Назначение и различия материнских плат

Материнская плата (motherboard англ.) или как ее еще называют – системная плата , служит для обеспечения взаимодействия между всеми компонентами персонального компьютера. Проще говоря, она объединяет между собой и управляет всеми элементами твоего компьютера.

Системные платы различаются по своему назначению, своей функциональности и по размерам (формфактору). По назначению материнки бывают: для настольных ПК, для ноутбуков и для серверов (мы остановимся только на настольных компьютерах). Под функциональностью, подразумевается то, какой тип процессора иоперативной памяти можно на нее поставить, а это в свою очередь влияет и на всю остальную конфигурацию и производительность системного блока . Размер же материнской платы, имеет решающее значение при выборе корпуса системного блока. Формфакторы материнских плат имеют определенные мировые стандарты, вот некоторые из них:

WTX – 355,6х425,4 мм, для серверов и рабочих станций.

ATX – 305х244 мм, для обычных корпусов.

Mini-ATX – 284х208 мм, для малых корпусов.

microATX – 244х244 мм, для малых корпусов.

Mini-ITX – 170х170 мм, для сверхмалых корпусов.

Если ты когда-нибудь, захочешь самостоятельно собрать себе компьютер по частям, то помни, что начинать следует именно с выбора материнской платы.

Производители материнских плат

Из наиболее известных производителей материнских плат на российском рынке следует отметить такие компании как: Asus (Тайвань), Gigabyte (Тайвань), Intel (США), MSI (Тайвань), ASRock (Тайвань).

Устройство материнской платы

А теперь давай с тобой посмотрим, как схематично устроена системная плата . Для возможности подключения к себе других устройств, все материнки имеют одинаковые стандарты расположенных на них слотов и разъемов, а взаимодействие этих слотов и разъемов обеспечивается чипсетом.

Чипсет – это набор взаимосвязанных микросхем (системной логики), эти микросхемы принято называть Северным и Южным мостами.

Северный мост отвечает за взаимодействие центрального процессора (ЦПУ) и оперативной памяти.

Южный мост обеспечивает совместную работу центрального процессора и устройств, подключенных к PCI, IDE, SATA, USB и прочим типам слотов и разъемов, о которых мы поговорим ниже.

Все эти взаимодействия в системной плате осуществляются с помощью специальных магистралей называемых шинами.

Шины – это специальные устройства для связи между компонентами материнской платы, т.е. по ним передаются различные сигналы и команды. Разные шины обладают разной скоростью передачи сигналов (пропускной способностью).

Например, фронтальная шина (FSB) связывающая северный мост с ЦПУ имеет высокую скорость работы, а шина LPC, связывающая Южный мост с BIOS и мультиконтроллером (англ. Super I/O – регулирует работу портов PS/2, AGP, LPT и пр.), обладает низкой пропускной способностью.

Что находится на материнской плате

И так с устройством разобрались, теперь разберемся с основными разъемами и слотами, находящимися на материнской плате, узнаем, как они называются и, что к ним следует подключать. А для наглядного примера возьмем материнскую плату Gigabyte GA-770T-D3L .

Северный Мост (контроллер-концентратор памяти )

Сокет – это основной разъем материнской платы, предназначенный для установки центрального процессора. Каждый сокет поддерживает только определенный тип процессоров, поэтому производители системных плат всегда указывают какие процессоры можно установить на ту или иную модель платы.

Слоты оперативной памяти служат для установки плат (модулей) ОЗУ, таких слотов на материнской плате обычно от двух до четырех. Они располагаются справа от сокета, и так же как в случае с процессором каждая материнская плата поддерживает только один из типов оперативной памяти: DDR, DDR2, DDR3, DDR4. Чем больше число DDR, тем мощнее и современнее тип ОЗУ. Какой именно тип памяти поддерживает конкретная системная плата можно узнать из инструкции к ней или из надписи на плате рядом со слотами, а если проще – чем современнее материнка , тем более мощная оперативка ей требуется.

Слот PCIEX16 предназначен для установки видеокарты, на дорогих и мощных материнских платах таких слотов может быть несколько. При установке видеокарты в этот слот стоит обратить внимание на его пропускную способность (указана на плате), она бывает трех типов: PCI Express 1.0, PCI Express 2.0 и PCI Express 3.0, соответственно, чем выше число, тем больше пропускная способность.

Слоты PCIEX1 предназначены для установки различных устройств: WiFi карты, WiMax карты, GPS приёмники, выводы для индикаторных светодиодов, USB 2.0 и пр.

Сетевой контроллер это чип (в нашем случае Realtek RTL8111D/E) на материнской плате, который исполняет роль интегрированной сетевой карты и необходим для подключения к интернету.

Южный мост (периферийный контроллер )

BIOS – это чип, а также вшитая в него микропрограмма, которая включается перед запуском операционной системы, основное предназначение BIOS – это проверка работоспособности компьютера (этот процесс называется POST) до загрузки ОС. Помимо этого BIOS позволяет настраивать различные параметры материнской платы.

Джампер очистки содержимого CMOS-памяти, необходим для возвращения BIOS к заводским настройкам (обнулению), это может быть необходимо при ремонте компьютера. Для обнуления необходимо снять пластиковую заглушку с контактов джампера и замкнуть их отверткой (разумеется, эти действия следует производить на обесточенном компьютере).

Батарейка на материнской плате нужна для сохранения основных настроек BIOS в тех случаях, когда ты выключаешь компьютер из электросети.

Слоты PCI служат для подключения периферийных устройств к системной плате, это может быть звуковая карта, TV-тюнер, сетевая карта и пр.

Разъем IDE – это устаревший интерфейс для подключения оптических приводов и жестких дисков. Разъем IDE имеет большие размеры и меньшую скорость обмена информацией, чем современные разъемы SATA.

Разъем FDD служит для подключения Floppy дисковода, предназначенного для чтения гибких дисков.

Разъем SATA – это как говорилось выше более современный аналог IDE, SATA используются в основном для подключения жесткого диска и оптического привода.

Разъемы USB предназначены для подключения USB входов с передней панели системного блока, к каждому разъему можно подключить по два входа.

Звуковые разъемы (есть не на всех материнка) служат для подключения к материнской плате различных устройств снабженных дополнительными аудиовыходами. CD IN – для подключения дополнительных аудио поводов с оптического привода. Разъемы SPDIF IN и SPDIF OUT необходимы при подключении устройств (напр. звуковой или видеокарты), которые поддерживают цифровой аудиовыход, через дополнительные S/PDIF или HDMI кабеля.

Разъемы питания материнской платы и процессора

Разъем питания ATX необходим для подключения соответствующего кабеля с блока питания, через него запитывается сама системная плата, платы расширения, подключаемые к ней, а также системы охлаждения (кулер процессора и др.), различные световые индикаторы и пр.

Разъем ATX 12V предназначен для подачи питания на центральный процессор .

Питание системы охлаждения

Входы, кнопки, индикаторы с передней панели системного блока

К разъемам из группы F PANEL подключаются провода от кнопок включения и перезагрузки компьютера, индикатора работы жесткого диска, а также системный динамик.

К разъему F AUDIO следует подключать передние аудио входы от наушников и микрофона. Поэтому если на передней панели корпуса эти входы есть, но они не работают, следует проверить подключены ли провода от них к данному разъему, так как при магазинной сборке компьютера это часто забывают сделать.

Классификация материнских плат по форм-фактору

Форм-фактор материнской платы - стандарт, определяющий размеры материнской платы для компьютера, места её крепления к шасси; расположение на ней интерфейсов шин,портов ввода-вывода, разъёма процессора, слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей (что имеет ключевое значение для снижения стоимости владения, англ. TCO ).

3. Чипсет.

Чипсет или набор системной логики – это основной набор микросхем материнской платы, обеспечивающий совместное функционирование центрального процессора, ОЗУ, видеокарты, контроллеров периферийных устройств и других компонентов, подключаемых к материнской плате. Именно он определяет основные параметры материнской платы: тип поддерживаемого процессора, объем, канальность и тип ОЗУ, частоту и тип системной шины и шины памяти, наборы контроллеров периферийных устройств и так далее.

Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух компонентов, представляющих собой отдельные чипсеты, связанные друг с другом высокоскоростной шиной.

Однако последнее время появилась тенденция объединения северного и южного моста в единый компонент, так как контроллер памяти все чаще встраивают непосредственно в процессор, тем самым разгружая северный мост, и появляются все более быстрые и быстрые каналы связи с периферийными устройствами и платами расширения. А также развивается технология производства интегральных схем, позволяющая делать их более миниатюрными, дешевыми и потребляющими меньше энергии.

Объединение северного и южного моста в один чипсет позволяет поднять производительность системы, за счет уменьшения времени взаимодействия с периферийными устройствами и внутренними компонентами, ранее подключаемыми к южному мосту, но значительно усложняет конструкцию чипсета, делает его более сложным для модернизации и несколько увеличивает стоимость материнской платы.

Но пока что большинство материнских плат делают на основе чипсета разделенного на два компонента. Называются эти компоненты Северный и Южный мост.

Названия Северный и Южный - исторические. Они означают расположение компонентов чипсета относительно шины PCI: Северный находится выше, а Южный - ниже. Почему мост? Это название дали чипсетам по выполняемым ими функциям: они служат для связи различных шин и интерфейсов.

Причины разделения чипсета на две части следующие:

1.Различия скоростных режимов работы.

Северный мост работает с самыми быстрыми и требующими большой пропускной способности шины компонентами. К числу таких компонентов относится видеокарта и память. Однако сегодня большинство процессоров имеют встроенный контроллер памяти, а многие и встроенную графическую систему, хотя и сильно уступающую дискретным видеокартам, но все же часто применяемую в бюджетных персональных компьютерах, ноутбуках и нетбуках. Поэтому, с каждым годом нагрузки на северный мост снижаются, что уменьшает необходимость разделения чипсета на две части.

2. Более частое обновление стандартов периферии, чем основных частей ЭВМ.

Стандарты шин связи с памятью, видеокартой и процессором изменяются гораздо реже, чем стандарты связи с платами расширения и периферийными устройствами. Что позволяет, в случае изменения интерфейса связи с периферийными устройствами или разработки нового канала связи, не изменять весь чипсет, а заменить только южный мост. К тому же северный мост работает с более быстрыми устройствами и устроен сложнее, чем южный мост, так как от его работы во многом зависит общая производительность системы. Поэтому его изменение - дорогая и сложная работа. Но, несмотря на это, наблюдается тенденция объединения северного и южного моста в одну интегральную схему.

Линейный и импульсный источники питания

Начнем с основ. Блок питания в компьютере выполняет три функции. Во-первых, переменный ток из бытовой сети электропитания нужно преобразовать в постоянный. Второй задачей БП является понижение напряжения 110-230 В, избыточного для компьютерной электроники, до стандартных значений, требуемых конвертерами питания отдельных компонентов ПК, - 12 В, 5 В и 3,3 В (а также отрицательные напряжения, о которых расскажем чуть позже). Наконец, БП играет роль стабилизатора напряжений.

Есть два основных типа источников питания, которые выполняют перечисленные функции, - линейный и импульсный. В основе простейшего линейного БП лежит трансформатор, на котором напряжение переменного тока понижается до требуемого значения, и затем ток выпрямляется диодным мостом.

