วันพุธที่ 30 ธันวาคม พ.ศ. 2552

Power Supply


Power Supply

แหล่งจ่ายไฟหรือที่มักจะเรียกทับศัพท์กันว่า"เพาเวอร์ซัพพลาย"เป็นส่วนประกอบที่สำคัญส่วนหนึ่งที่มักถูกมองข้ามไป เนื่องจากว่า มาตรฐานการคำนวณปริมาณการใช้ไฟฟ้าของเครื่องพีซีค่อนข้างจะแน่นอนและมีความเชื่อถือได้คือถ้านำมาประกอบเป็นเครื่องคอมพิวเตอร์แล้วสามารถทำงานได้อย่างดีไม่มีปัญหาก็มักจะไม่สนใจในด้านนี้และถูกละเลยไป ปกติแล้วมักจะไม่ค่อยมีการเลือกซื้อเพาเวอร์ซัพพลายกันนัก ถ้าไม่ใช่เนื่องจากตัวเก่าที่ใช้อยู่เกิดเสียหายโดยมากเราจะเลือกซื้อกันที่เคสของเครื่องมากกว่าซึ่งเกือบทั้งหมดจะขายมาพร้อมกับเพาเวอร์ซัพพลายเลยและมักจะมีขนาดเหมาะสมกับตัวเครื่อง คือ ถ้าเครื่องเล็ก ๆ ใส่อุปกรณ์ เพิ่มเติมได้ไม่มากก็จะให้เพาเวอร์ซัพพลายขนาดเล็ก แต่ถ้าเครื่องใหญ่ก็จะใส่ตัวใหญ่ให้ ประเด็นหลักในการเลือกเพาเวอร์ซัพพลายไม่ว่าจะซื้อพร้อมเครื่องหรือซื้อเฉพาะตัว เพาเวอร์ซัพพลายเองก็ตาม มี 2 เรื่องที่สำคัญก็คือ ประเภทและขนาดประเภทในที่นี้หมายถึงแรงดันไฟฟ้าที่เพาเวอร์ซัพพลายนั้นจ่ายออกมาและขั้วต่อสำหรับเสียบเข้ากับเมนบอร์ด ซึ่งจะต้องเลือกให้ตรงกับเมนบอร์ดที่ใช้ด้วย ก็คือจะต้องเลือกว่าเป็นแบบ AT หรือ ATX แบบ AT คือแบบที่มีมาแต่ดั้งเดิมนานแล้ว ส่วนแบบ ATX จะเป็นรุ่นใหม่กว่าที่กำลังเข้ามาแทนที่แบบ AT จบเกือบหมดแล้วเหมือนกันและมีมาตรฐานแรงดันและสัญญาณต่าง ๆ แตกต่างกันด้วย ดังที่จะอธิบายรายละเอียดต่อไปส่วนในกรณีของขนาดในที่นี้ไม่ได้หมายถึง ขนาดใหญ่หรือเล็ก (แม้ว่าจะแปรผันกันก็ตาม) แต่หมายถึง กำลังไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถจ่ายได้ ซึ่งโดยปกติแล้วจะหมายถึงกำลังไฟฟ้ารวม ทั้งหมดทุกแรงดันไฟฟ้าที่เพาเวอร์ซัพพลายนั้นสามารถจ่ายออกมา ตัวเลขนี้ถ้าไปเดินหาซื้อตามร้านเองก็จะมีอยู่ 3 ขนาดถือขนาดเล็ก 200 วัตต์ , กลางซึ่งมีมากที่สุด 250 วัตต์ และใหญ่ 300วัตต์ แต่ถ้าในเครื่องที่มีจำหน่ายอยู่แล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบรนด์เนมต่าง ๆ ที่มีขายในเคสรูปร่างเล็ก ๆ หรือแปลก ๆ ไม่เหมือนทั่ว ๆ ไป อาจใช้เพาเวอร์ซัพพลายที่เล็กมาก ๆ ก็ได้ ได้แก่ 100วัตต์ , 130 วัตต์ , 150 