления скоростью вращения вентилятором, подключив его непосредственно к 12 вольтам. При майнинге БП постоянно должен хорошо охлаждаться и эта схема работает только в первые минуты работы блока, все остальное время простаивая;
  • установить на каждую выходную линию питания (в особенности на +12 В) качественные электролитические конденсаторы (равной или большей емкости, чем установленные).

Модернизация выпрямителя БП оправдана увеличением его КПД, результирующим уменьшением тепловыделения, продлением срока службы электронных компонентов блока, особенно его электролитических конденсаторов. Работа и потраченные средства окупятся за несколько месяцев за счет денег, сэкономленных на оплату электричества.

В данной статье рассматривается увеличение энергоэффективности ИБП при помощи установки более качественных выпрямительных диодов. Этот способ не требует проведения глубокой модернизации блока питания и может проводиться при профилактических работах с БП одновременно с его чисткой, заменой высохших электролитов. За счет простой замены диодов можно незначительно увеличить КПД блока питания на 1-2 процента (в зависимости от качества изначально установленных компонентов).

Описанные в статье способы увеличения КПД блоков питания можно применять только лицам с пониманием особенностей работы импульсных блоков питания, знанием техники безопасности при работе с высокими напряжениями, а также четким пониманием того, что они делают при модернизации схемы.

Общий КПД блока питания с диодами Шоттки во вторичной цепи вряд ли получится сделать выше 86%. Чтобы довести его до 96% и более, нужно использовать синхронный выпрямитель по самой нагруженной линии 12 вольт.

От чего зависит КПД диодного выпрямителя?

Самый большой эффект на увеличение КПД блока питания дает усовершенствование системы выпрямления переменного/импульсного тока.

В простых БП используют диодные схемы выпрямления. Их КПД в основном зависит от падения напряжения (Uобр или Vfm) на p-n переходах диодов:

Падение напряжения связано с наличием обратного сопротивления у полупроводникового перехода и обусловлено необходимостью затратить энергию на преодоление его энергетического барьера. Чем оно меньше, тем меньше энергии теряется на диоде в процессе выпрямления.

Падение напряжения Vfm различных полупроводниковых материалов значительно отличается, так, на кремниевых (дешевых) диодах Vfm равно 0,65-1,2 В, на германиевых (дорогих) диодах – 0,25-0,3 вольт, на диодах Шоттки (приемлемая цена) — 0,35-0,8 В.

Величина Vfm на диоде нелинейна и зависит от свойств полупроводника (концентрации носителей электронов/дырок), величины протекающего тока и обратно пропорционально температуре.

Вольтамперные характеристики кремниевых и германиевых диодов:

Вольтамперная характеристика диодов Шоттки в сравнении с кремниевыми диодами:

Германиевые диоды имеют прекрасные показатели, но дороги, работают на малых токах и напряжениях, кремниевые – дешевы, могут работать на высоких напряжениях, имеют низкий КПД. Диоды Шоттки работают только на низких напряжениях и высоких токах, имеют хороший КПД при приемлемой цене.

Почему нужно обращать внимание на потери мощности на выпрямительных диодах?

В маломощных блоках питания, при небольших потребляемых токах, потери мощности в абсолютных значениях не так велики, поэтому ими можно пренебречь. При увеличении потребляемой мощности тепловые потери, вызванные падением напряжения на выпрямительных диодах, становятся ощутимыми. Например, у блока питания нагруженного на 1000 ватт (ферма на 6-8 видеокарт типа Radeon RX580), ток протекающий по линии 12 вольт равен 1000/12=83,33 ампер.

Тепловые потери на одном выпрямительном диоде Шоттки с Vfm=0,5 составят 41,66 ватт, а при Vfm=0,6 — уже 50 ватт.

В простых моделях ИБП в качестве выпрямителя обычно используют диодные мосты. В них работает обе полуволны входного переменного тока, в каждой из которых работает по два диода:

Паразитная тепловая утечка диодного моста с одинаковыми диодами будет примерно соответствовать величине их Vfm, умноженной на два.