Однако от БП требуется еще и стабилизация выходного напряжения, что обусловлено как нестабильностью напряжения в бытовой сети, так и падением напряжения в ответ на увеличение тока в нагрузке.

Чтобы компенсировать падение напряжения, в линейном БП параметры трансформатора рассчитываются так, чтобы обеспечить избыточную мощность. Тогда при высоком токе в нагрузке будет наблюдаться требуемый вольтаж. Однако и повышенное напряжение, которое возникнет без каких-либо средств компенсации при низком токе в полезной нагрузке, тоже неприемлемо. Избыточное напряжение устраняется за счет включения в цепь неполезной нагрузки. В простейшем случае таковой является резистор или транзистор, подключенный через стабилитрон (Zener diode). В более продвинутом - транзистор управляется микросхемой с компаратором. Как бы то ни было, избыточная мощность просто рассеивается в виде тепла, что отрицательно сказывается на КПД устройства.

В схеме импульсного БП возникает еще одна переменная, от которой зависит напряжение на выходе, в дополнение к двум уже имеющимся: напряжению на входе и сопротивлению нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоит ключ (которым в интересующем нас случае является транзистор), управляемый микроконтроллером в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Чем выше длительность открытых состояний транзистора по отношению к их периоду (этот параметр называется duty cycle, в русскоязычной терминологии используется обратная величина - скважность), тем выше напряжение на выходе. Из-за наличия ключа импульсный БП также называется Switched-Mode Power Supply (SMPS).

Через закрытый транзистор ток не идет, а сопротивление открытого транзистора в идеале пренебрежимо мало. В действительности открытый транзистор обладает сопротивлением и рассеивает какую-то часть мощности в виде тепла. Кроме того, переход между состояниями транзистора не идеально дискретный. И все же КПД импульсного источника тока может превышать 90%, в то время как КПД линейного БП со стабилизатором в лучшем случае достигает 50%.

Другое преимущество импульсных источников питания состоит в радикальном уменьшении габаритов и массы трансформатора по сравнению с линейными БП такой же мощности. Известно, что чем выше частота переменного тока в первичной обмотке трансформатора, тем меньше необходимый размер сердечника и число витков обмотки. Поэтому ключевой транзистор в цепи размещают не после, а до трансформатора и, помимо стабилизации напряжения используют для получения переменного тока высокой частоты (для компьютерных БП это от 30 до 100 кГц и выше, а как правило - около 60 кГц). Трансформатор, работающий на частоте электросети 50-60 Гц, для мощности, требуемой стандартным компьютером, был бы в десятки раз массивнее.

Линейные БП сегодня применяются главным образом в случае маломощных устройств, когда относительно сложная электроника, необходимая для импульсного источника питания, составляет более чувствительную статью расходов в сравнении с трансформатором. Это, к примеру, блоки питания на 9 В, которые используются для гитарных педалей эффектов, а когда-то - для игровых приставок и пр. А вот зарядники для смартфонов уже сплошь импульсные - тут расходы оправданны. Благодаря существенно меньшей амплитуде пульсаций напряжения на выходе линейные БП также применяются в тех областях, где это качество востребованно.

⇡ Общая схема блока питания стандарта ATX

БП настольного компьютера представляет собой импульсный источник питания, на вход которого подается напряжение бытовой электросети с параметрами 110/230 В, 50-60 Гц, а на выходе есть ряд линий постоянного тока, основные из которых имеют номинал 12, 5 и 3,3 В. Помимо этого, БП обеспечивает напряжение -12 В, а когда-то еще и напряжение -5 В, необходимое для шины ISA. Но последнее в какой-то момент было исключено из стандарта ATX в связи с прекращением поддержки самой ISA.

На упрощенной схеме стандартного импульсного БП, представленной выше, можно выделить четыре основных этапа. В таком же порядке мы рассматриваем компоненты блоков питания в обзорах, а именно:

1. фильтр ЭМП - электромагнитных помех (RFI filter);
2. первичная цепь - входной выпрямитель (rectifier), ключевые транзисторы (switcher), создающие переменный ток высокой частоты на первичной обмотке трансформатора;
3. основной трансформатор;
4. вторичная цепь - выпрямители тока со вторичной обмотки трансформатора (rectifiers), сглаживающие фильтры на выходе (filtering).

⇡ Фильтр ЭМП

Фильтр на входе БП служит для подавления двух типов электромагнитных помех: дифференциальных (differential-mode) - когда ток помехи течет в разные стороны в линиях питания, и синфазных (common-mode) - когда ток течет в одном направлении.

Дифференциальные помехи подавляются конденсатором CX (крупный желтый пленочный конденсатор на фото выше), включенным параллельно нагрузке. Иногда на каждый провод дополнительно вешают дроссель, выполняющий ту же функцию (нет на схеме).

Фильтр синфазных помех образован конденсаторами CY (синие каплевидные керамические конденсаторы на фото), в общей точке соединяющими линии питания с землей, и т.н. синфазным дросселем (common-mode choke, LF1 на схеме), ток в двух обмотках которого течет в одном направлении, что создает сопротивление для синфазных помех.

В дешевых моделях устанавливают минимальный набор деталей фильтра, в более дорогих описанные схемы образуют повторяющиеся (полностью или частично) звенья. В прошлом нередко встречались БП вообще без фильтра ЭМП. Сейчас это скорее курьезное исключение, хотя, покупая совсем дешевый БП, можно, все-таки нарваться на такой сюрприз. В результате будет страдать не только и не столько сам компьютер, сколько другая техника, включенная в бытовую сеть, - импульсные БП являются мощным источником помех.