วัตต์เท่านั้น ซึ่งมักจะดูได้จากสเป็คของเครื่องนั้น ๆ โดยเพาเวอร์ซัพพลายเหล่านี้อาจจะเป็นรุ่นที่ใช้มาตรฐาน NLX , SFZ , WTX ซึ่งเป็นมาตรฐานย่อยของ ATX อีกทีหนึ่ง ส่วนเพาเวอร์ซัพพลายสำหรับ Pentium 4 นั้นอาจจะต้องใช้ขนาดสูงสุดถึง 350 หรือ 400วัตต์ก็เป็นได้ จะเห็นได้ว่า เพาเวอร์ซัพพลายขนาด 100 วัตต์ก็ดูเหมือนจะเพียงพอแล้ว ซึ่งก็เป็นความ จริงสำหรับเครื่องที่มีแค่ส่วนประกอบพื้นฐาน คือ เมนบอร์ด ซีพียูรุ่นที่กินไฟไม่มากนัก การ์ดบางการ์ด ฮาร์ดดิสห์ 1 ตัว ไดรว์ซีดีรอมและฟล็อปปี้ดิสกื แต่ก็อาจจะไม่เพียงพอสำหรับซีพียู บางรุ่นที่แม้จะมีเพียงแค่ส่วนประกอบพื้นฐานเหล่านี้ก็ตาม แต่ก็กินไฟเยอะมาก เช่น ซีพียูรุ่นใหม่ความเร็วสูง ๆ ระดับ GHz ทั้งหลาย ถ้าเพาเวอร์ซัพพลายมีขนาดที่ใหญ่หน่อย ก็สามารถรองรับฮาร์ดดิสก์ได้มากตัวขึ้นสามารถใส่ไดรว์ CD-R เพิ่มไปจากซีดีรอมที่มีอยู่แล้ว เสียบการ์ดจอแรง ๆ ที่มีความเร็วสูงและต่อพ่วงอุปกรณ์ทาง USB ได้มากขึ้น รวมทั้งมีเสถียรภาพในการทำงานที่ดีด้วย แต่ราคาก็อาจจะสูงขึ้นมาบ้างเล็กน้อย ทั้งนี้เมื่อขนาดใหญ่ขึ้นเสียงพัดลมก็มักจะดังขึ้นตามไปด้วย (เพราะต้องระบายความร้อนมากกว่าตัวเล็ก ๆ )

หน้าที่และการทำงานของเพาเวอร์ซัพพลาย กระแสไฟที่ใช้อยู่ตามบ้านมาจากโรงไฟฟ้าโดยอยู่ในรูปแบบของไฟสลับแรงดันสูง เช่น220 โวลต์ในบ้านเรา แต่กระแสไฟที่อุปกรณ์ทุกชนิดที่คอมพิวเตอร์ใช้ (และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคส์ทุกชนิด) จะต้องเป็นไฟตรงแรงดังต่ำ หน้าที่ของเพาเวอร์ซัพพลายก็คือจะต้องแปลงไฟสลับแรงดันสูง ที่อาจจะขึ้นลงไม่แน่นอนและมีหลายระดับแรงดัน ให้เป็นไฟตรงแรงดันต่ำที่อุปกรณ์ต่าง ๆ ต้องการรวมทั้งจะต้องมีไฟพิเศษและสัญญาณต่าง ๆ อีกมากมายที่จำเป็นสำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์ในปัจจุบัน การทำงานของเพาเวอร์ซัพพลายสำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์ จะไม่ได้ใช้วงจรแปลงไฟง่าย ๆ แบบที่ใช้ในอะแดปเตอร์ทั่วไป เนื่องจากกำลังไฟฟ้าที่จะต้องจ่ายออกมานั้นสูงกว่ากันมากดังนั้นแม้จะมีหน้าที่เดียวกันแต่ก็มีวิธีทำงานที่แตกต่างกัน คือ แทนที่จะทำงานแบบตรง ๆ หรือlinear คือ รับไฟเข้ามาแล้วก็แปลงออกไปเหมือนในอะแดปเตอร์ต่าง ๆ ซึ่งมีการสูญเสียพลังงานมาก ก็ใช้การทำงานสวิทซิ่ง (switching) แทน (ชื่อเต็ม ๆ คือ constantvoltage , half-bridge ,forward-converting switching power supply) ซึ่งมีความซับซ้อนกว่ากันมาก โดยทำงานแบบclosed-loop feedback คือมีการป้อนสัญญาณขาออกกลับมาชดเชยเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพ (ราบเรียบและคงที่) ดังในแผนผังนี้


ข้อดีของการทำงานแบบนี้คือ มีประสิทธิภาพในการแปลงไฟสูง ดังนั้นเมื่อต้องจ่ายกำลังไฟมาก ๆ ก็จะเกิดการสูญเสียพลังงาน (ที่จะกลายเป็นความร้อน) ไม่มากนัก ทำให้ระบายความร้อนทิ้งออกไปได้ง่ายขั้น ส่วนข้อเสียคือ การทำงานของวงจรสวิทชิ่งซึ่งจะทำงานที่ความถี่สูงมากทำให้เกิดสัญญาณความถี่สูงแผ่กระจายออกมารบกวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ในและนอกตัวเองเครื่องได้ ดังนั้นส่วนประกอบทั้งหมดจึงถูกบรรจุอยู่ในกล่องโลหะเพื่อให้มีสัญญาณรบกวนเล็ดรอดออกมาน้อยที่สุด สัญญาณต่างๆ นอกเหนือไปจากแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นแล้ว เพาเวอร์ซัพพลายเองจะต้องมีสัญญาณเข้าและออกอีกมากมาย เพื่อการทำงานกับเมนบอร์ดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนี้
"Power Good"คือ สัญญาณบอกว่ามีไฟเลี้ยงแล้วจ้า โดยทันทีที่เราจ่ายไฟให้กับเพาเวอร์ซัพพลาย เช่นด้วยการเปิดสวิทซ์เครื่อง เมนบอร์ดจะยังไม่เริ่มทำงานจนกว่าเพาเวอร์ซัพพลายส่งสัญญาณ Power Good นี้ออกมา ก็คือรอจนกว่าเพาเวอร์ซัพพลายจะตรวจสอบเสร็จว่าไฟเลี้ยงต่าง ๆ ที่จ่ายออกมาอยู่ในระดับที่ต้องการและคงที่แล้ว ซึ่งอาจจะต้องใช้เวลาประมาณครึ่งวินาที เวลาเพียงเท่านี้คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันสามารถทำงานได้นับล้านคำสั่ง จึงต้องใช้สัญญาณนี้หยุดไว้ยังไม่ให้เริ่มทำงานจนกว่าแรงดันไฟฟ้าจะสมบูรณ์นั่นเอง บางครั้งจะเรียกสัญญาณนี้ว่า Power OK หรือOK ในกรณีที่เพาเวอร์ซัพพลายเกิดปัญหาขึ้นในระหว่างที่ทำงานอยู่ สัญญาณนี้ก็จะหายไปเช่น อาจเกิดจากไฟตก ไฟกะพริบ ซึ่งคอมพิวเตอร์ก็จะหยุดทำงานไปจนกว่าสัญญาณนี้จะกลับมาใหม่ ก็ทำให้เหมือนเครื่องถูกรีเซ็ตได สัญญาณ Power Good นี้มีมาตั้งแต่เพาเวอร์ซัพพลายตัวแรกของเครื่องพีซี มีลักษณะเป็นแรงดันไฟ +5 โวลต์ ซึ่งเพาเวอร์ซัพพลายราคาถูก ๆ บางตัวอาจจะไม่มีวงจรอะไรพิเศษ