В случае использования фермы с полностью нагруженным БП Chieftec A-135 (APS-1000CB) с диодами Шоттки MBR30100CT (Vfm = 0,85 вольт), потери на низковольтном выпрямителе +12 вольт составят 83,33х2х0,85=141,66 ватт (14,16%), что за месяц даст 102 квт потраченной попусту энергии. При замене на улучшенные диоды SBR30A60CT, изготовленные по технологии Super Barrier Rectifier с Vfm = 0,6 вольт, потери уменьшаться до 2х83,33х0,6=100 ватт (10%), что на 4,16% улучшает общий КПД блока питания.

Эти расчеты верны для диодного моста, для однополупериодного выпрямителя, а также для выпрямителей со средней точкой выигрыш будет в два раза меньше, так как у них на каждой полуволне выпрямление осуществляется одним диодом.

В первичной цепи ИБП, работающей на напряжениях 135-320 вольт, проходит ток порядка 3,2-10 ампер (в 1000-ваттном БП). На двух выпрямительных диодах диодной сборки GBU806 с Vfm=1 вольт падает около 2х(от 3,2 до 10) =6,4-20 ватт (0,6-2%). На качественной сборке LVB2560 с Vfm=0,76 падает 2х0,76х(от 3,2 до 10) =4,9 до 15,2 ватт (0,49-1,52%).

Нужно отметить, что КПД блока питания, работающего на 230 вольт выше, чем того, который работает на напряжении 110 вольт из-за уменьшения тока в первичной цепи (что приводит к уменьшению теплопотерь на обратном сопротивлении диодов). Поэтому в США, где напряжение в сети составляет порядка 110 вольт, реальный КПД одного и того же БП (из-за увеличения тока в первичной цепи) немного хуже, чем в Европе, где используется питающее напряжение 220-230 вольт.

Выпрямленное высоковольтное напряжение в импульсном блоке питания равно величине входного переменного синусоидального напряжения (AC), умноженной на константу — корень из двух (1,4142). Согласно этой формуле, в ИБП, работающих с сетями переменного тока 230 вольт, образуются импульсы до 320 вольт:

Как видно из приведенных расчетов, при использовании более качественного высоковольтного диодного моста LVB2560 с Vfm=0,76 вольт получится сэкономить дополнительные 0,5% КПД. Поэтому более важно обратить внимание на модернизацию силовых выпрямительных диодов во вторичной цепи БП, что даст ощутимый прирост общего КПД – до 4%.

Таким образом, только заменив диоды в первичной и вторичной цепах БП, можно сравнительно легко получить прирост его КПД до 4-4,5%.

Наибольший эффект дает модернизация диодов во вторичной цепи ИБП, в особенности самой мощной линии (+12 вольт). Установка улучшенной диодной сборки в первичной цепи также дает свой эффект, но она не столь ощутима из-за сравнительно малого тока, протекающего в высоковольтной части БП. Замена выпрямительного моста в первичной цепи даст прирост эффективности до 1%, а модернизация выпрямителя во вторичной цепи 12 вольт – до 5% (в зависимости от его схемы и деталей).

Более серьезно улучшить схему БП можно путем замены выпрямительных диодов вторичной цепи на синхронный выпрямитель на полевых транзисторах (у него падение напряжения намного меньше, чем у любого диода), а также установкой отдельных плат преобразования постоянного напряжения с 12 на +3,3 и 5 вольт.

Замена выпрямительных диодов в первичной цепи блока питания на более эффективные

В первичной цепи компьютерных блоков питания обычно используются мостовые выпрямители, построенные на кремниевых диодах. Можно увеличить их энергоэффективность путем замены на более экономичные (с меньшим падением напряжения). Диоды Шоттки в этих цепях не применяются из-за отсутствия подходящих элементов, рассчитанных на высокие напряжения (у них максимальное рабочее напряжение измеряется десятками вольт).

Например, диодные мосты серии GBU, использующиеся в простых блоках питания в первичной цепи, имеют падение напряжения Vfm, равное 1 вольту на каждый диод.

Диодный мост GBU606 (Vfm = 1 V) в БП AeroCool KCAS-400W:

В более мощных простых БП используют диодные сборки серий GBU8005, GBU 801-810, которые имеют аналогичное обратное напряжение Vfm, равное 1V:

В мощном дешевом (устаревшем) БП Chieftec A-135 (APS-1000CB) используется сборка GBU1005 с Vfm=1 вольт при токе 5 ампер и Vfm=1,1 вольт при токе 10 А. У CHIEFTEC POWER SMART GPS-1350C используется диодный мост GBU1006 (Vfm=1 V).