В районе фильтра хорошего БП можно обнаружить несколько деталей, защищающих от повреждения само устройство либо его владельца. Почти всегда есть простейший плавкий предохранитель для защиты от короткого замыкания (F1 на схеме). Отметим, что при срабатывании предохранителя защищаемым объектом является уже не блок питания. Если произошло КЗ, то, значит, уже пробило ключевые транзисторы, и важно хотя бы предотвратить возгорание электропроводки. Если в БП вдруг сгорел предохранитель, то менять его на новый, скорее всего, уже бессмысленно.

Отдельно выполняется защита от кратковременных скачков напряжения с помощью варистора (MOV - Metal Oxide Varistor). А вот никаких средств защиты от длительного повышения напряжения в компьютерных БП нет. Эту функцию выполняют внешние стабилизаторы со своим трансформатором внутри.

Конденсатор в цепи PFC после выпрямителя может сохранять значительный заряд после отключения от питания. Чтобы беспечного человека, сунувшего палец в разъем питания, не ударило током, между проводами устанавливают разряжающий резистор большого номинала (bleeder resistor). В более изощренном варианте - вместе с управляющей схемой, которая не дает заряду утекать при работе устройства.

Кстати, наличие фильтра в блоке питания ПК (а в БП монитора и практически любой компьютерной техники он тоже есть) означает, что покупать отдельный «сетевой фильтр» вместо обычного удлинителя, в общем-то, без толку. У него внутри все то же самое. Единственное условие в любом случае - нормальная трехконтактная проводка с заземлением. В противном случае конденсаторы CY, соединенные с землей, просто не смогут выполнять свою функцию.

⇡ Входной выпрямитель

После фильтра переменный ток преобразуется в постоянный с помощью диодного моста - как правило, в виде сборки в общем корпусе. Отдельный радиатор для охлаждения моста всячески приветствуется. Мост, собранный из четырех дискретных диодов, - атрибут дешевых блоков питания. Можно также поинтересоваться, на какой ток рассчитан мост, чтобы определить, соответствует ли он мощности самого БП. Хотя по этому параметру, как правило, имеется хороший запас.

⇡ Блок активного PFC

В цепи переменного тока с линейной нагрузкой (как, например, лампа накаливания или электроплитка) протекающий ток следует такой же синусоиде, как и напряжение. Но это не так в случае с устройствами, имеющими входной выпрямитель, - такими как импульсные БП. Блок питания пропускает ток короткими импульсами, примерно совпадающими по времени с пиками синусоиды напряжения (то есть максимальным мгновенным напряжением), когда подзаряжается сглаживающий конденсатор выпрямителя.

Сигнал тока искаженной формы раскладывается на несколько гармонических колебаний в сумме с синусоидой данной амплитуды (идеальным сигналом, который имел бы место при линейной нагрузке).

Мощность, используемая для совершения полезной работы (которой, собственно, является нагрев компонентов ПК), указана в характеристиках БП и называется активной. Остальная мощность, порождаемая гармоническими колебаниями тока, называется реактивной. Она не производит полезной работы, но нагревает провода и создает нагрузку на трансформаторы и прочее силовое оборудование.

Векторная сумма реактивной и активной мощности называется полной мощностью (apparent power). А отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (power factor) - не путать с КПД!

У импульсного БП коэффициент мощности изначально довольно низкий - около 0,7. Для частного потребителя реактивная мощность не составляет проблемы (благо она не учитывается электросчетчиками), если только он не пользуется ИБП. На бесперебойник как раз таки ложится полная мощность нагрузки. В масштабе офиса или городской сети избыточная реактивная мощность, создаваемая импульсными БП уже значительно снижает качество электроснабжения и вызывает расходы, поэтому с ней активно борются.

В частности, подавляющее большинство компьютерных БП оснащаются схемами активной коррекции фактора мощности (Active PFC). Блок с активным PFC легко опознать по единственному крупному конденсатору и дросселю, установленным после выпрямителя. В сущности, Active PFC является еще одним импульсным преобразователем, который поддерживает на конденсаторе постоянный заряд напряжением около 400 В. При этом ток из питающей сети потребляется короткими импульсами, ширина которых подобрана таким образом, чтобы сигнал аппроксимировался синусоидой - что и требуется для имитации линейной нагрузки. Для синхронизации сигнала потребления тока с синусоидой напряжения в контроллере PFC имеется специальная логика.

Схема активного PFC содержит один или два ключевых транзистора и мощный диод, которые размещаются на одном радиаторе с ключевыми транзисторами основного преобразователя БП. Как правило, ШИМ-контроллер ключа основного преобразователя и ключа Active PFC являются одной микросхемой (PWM/PFC Combo).

Коэффициент мощности у импульсных блоков питания с активным PFC достигает 0,95 и выше. Кроме того, у них есть одно дополнительное преимущество - не требуется переключатель сети 110/230 В и соответствующий удвоитель напряжения внутри БП. Большинство схем PFC переваривают напряжения от 85 до 265 В. Кроме того, снижается чувствительность БП к кратковременным провалам напряжения.

Кстати, помимо активной коррекции PFC, существует и пассивная, которая подразумевает установку дросселя большой индуктивности последовательно с нагрузкой. Эффективность ее невелика, и в современном БП вы такое вряд ли найдете.

⇡ Основной преобразователь

Общий принцип работы для всех импульсных БП изолированной топологии (с трансформатором) один: ключевой транзистор (или транзисторы) создает переменный ток на первичной обмотке трансформатора, а ШИМ-контроллер управляет скважностью их переключения. Конкретные схемы, однако, различаются как по количеству ключевых транзисторов и прочих элементов, так и по качественным характеристикам: КПД, форма сигнала, помехи и пр. Но здесь слишком многое зависит от конкретной реализации, чтобы на этом стоило заострять внимание. Для интересующихся приводим набор схем и таблицу, которая позволит по составу деталей опознавать их в конкретных устройствах.

