что такое пульсации блока питания
Методика тестирования блоков питания стандарта ATX
Введение
Современные блоки питания, в общем, и для компьютера в частности, представляют собой довольно сложные устройства. Основных только электрических характеристик больше десятка, а есть еще шумовые, тепловые, массогабаритные. Все блоки питания стандарта АТХ являются импульсными преобразователями с различными вариациями схемных решений, но с единым принципом работы. Без специального оборудования, в виде управляемых нагрузок, осциллографа и некоторых других устройств невозможно протестировать соответствие стандарту характеристик, указанных на наклейке и в паспорте блока питания. Самый простой вопрос «Хватит ли блока питания ХХХ для работы компьютера УУУ?» на самом деле вовсе не так прост. Для ответа на поставленный вопрос необходимо ознакомиться с разнообразными характеристиками существующих блоков питания и типичным потреблением компьютерного железа.
Характеристики блока питания
Все основные характеристики и требования в той или иной степени описаны в документах, известных как ATX12V Power Supply Design Guide Version 2.2, SSI EPS12V Power Supply Design Guide Version 2.91 и аналогичных. Эта документация предназначается производителям блоков питания для обеспечения совместимости их аппаратуры с общепринятым стандартом ATX. Сюда входят геометрические, механические и, конечно же, электрические характеристики устройств. Вся документация доступна в открытом виде в сети Internet ( ATX12V PSDG / SSI EPS PSDG ). Приведем основные темы, описанные в этой документации. Начать стоит с наиболее важной величины, которая указывается на каждом блоке питания доступном в розничной продаже.
реклама
Допустимая мощность нагрузки
С учетом этого фактора новый пересчет мощности будет выглядеть так: 152+328+9.6+12.5=502.1 Вт, либо 0+480+9.6+12.5=502.1 Вт, либо любая из допустимых вариаций между этими двумя крайними значениями распределения мощностей по каналам. Исходя из этого, возникает вопрос – а как же тестировать блок: на полной нагрузке по низковольтным каналам, либо на максимальной мощности канала +12В? А может на каком-то промежуточном значении? Рассмотрим этот момент в дальнейшем подробнее.
Также не стоит путать параметры максимальной долговременной мощности и пиковой мощности (Total Peak Power), допустимой на небольшой период времени (17 секунд согласно ATX 2.2 и 12 секунд по EPS 2.91). К примеру, блок питания с номинальной мощностью 500Вт может выдать в пике до 530 Вт, но для блока питания постоянно работать с превышением номинальной мощности нежелательно, ведь запас прочности компонентов может оказаться не очень большим, и жарким летом случится неприятный фейерверк.
Допустимый уровень отклонения напряжений
Эта характеристика является одним из основных и определяет допустимое отклонение каждого из напряжений. Удобнее и нагляднее будет представить эти величины как две таблицы, взятые из стандарта EPS 2.91:
Таблица 20 отражает максимально допустимый уровень отклонений, а таблица 21 – опциональный, с более жесткими рамками, актуальными для графических станций и серверов. Если отклонение по напряжению будет ниже 5-10% порога, вероятно появление сбоев в работе компьютера, либо спонтанные перезагрузки во время большой нагрузки на процессор или видеокарту. Слишком же высокое напряжение негативно сказывается на тепловом режиме работы преобразователей на материнской плате и платах расширения, а также способно вывести из строя чувствительные схемы винчестеров, либо вызвать их повышенный износ. В более лояльном ATX Power Supply Design Guide дополнительно для каналов с напряжением +12В регламентируется допустимое 10%-ное отклонение при пиковой нагрузке на эти каналы. При этом напряжение канала +12V2 (обычно используемого для питания процессора) не должно снизиться менее +11 В.
Уровень пульсаций
реклама
Не менее важным является и минимально возможные выбросы (пульсации) напряжения на каждой из линий. Допустимые рамки описаны в стандарте как обязательные и выглядят так:
Источниками пульсаций обычно являются схемы преобразователей внутри самого блока питания, а также мощные потребители с импульсным характером потребления, такие как процессоры, видеокарты. Винчестеры и имеющийся в них блок магнитных головок во время частого перемещения также может создавать всплески помех, однако их величина мощности значительно меньше.