В старых дешевых БП в высоковольтной части используют диодные сборки KBL (Vfm=1 V):

Какие диоды лучше ставить для модернизации первичной цепи импульсных блоков питания?

Высоковольтные диодные мосты серии GBU с Vfm=1-1,1 вольт можно заменить на сборку LVB2560 с Vfm=0,76 вольт:

Выпрямители Vishay Semiconductor LVB2560 bridge rectifiers используются в качественных дорогих блоках питания с титановым сертификатом Seasonic Prime Titanium. Их использование оправданно с точки зрения увеличения КПД за небольшую цену в несколько долларов.

Замена выпрямительных диодов Шоттки во вторичных цепях блоков питания на более качественные

Примеры использующихся выпрямительных диодов в дешевых блоках питания:

  • БП AeroCool серии KCAS M — SBR30A60CT, изготовленные по технологии Super Barrier Rectifier. Показатель Vfm = 0,6 вольт при Imax-60 A, Vmax=60 V;
  • AeroCool KCAS Plus — MBR30100CT, Vfm = 0,85 вольт, Imax=30 A, Vmax=100 V;
  • Chieftec A-135 (APS-1000CB) — MBR30100CT, Vfm = 0,85 вольт, Imax=30 A, Vmax=100 V;
  • Deepcool DA700 700W — STPS40L45 (Vfm = 0,49 вольт, Imax=20х2 A, Vmax=45 V) и PFR40V60CT (Vfm = 0,51 вольт, Imax=20х2 A, Vmax=60 V);
  • SB3045PT (Vfm = 0,55 вольт, Imax=30 A, Vmax=40 V).

Как видно, в дешевых блоках питания используются диодные сборки с Vfm от 0,49 до 0,85, что предоставляет широкий простор для модернизации, обеспечивающей значительный прирост энергоэффективности. Прекрасным элементом с низким VF являются сдвоенные диоды STPS40L45 и PFR40V60CT (рассчитаны на ток до 20 ампер каждый).

Заключение

При замене диодов с целью увеличения КПД блоков питания нужно подбирать такие экземпляры, в которых будет меньшее падение напряжения Vfm. Такие диоды обычно маркируют как Ultra-Low Forward Voltage Drop. Естественно, что их максимальный рабочий ток Imax и обратное напряжение Vmax должны быть не меньше тех, которые имеются у деталей, которые изначально стоят в блоке питания.

Модернизация выпрямительной части блоков питания путем замены диодов проста и не трудоемка, не требует изменения схемы, но позволяет увеличить КПД на 0,5-5 процентов, что благоприятно скажется на режиме работы источника питания и размере счета за электричество.

Аналогичное решение может применяться не только в блоках питания, но и в других устройствах, например, в фотоэлектрических панелях, DC/DC и DC/AC-преобразователях и т.д.

Кардинальная модернизация устаревших БП требует изменения/устранения схемы групповой стабилизации, замены диодного моста в цепи формирования +12 вольт на синхронный выпрямитель, установки блоков DC-DC преобразования для линий 3,3 и 5 вольт.

На практике для майнинга обычно отключаются штатные цепи 5 и 3.3V (выпаиваются фильтрующие дросселя и другие детали по этим линиям), на супервайзер подаются напряжения 3,3 и 5 вольт с дополнительно установленных качественных понижающих DC/DC преобразователей, подключенных к основной линии 12V. Таким образом, супервизор БП будет контролировать главное напряжение +12V, а по вторичным линиям не будет просадок/повышения напряжения даже под максимальной нагрузкой. В случае использования такого БП в качестве ведомого можно вообще убрать все цепи формирования напряжений 3.3, 5 вольт, модифицировав соответствующим образом работу схемы контроля/регулировки напряжений. Такая модернизация связана с достаточно глубокой переделкой схемы и для неподготовленных пользователей трудоемка. Для них проще приобрести недорогой блок питания со штатными синхронным выпрямителем и преобразователями постоянного тока, например, недорогой платиновый БП Vinga VPS-1200Pl.

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Arabic AR English EN French FR German DE Russian RU Spanish ES