	Транзисторы	Диоды	Конденсаторы	Ножки первичной обмотки трансформатора
Single-Transistor Forward	1	1	1	4
	2	2	0	2
	2	0	2	2
	4	0	0	2
	2	0	0	3

Помимо перечисленных топологий, в дорогих БП встречаются резонансные (resonant) варианты Half Bridge, которые легко опознать по дополнительному крупному дросселю (или двум) и конденсатору, образующим колебательный контур.

Single-Transistor Forward

⇡ Вторичная цепь

Вторичная цепь - это все, что находится после вторичной обмотки трансформатора. В большинстве современных блоков питания трансформатор имеет две обмотки: с одной из них снимается напряжение 12 В, с другой - 5 В. Ток сначала выпрямляется с помощью сборки из двух диодов Шоттки - одной или нескольких на шину (на самой высоконагруженной шине - 12 В — в мощных БП бывает четыре сборки). Более эффективными с точки зрения КПД являются синхронные выпрямители, в которых вместо диодов используются полевые транзисторы. Но это прерогатива по-настоящему продвинутых и дорогих БП, претендующих на сертификат 80 PLUS Platinum.

Шина 3,3 В, как правило, выводится от той же обмотки, что и шина 5 В, только напряжение понижается с помощью насыщаемого дросселя (Mag Amp). Специальная обмотка на трансформаторе под напряжение 3,3 В - экзотический вариант. Из отрицательных напряжений в текущем стандарте ATX осталось только -12 В, которое снимается со вторичной обмотки под шину 12 В через отдельные слаботочные диоды.

ШИМ-управление ключом преобразователя изменяет напряжение на первичной обмотке трансформатора, а следовательно - на всех вторичных обмотках сразу. При этом потребление тока компьютером отнюдь не равномерно распределено между шинами БП. В современном железе наиболее нагруженной шиной является 12-В.

Для раздельной стабилизации напряжений на разных шинах требуются дополнительные меры. Классический способ подразумевает использование дросселя групповой стабилизации. Три основные шины пропущены через его обмотки, и в результате если на одной шине увеличивается ток, то на других - падает напряжение. Допустим, на шине 12 В возрос ток, и, чтобы предотвратить падение напряжения, ШИМ-контроллер уменьшил скважность импульсов ключевых транзисторов. В результате на шине 5 В напряжение могло бы выйти за допустимые рамки, но было подавлено дросселем групповой стабилизации.

Напряжение на шине 3,3 В дополнительно регулируется еще одним насыщаемым дросселем.

В более совершенном варианте обеспечивается раздельная стабилизация шин 5 и 12 В за счет насыщаемых дросселей, но сейчас эта конструкция в дорогих качественных БП уступила место преобразователям DC-DC. В последнем случае трансформатор имеет единственную вторичную обмотку с напряжением 12 В, а напряжения 5 В и 3,3 В получаются благодаря преобразователям постоянного тока. Такой способ наиболее благоприятен для стабильности напряжений.

Выходной фильтр

Финальной стадией на каждой шине является фильтр, который сглаживает пульсации напряжения, вызываемые ключевыми транзисторами. Кроме того, во вторичную цепь БП в той или иной мере пробиваются пульсации входного выпрямителя, чья частота равна удвоенной частоте питающей электросети.

В состав фильтра пульсаций входит дроссель и конденсаторы большой емкости. Для качественных блоков питания характерна емкость не менее 2 000 мкФ, но у производителей дешевых моделей есть резерв для экономии, когда устанавливают конденсаторы, к примеру, вдвое меньшего номинала, что неизбежно отражается на амплитуде пульсаций.

⇡ Дежурное питание +5VSB

Описание компонентов блока питания было бы неполным без упоминания об источнике дежурного напряжения 5 В, который делает возможным спящий режим ПК и обеспечивает работу всех устройств, которые должны быть включены постоянно. «Дежурка» питается от отдельного импульсного преобразователя с маломощным трансформатором. В некоторых БП встречается и третий трансформатор, использующийся в цепи обратной связи для изоляции ШИМ-контроллера от первичной цепи основного преобразователя. В других случаях эту функцию выполняют оптопары (светодиод и фототранзистор в одном корпусе).

⇡ Методика тестирования блоков питания

Одним из основных параметров БП является стабильность напряжений, которая находит отражение в т.н. кросс-нагрузочной характеристике. КНХ представляет собой диаграмму, в которой на одной оси отложен ток или мощность на шине 12 В, а на другой - совокупный ток или мощность на шинах 3,3 и 5 В. В точках пересечения при разных значениях обеих переменных определяется отклонение напряжения от номинала на той или иной шине. Соответственно, мы публикуем две разные КНХ - для шины 12 В и для шины 5/3,3 В.

Цвет точки означает процент отклонения:

• зеленый: ≤ 1%;
• салатовый: ≤ 2%;
• желтый: ≤ 3%;
• оранжевый: ≤ 4%;
• красный: ≤ 5%.
• белый: > 5% (не допускается стандартом ATX).

Для получения КНХ используется сделанный на заказ стенд для тестирования блоков питания, который создает нагрузку за счет рассеивания тепла на мощных полевых транзисторах.

Другой не менее важный тест - определение размаха пульсаций на выходе БП. Стандарт ATX допускает пульсации в пределах 120 мВ для шины 12 В и 50 мВ - для шины 5 В. Различают высокочастотные пульсации (на удвоенной частоте ключа основного преобразователя) и низкочастотные (на удвоенной частоте питающей сети).