"Soft Power"เครื่องพีซีสมัยก่อนและที่ปัจจุบันเรียกว่า แบบ AT จะมีสวิทซ์เปิดปิดวงจรไฟฟ้าที่จ่ายเข้าไปให้กับเพาเวอร์ซัพพลายโดยตรงเหมือนสวิทซ์ปิดเปิดไฟตามบ้านทั่วไป แต่ในยุคของเครื่องแบบ ATX ซึ่งรวมไปถึง NLX , SFX และ WTX ได้เปลี่ยนวิธีการปิดเปิดเครื่องไปเป็นการใช้สัญญาณบอกให้เพาเวอร์ซัพพลายเปิดหรือปิดเครื่อง เหมือนกับการใช้รีโมตคอนโทรลเปิดปิดทีวีสมัยนี้นั่นเอง วิธีการแบบนี้เรียกว่า Soft Power ซึ่งทำให้ Windows สามารถสั่งปิดเครื่องได้และผู้ใช้สามารถเปิดคอมพิวเตอร์ด้วยวิธีการอื่น ๆ เช่น กดปุ่มบนคีย์บอร์ดแทนการกดสวิทซ์หน้าเครื่อง
"Power on"สัญญาณที่ใช้เปิดปิดเครื่องนี้เรียกว่า Power on หรือ PS on ซึ่งจะเป็นไปได้ก็คือจะต้องมีไฟเลี้ยงเครื่องอยู่เล็กน้อยตลอดเวลา เหมือนกับที่คุณเห็นทีวีมีไฟเรืองแสงอยู่ ไฟเลี้ยงนี้เรียกว่า +5V Stand by หรือ +5V SB ซึ่งเป็นไฟ +5 โวลต์ที่จ่ายออกมาจากเพาเวอร์ซัพพลายอยู่ตลอดเวลาแม้ว่าจะสั่งปิดไปแล้วก็ตาม นอกจากจะจ่ายเพื่อให้สามารถเปิดปิดเครื่องในแบบsoft Power ได้แล้วยังช่วยให้สามารถสั่งเปิดเครื่องด้วยสัญญาณอื่น ๆ ได้อีก ได้แก่ เมื่อมีโทรศัพท์เข้ามาที่โมเด็ม (Wake on Ring) หรือผ่านทางระบบเครือข่าย (Wake on LAN)
นอกเหนือไปจากที่กล่าวมาแล้ว เพาเวอร์ซัพพลายบางตัวยังอาจจะมีสัญญาณอื่น ๆ ซึ่งได้กำหนดไว้ในมาตรฐานแล้ว่าไม่จำเป็น คือ อาจจะมีหรือไม่มีก็ได้ เช่น +3.3V SB (Stand by)ในเพาเวอร์ซัพพลายแบบ ATX , สัญญาณ Fan ON/OFF ในเพาเวอร์ซัพพลายแบบ SFX และสัญญาณอื่น ๆ ในเพาเวอร์ซัพพลายแบบ ATX และ NLX ดังนี้
"+3.3V Sense" เป็นตัวบอกกับเมนบอร์ดว่าไฟเลี้ยง +3 นั้นอยู่ในสถานะที่ดีหรือไม่เพื่อแสดงสถานะของไฟเลี้ยง +3.3V ซึ่งถือได้ว่าสำคัญมากเนื่องจากใช้เลี้ยงซีพียูและ RAM นั่นเอง โดยไฟ +3.3V อาจจะตกโดยที่ไฟอื่น ๆยังดีอยู่ก็เป็นได้
"Fan C" เป็นสัญญาณควบคุมพัดลม เพื่อให้ความเร็วพัดลมของเพาเวอร์ซัพพลายเปลี่ยนแปลงหรือหยุดไปได้ เช่น เมื่อเครื่องเข้าสู่ Stand by mode ก็สั่งหยุดพัดลมของเพาเวอร์ซัพพลายด้วยการส่งสัญญาณที่ต่ำกว่า 1 โวลต์ไป