Этот параметр мы измеряем при помощи USB-осциллографа Hantek DSO-6022BE при максимальной нагрузке на БП, заданной спецификациями. На осциллограмме ниже зеленый график соответствует шине 12 В, желтый - 5 В. Видно, что пульсации находятся в пределах нормы, и даже с запасом.

Для сравнения приводим картину пульсаций на выходе БП старого компьютера. Этот блок изначально не был выдающимся, но явно не стал лучше от времени. Судя по размаху низкочастотных пульсаций (обратите внимание, что деление развертки напряжения увеличено до 50 мВ, чтобы колебания поместились на экран), сглаживающий конденсатор на входе уже пришел в негодность. Высокочастотные пульсации на шине 5 В находятся на грани допустимых 50 мВ.

В следующем тесте определяется КПД блока при нагрузке от 10 до 100% от номинальной мощности (путем сравнения мощности на выходе с мощностью на входе, измеренной при помощи бытового ваттметра). Для сравнения на графике приводятся критерии различных категорий 80 PLUS. Впрочем, большого интереса в наши дни это не вызывает. На графике приведены результаты топового БП Corsair в сравнении с весьма дешевым Antec, а разница не то чтобы очень велика.

Более насущный для пользователя вопрос - шум от встроенного вентилятора. Непосредственно измерить его вблизи от ревущего стенда для тестирования БП невозможно, поэтому мы измеряем скорость вращения крыльчатки лазерным тахометром - также при мощности от 10 до 100%. На нижеприведенном графике видно, что при низкой нагрузке на этот БП 135-миллиметровый вентилятор сохраняет низкие обороты и вряд ли слышен вообще. При максимальной нагрузке шум уже можно различить, но уровень все еще вполне приемлемый.

Компьютерные технологии развиваются. Меняется форма устройств, их габариты и технические характеристики. Сегодня мы рассмотрим такое понятие, как форм-фактор, и его разновидность ATX - самую популярную и востребованную.

Форм-фактор

Чтобы перейти к теме статьи, нужно разобраться с основным понятием. Форм-фактор - это стандартизация относительно ИТ-оборудования. С помощью её можно определить размер устройства, основные технические показатели, наличие дополнительных деталей, их расположение.

Сейчас, говоря о форм-факторе, люди вспоминают о материнке. Ранее же термин был применим к корпусам телефонов, оборудованию связи и другим комплектующим ПК.

Учитывая, что форм-фактор - это стандартизированное понятие, его относят к рекомендательным параметрам. То есть благодаря индексу, которым обозначают определенный форм-фактор, возможно обозначить обязательные и дополнительные параметры. Разработчики стараются принимать стандарт как должное и руководствоваться им при создании соответствующего комплектующего.

Разновидность

Форм-фактор ATX не единственный стандарт для комплектующих. Но именно этот вариант стал востребован для массового производства ПК. Его впервые мир увидел в 1995 году, а производителем этой архитектуры стала компания Intel. Ранее уже существовали стандарты XT, AT и Baby-AT, которые с 1983 года внедрила компания IBM.

Форм-фактор типа ATX повлиял на появление модифицированных стандартов. Стали появляться сокращенные форматы, с меньшим количеством слотов и компактными размерами. К 2005 году был разработан мобильный стандарт, оптимизированный для процессоров.

Офисные компьютеры тоже стали оснащать различными комплектующими определенных стандартов. Стали появляться платы, которые применяли в сложных производствах. Такие модификации стандарта стали известны с 2004 года. Форм-фактор ATX перевоплощался в SSI CEB, DTX, BTX и пр.

ATX

Этот форм-фактор стал популярен еще в 1995 году, но наибольшее распространение получил с 2001 года. Стандарт стал доминирующим в производстве ПК. Он влияет не только на размер платы или другого комплектующего. ATX диктует стандарт БП, корпуса ПК, размещение слотов и разъемов, форму и расположение слотов, крепление и параметры БП.

Компания Intel долго размышляла над тем, каким должно быть продолжение форм-фактора AT. К 1995 году разработчики представили новенький стандарт ATX. Кроме этой компании, над изменением устаревшего стандарта думали другие производители, которые поставляли OEM-технику. После новый стандарт был подхвачен теми, кто поставлял материнки и БП.

За все время своего существования было выпущено 12 спецификаций. Форм-фактор ATX размеры имеет стандартные: в миллиметрах - 305 х 244, в дюймах - 12 х 9,6. Модификации, которые выпускались под другими именами были разработаны на основе ATX, но имели различия в размещении портов, общих габаритов и т. д.

Так, в 2003 году компания Intel захотела внедрить BTX. Этот новый стандарт более эффективно охлаждал системный блок ПК. Разработчики хотели медленно убрать с рынков ATX, который поддерживал высокий нагрев внутри системного блока. Но даже такая опасность, как перегрев всей системы, не способствовала тому, чтобы удачно сменить формат на BTX.

Большинство производителей отказались распространять его, так как снижение рассеиваемой мощности показывало положительные результаты, и в будущем все равно удалось достичь неплохих результатов при охлаждении корпуса и без смены стандарта. В итоге к 2011 году стало понятно, что заменять форм-фактор ATX не нужно.

Основные изменения

Настолько удачного изобретения в этой области ждать не стоило. Пользователь получил кардинальные изменения касательно предыдущей версии AT. Питанием процессора стала заниматься материнская плата. На неё подается дежурное питание даже в выключенном состоянии. Материнка обеспечивает функционирование управляющего блока и некоторых периферийных устройств.

Стала возможна замена вентилятора на более крупный и размещение его дне БП. Воздушный поток становился более мощным и охватывал большее количество элементов в системном блоке. Изменялось количество оборотов, а соответственно, и шум. Со временем появилась тенденция к размещению блока питания внизу корпуса.

Питание

Смена форм-фактора принесла изменение формата разъема питания. Вызвано это было тем, что в предыдущем формате два схожих разъема подключались в неподдерживаемые слоты, из-за чего происходил сбой системы. В процессе увеличения потребляемой мощности, необходимо было увеличивать количество контактов питания. Разработчики начинали с 20, позже их становилось больше, а также появились дополнительные разъемы.

Интерфейсная панель

Интерфейсная панель стала свободнее. Ранее здесь находился слот для клавиатуры, а в специальные отверстия устанавливали платы для расширения. Форм-фактор ATX добавил к слоту для клавиатуры место для коммуникатора. Свободную площадь заняло прямоугольная «щель» стандартизированного размера, куда разработчики помещали необходимые слоты.

Начальный блок питания

Помимо того, что существует материнская плата форм-фактора ATX, можно найти и стандарта. Поскольку развитие формата длилось девять лет, за это время разработчики старались не только изменять разъем, но и делать его совместимым с предыдущими формами.

Так, изначально применялся разъем с 20 контактами питания. Этот вариант популярен был до появления материнки с шиной PCI-Express. Потом появился разъем с 24 контактами. Чтобы этот вариант поддерживался и предыдущими версиями, «бонусные» 4 контакта можно было снять, а плата работала бы и с двадцатью.

Изменения процессоров

Когда стали появляться новые процессоры Pentium 4 и Athlon 64, пришлось переработать стандарт до версии 2.0. Так, материнки стали требовать для основной шины 12 В. Блок питания, форм-фактор ATX которого также обновился до второй версии, должен был получить дополнительный разъем. Так появился дополнительный разъем еще на 4 контакта.

После этого стали появляться варианты со сложными контактами. Например, 24+4+6-контактный разъем стал востребован для материнок, которые получили несколько портов PCI-E 16x. А 24+4+4-контактный фактически имел дополнительный 8-штырьковый разъем, который состоял из двух слотов по 4 контакта. Таким образом его стали применять для материнок, которые имели высокое энергопотребление.

Такое решение с объединением двух разъемов по 4 контакта было вызвано тем, чтобы не лишать пользователя подключать модель к более старым материнским платам. Так, один разъем отстегивался от другого, и мы получали 24+4-контактный провод.

Корпус

Помимо материнки и БП, определенную стандартизацию имеет и корпус. Форм-фактор ATX в этом случае является наиболее современным и подходит для системных плат того же формата. Такой корпус предполагает более легкий доступ ко всей внутренней периферии. Имеет отличную вентиляцию внутри. Позволяет устанавливать не одну полноразмерную плату.

Несмотря на одинаковые названия, в можно поместить материнскую плату формата микро-ATX. Кратко об этом стандарте мы поговорим далее.

Компактная версия

Форм-фактор micro-ATX появился немного позже основного стандарта - в 1997 году. Материнская плата этого формата имеет 244 х 244 мм. Вариант был разработан для процессоров с уже устаревшей архитектурой х86.

В процессе создания было решено сохранить электрическую и механическую совместимость с предыдущим стандартом. В итоге главным различием остаются габариты плат, количество слотов и интегрированная периферия. Micro-ATX выпускают на рынок со встроенной видеокартой, тем самым обозначая целевое назначение этого стандарта. ПК с таким форм-фактором подходят для офисной работы и не рассчитаны на геймерские проекты, так как интегрированная видеокарта посредственная.

Другие варианты

Помимо ATX и micro-ATX, существовал форм-фактор mini-ATX, который сейчас уже не встретишь нигде. Размеры его - 284 х 208 мм. Появился и FlexATX, который имел размеры 244 х 190 мм. Эта модификация гибкая и позволяет производителю самостоятельно решать многие проблемы.

Так, он может выбирать размер и расположение БП. Участвовать в изменениях, касающихся новых процессорных технологий. Но и этот вариант не смог «бороться» с ATX и остается на заднем плане.

Доброго времени суток, уважаемые читатели нашего техноблога. Сегодня мы рассмотрим основные форм факторы материнских плат по состоянию на 2018 год. Сразу хотим сделать уточнение, что классификация будет включать лишь устройства для домашнего использования. Здесь не рассматриваются современные серверные МП CEB и EEB, хотя и о них мы в дальнейшем также поговорим.

Из этой статьи вы узнаете:

В чем будет заключаться обзор? Здесь вы получите исчерпывающую информацию о максимальных размерах платы, количестве используемых портов, компоновке разъемов и не только. Надеемся, наша статья поможет вам определить оптимальную материнскую плату для компьютера, если вы еще этого не сделали.

Велик ли выбор?

На сегодняшний день на рынке распространено несколько популярных типов, а точнее форм-факторов системных плат. Из ключевых отметим:

• E‑ATX;
• MicroATX;
• Mini-ITX;
• Mini-STX.

Как узнать и определить оптимальный формат? Вот давайте вместе и разберемся, а заодно порассуждаем на тему, какой форм-фактор лучше.

ATX

ATX (Advanced Technology Extented) – самый распространенный стандарт МП на текущий момент. Был разработан компанией Intel в далеком уже 1995 году в качестве альтернативы популярного на тот момент форм-фактора AT, но настоящую известность обрел лишь с 2001 года. Из базовых отличий от предшественника стоит отметить следующее:

• Управление питанием процессора силами материнской платы. Процесс происходит даже в выключенном состоянии: на ЦП и некоторые периферийные разъемы систематически подается напряжение в 5 или 3,3 вольта;
• Схема питания существенно изменена в более привычный на сегодняшний день вариант 24+4 или 24+8 pin;
• Задняя панель получила фиксированный прямоугольный размер, а все комплектующие и периферийные устройства теперь подключаются без использования переходников и дополнительных шлейфов. Каждый производитель МП может произвольно менять расположение выходов, предоставляя в комплекте заглушку для задней части системного блока;
• Мышь и клавиатура имеют стандартный разъем подключения PS/2 (сейчас в основном USB).