"Fan M" ใช้คู่กับ Fan C เป็นสัญญาณ monitor เพื่อตรวจสอบว่าขณะนี้พัดลมของเพาเวอร์ซัพพลายหมุนด้วยความเร็วเป็นอย่างไร เพื่อจะเตือนหรือหยุดการทำงานของซีพียูถ้าพัดลมทำงานผิดปกติ เพื่อป้องกันความเสียหายเมื่อระบบระบายความร้อนมีปัญหา
สัญญาณของเมนบอร์ด ATX นอกจากนี้ในเพาเวอร์ซัพพลายแบบของเมนบอร์ด ATX ยังเพิ่มสัญญาณต่อไปนี้อีกด้วย "Sleep" สั่งให้เพาเวอร์ซัพพลายเข้าสู่ Sleep mode "+3.3V" AUX เป็นไฟ + 3.3V Stand by เหมือนกับของ +5V "+5V Sense" ใช้บอกสถานะของไฟ +5V เหมือนกับของ +3.3V
ส่วนประกอบของเพาเวอร์ซัพพลาย
เพาเวอร์ซัพพลายประกอบด้วย ส่วนต่าง ๆ มากมาย และเป็นส่วนประกอบที่ทำงานด้วยไฟแรงสูง จึงไม่ควรถอดรื้อด้วยตนเองส่วนประกอบของเพาเวอร็ซัพพลายพอจะแสดงให้เห็นได้คร่าว ๆ ดังนี้



"ตัวกล่อง" ตัวกล่องจะทำด้วยโลหะยึดติดกันด้วยสกรู มีรูปร่างและขนาดซึ่งอาจจะต่างกันไป สำหรับเคสแต่ละตัว แต่ละชนิดมีหน้าที่ปกปิดส่วนประกอบภายในที่อันตรายต่อการจับต้องและป้องกันสัญญาณความถี่สูงออกมารบกวนภายนอก
"เต้าเสียบสายไฟ" ปกติแล้วเพาเวอร์ซัพพลายจะมีช้องสำหรับเสียบสายที่ต่อเข้ากับปลั๊กไฟบ้าน แยกไว้ต่างหากเพื่อสะดวกกับการถอดใส่ในบางรุ่นจะมีช่องสำหรับต่อพ่วงสายไฟเลี้ยงจอภาพให้อีกต่างหากเพื่อผ่านสวิทซ์ตัวเดียวกันกับตัวเครื่อง แต่เมื่อมาถึงยุค ATX ซึ่งมีคุณสมบัติ Soft Power ช่องต่อพ่วงนี้ก็ได้หายไปเนื่องจากไม่มีการตัดต่อไฟเลี้ยงกันจริง ๆ คุณสมบัตินี้ในปัจจุบันได้กลับมาใหม่โดยเป็นการต่อพ่วงกับสายไฟที่เสียบเข้าโดยตรงนั่นเอง คือ ไม่ผ่านสวิทซ์ใด ๆ ทั้งสิ้นทั้งนี้ก็เพียงพอเพื่อความสะดวกในการใช้งานจอภาพเท่านั้น
"สวิทซ์ปิดเปิด" ในสมัยก่อนสวิทซ์ที่ตัวเครื่องจะต่อพ่วงกับเพาเวอร์ซัพพลาย เมื่อกดเปิด ไฟสลับจะผ่านเข้าไปจ่ายให้กับวงจรจริง ๆ แต่ในเมนบอร์ดและพาวเวอร์ซัพพลายแบบ ATX สวิทซ์หน้าเครื่องจะต่อเข้ากับขั้วต่อสัญญาณบนเมนบอร์ดซึ่งจะส่งสัญญาณไปให้เพาเวอร์ซัพพลายปิดเปิดการจ่ายไฟอีกทีหนึ่ง เพาเวอร์ซัพพลายชนิดนี้บางตัวจึงมีสวิทซ์อยูที่กล่องเพาเวอร์ซัพพลายเองต่างหากอีกตัวหนึ่ง เพื่อใช้ปิดเปิดการทำงานของเพาเวอร์ซัพพลายเช่นเดียวกับสวิทซ์ที่ตัวเครื่องในสมัยก่อน