Все разъемы питания на материнской плате находятся по краям текстолита, обеспечивая как эстетическую красоту, так и удобство подключения периферийных устройств и блока питания. В центральной части сосредоточены сокет, слоты под ОЗУ, PCI-Ex, и южный мост.
Размер стандартный – 305х244 мм. Для крепления к корпусу предусмотрено от 8 до 9 монтажных отверстий.

E‑ATX

E‑ATX (Extented – расширенный) – производный случай от ATX, который отличается, в первую очередь, размером платы – 305х330 мм. Зачастую на базе этой системной платы собираются топовые геймерские решения под актуальные нынче сокеты 1151, 2066 (Intel), AM4 и TR4 (AMD).

Ключевое отличие от стандартной ATX – больше слотов расширения (до 8 портов под оперативную память), более продуманная система питания компонентов, улучшенное охлаждение и, что случается довольно часто, штатное СВО.

Отдельно хочется упомянуть серверные двухпроцессорные материнские E‑ATX-платы. Дополнительные 86 мм позволяют без проблем разместить на одном листе текстолита до 16 портов под ОЗУ и слоты расширения (видеокарты, сетевые платы, RAID-контроллеры).

Из недостатков стоит отметить лишь подбор соответствующего корпуса, поскольку подавляющее большинство Midi-Tower решений для ATX-плат попросту не подойдут.

MicroATX

MicroATX (mATX, uATX, µATX) – еще одна производная от ATX, которая была создана все теми же Intel в 1997 году. Платы данного форм-фактора практически не отличаются от стандартных аналогов, за одним исключением – габариты 244х244 мм, что отсекает всю нижнюю панель с портами расширений и перемещает SATA-порты на боковую панель, оптимизируя имеющееся пространство текстолита.

Монтажные отверстия проделаны таким образом, чтобы MicroATX можно было установить в стандартные ATX-корпуса без особых проблем. , сокет и прочие архитектурные моменты не затронуты.
Стандарт изначально задумывался как офисный, а потому набор периферии и портов подключения в MicroATX скромнее, чем у полноформатного аналога. Однако современные модели без проблем создают на базе платы базу для следующих ПК:

• серверные;
• мультимедийные;
• игровые;
• рабочие станции;
• HTPC;
• рендер-машины.

Единственный недостаток по сути – невозможность подключить вторую видеокарту из-за недостатка второго полноценного PCI‑E x16.

Mini-ITX

Mini-ITX – еще более компактная версия ATX, только ее габариты не превышают 170х170 мм. Механическая совместимость со всеми комплектующими и поддержка современных чипов сохраняется. Форм-фактор был создан в 2001 году компанией VIA Technologies с единственной целью – продвигать собственный процессор, однако что-то пошло не так, и камень так и не получил популярность, чего не скажешь о МП.

Отличительная особенность Mini-ITX – встроенный процессор в некоторых моделях плат, которые распаяны производителем на заводе. Заменить его не получится от слова совсем. С одной стороны, решение не самое практичное, но с другой – такая процедура значительно удешевляет производство (не нужно думать над вставкой сокета) и итоговую стоимость продукта. Архитектура позволяет создать максимально холодные (TDP встроенных ЦП не превышает 15 Вт), бесшумные и быстрые офисные станции (SSD+16 ГБ ОЗУ DDR4 2400 МГц).
Идеальное решение для HTPC или мультимедийного центра. Хотя игровую систему на такой плате также можно построить. Достаточно присмотреться к MSI B350I Pro AC. Плата имеет стандартное питание и поддерживает разгон комплектующих. Добавьте Ryzen 5 2400G и получите идеальную систему для души.

Mini-STX

Mini-STX (Mini Socket Technology Extended) – относительно свежий стандарт, разработанный все теми же Intel. Имеет размеры 147х140 мм, что сопоставимо с конвертом для DVD-диска.

От Mini-ITX отличается полным отсутствием поддержки разъемов PCI‑E x16, а также измененным портом для подключения БП. Здесь выход имеет штырьковый вид, как на большинстве современных ноутбуках. Отчасти этот шаг продиктован тем фактом, что плата и комплектующие на ней, являются маломощными. С другой стороны, распаивать 24+4 pin на такой площади как-то негуманно.

Для создания полноценного ПК здесь предусмотрена возможность подключения SATA или M.2‑накопителей, ОЗУ и процессора со встроенным видеоядром. Миниатюрные габариты позволят разместить плату в миниатюрный корпус габаритами с PS4 или XBOX One.

Главный недостаток – необходимость БП под Mini-STX платы.

Выводы

Итак, сравнение различных архитектур сводится в основном к габаритным показателям и количеству на плате. По-хорошему, надобность в ATX-моделях с каждым годом все ниже, поскольку MicroATX предлагают аналогичный функционал и не требуют корпуса больше Mid-Tower. Отсутствие дополнительных слотов PCI‑E x16/x8/x4?

Современная индустрия отказывается от дальнейшей поддержки SLI и Crossfire, что делает нецелесообразным запитывание дополнительных слотов, если только вы не занимаетесь майнингом, либо хотите подключить сверхбыстрый NVMe SSD, карту захвата или аудиокарту класса ASUS Xonar.

Надеемся, мы помогли вам с выбором материнской платы для вашей будущей системы. Какой она будет – уже другое дело, но основная мысль получена, теперь надо бы ее реализовать. Удачи! Не забывайте и делиться с близкими, пока.

Работа с Андроидом