"สวิทซ์เลือกแรงดัน" ที่กล่องเพาเวอร์ซัพพลายส่วนใหญ่จะมีสวิทซ์สำหรับเลือกแรงดันที่จะต่อเข้ากับเพาเวอร์ซัพพลายว่าเป็น 220 หรือ 110 โวลต์ ซึ่งจะต้องเลือกให้ถูกต้องตรงกับการใช้งาน ถ้าเลือกผิดอาจจะทำให้เกิดการชอร์ตหรือระเบิดได้ เพาเวอร์ซัพพลายราคาถูกอาจจะไม่มีสวิทซ์ให้เลือกและออกแบบมาให้ใช้กับแรงดันไฟระดับเดียวเท่านั้น
"วงจรแปลงไฟ" ภายในกล่องจะประกอบไปด้วย อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นจำนวนมาก ทำหน้าที่แปลงไฟและรองรับการทำงาอื่น ๆองเพาเวอร์ซัพพลายดังที่ได้กล่าวมาแล้ว

"พัดลม" นอกจากนี้ในกล่องยังจะมีพัดลมสำหรับทำหน้าที่ระบายอากาศอยู่ด้วย โดยมากจะเป็นพัดลมขนาด 3 หรือ 4 นิ้ว แล้วแต่ขนาดของเพาเวอร์ซัพพลาย และทำงานด้วยไฟ 12 โวลต์ พัดลมในเพาเวอร์ซัพพลายและพัดลมที่ใช้คิดเพิ่มเติมกับตัวเครื่องจะมีลักษณะเดียวกัน ข้อแตกต่างระหว่างพัดลมราคาถูกกับราคาแพงก็คือ ลูกปืนของมอเตอร์ที่ใช้ ซึ่งของราคาถูกจะใช้ sleeve bearing ที่มักจะติดขัดได้ง่ายหลังจากที่ใช้ไปไม่กี่ปี ในขณะที่แบบหลังจะใช้ ball bearing ซึ่งมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า พัดลมมักเป็นส่วนที่เสียก่อนเพื่อน เพราะการที่หมุนอยู่ตลอดเวลาทำให้ฝุ่นผงเข้าไปจับและทำให้เกิดติดขัด ผลคือมอเตอร์อาจทำงานหนักจนเสียได้ และเมื่อหยุดทำงานก็จะทำให้ขาดการระบายความร้อนและเกิดความเสียหายกับอุปกรณ์ต่าง ๆ ตามมา
"ฟิวส์ (Fuse)" ส่วนใหญ่ภายในกล่องเพาเวอร์ซัพพลายจะมีฟิวส์ทำหน้าที่ป้องกันอันตรายจากการใช้ไฟ เกิดขนาด ซึ่งมักจะเกิดจากความเสียหายภายในตัวเพาเวอร์ซัพพลายเอง เพราะส่วนใหญ่แล้วเพาเวอร์ซัพพลายจะมีระบบป้องกันการจ่ายไฟเกินอยู่แล้ว โดยที่หากมีการจ่ายกระแสมากเกิดกำหนดก็จะตัดไฟไม่ให้จ่ายออกมาทำให้ลดความเสียหายลงได้ แต่ถ้าเกิดการชอร์ตภายในตัวเพาเวอร์ซัพพลายเองก็จะต้องอาศัยฟิวส์เป็นตัวป้องกัน ซึ่งถ้าฟิวส์ขาด โอกาสที่จะเปลี่ยนฟิวส์ใหม่แล้วใช้ได้นั้นเป็นไปได้น้อยมาก เพราะว่าวงจรภายในตัวเพาเวอร์ซัพพลายเองมีปัญหาแล้ว
คำเตือน จะเห็นได้ว่าไม่มีประโยชน์ใด ๆ ที่จะพยายามเปิดกล่องเพาเวอร์ซัพพลายออกมาซ่อมแซม จึงไม่แนะนำให้ทำเพราะอันตรายเป็นอย่างยิ่ง