Входное напряжение, эффективность и PFC
Блок питания обязан работать во всех допустимых режимах при следующих входных напряжениях:
Наличие напряжений, указанных в таблице ниже, не должно приводить к повреждению схем блока питания. Пропадание сетевого напряжения на любой период времени, в любой момент работы также не должно приводить к неисправности блока. При включении, ток зарядки высоковольтных конденсаторов не должен превышать номинальные значения входных цепей (предохранитель, выпрямительные диоды и схемы ограничения тока).
Существует миф, что более мощный блок питания потребляет больше мощности из розетки, по сравнению с маломощным дешевым собратом. На самом деле, часто в реальности имеет место обратная ситуация. Каждый блок имеет потери энергии при преобразовании сетевого напряжения в низковольтное постоянное, идущее к компонентам компьютера. КПД (эффективность) современного дешевого блока обычно колеблется около величины 65-70%, в то время как более дорогие модели могут обеспечивать эффективность работы до 85%. Например, подключив оба блока к нагрузке 200 Вт (примерно столько потребляет большинство компьютеров), мы получим потери 70 Вт в первом случае и лишь 30 Вт во втором. 40 ватт экономии при ежедневной работе компьютера по 5 часов в сутки и 30-дневном месяце помогут сэкономить 6 кВт на счете за электроэнергию. Конечно, это мизерная цифра для одного ПК, но если взять уже офис на 100 компьютеров, то цифра может оказаться заметной. Также стоит учесть, что эффективность преобразования различна при разной мощности нагрузки. А поскольку пик КПД приходится на 50-70% диапазон нагрузок, практического смысла в приобретении БП с двукратным и более запасом мощности нет.
Эффективность работы должна превышать 70% для полной нагрузки, и 65% для 20%-нагрузки. При этом рекомендуемая эффективность как минимум 75% или лучше. Существует добровольная система сертификации для производителей, известная как Plus 80. Все источники питания, участвующие в этой программе, имеют эффективность преобразования свыше 80%. На текущий момент список участников-производителей в инициативе Plus 80 включает более 60 наименований.
Также нельзя путать КПД блока питания с такой характеристикой как коэффициент мощности (Power Factor). Существует реактивная мощность и активная, и коэффициент мощности отражает отношение реактивной мощности к общей суммарной мощности потребления. Большинство блоков питания без каких-либо схем коррекции обладают 0.6-0.65 фактором мощности. Поэтому импульсные блоки питания в значительной степени создают реактивную мощность, и их потребление выглядит как мощные импульсы во время пиков синусоиды сетевого напряжения. Это создает помехи в электросети, которые могут повлиять на другие устройства, питаемые от той же электросети. Для устранения этой особенности применяются схемы с пассивной коррекцией фактора мощности (Passive PFC) и активной (Active PFC). Активный PFC эффективно справляется с этой задачей, по сути, являясь преобразователем между самим блоком питания и электросетью. Фактор мощности в блоках с использованием APFC легко достигает величины 0.97-0.99, что значит практически полное отсутствие реактивной составляющей в потреблении БП. Пассивная схема коррекции Power Factor представляет собой массивный дроссель, включенный последовательно сетевым проводам блока питания. Однако он значительно менее эффективен и на практике повышает фактор до 0.7-0.75. С точки зрения компьютера и потребителя разницы между блоком с APFC и блоком вообще без коррекции практически нет, использование первых выгодно компаниям электроснабжения.
Сигнальные линии PSON и PWOK
PSON (Power Supply ON) – специальная сигнальная линия для включения\выключения блока питания логикой материнской платы. Когда этот сигнал не подключен к земле, блок питания должен оставаться в выключенном состоянии, за исключением канала +5В (дежурное). При логическом нуле (напряжение ниже 1 В) – логика включает блок питания. PWOK (Power OK) – сигнальная линия, по которой блок питания сообщает материнской плате, что все выходные линии находятся в нормальном состоянии и стабилизация осуществляется в заданных стандартом пределах. Время задержки появления сигнала при нормальной работе блока питания с момента подачи логического нуля по PSON – 900 мс.
Схемы защиты
реклама
Защита от перегрева (Over Temperature Protection, OTP) блоков питания не является обязательной функцией, поэтому весьма важно соблюдать условия эксплуатаций источников питания в тесных корпусах, либо в местах с ухудшенной вентиляцией. Максимальная температура воздуха во время работы не должна превышать +50°С. Некоторые производители рассчитывают и указывают мощность блока питания при пониженной температуре +25, или даже +15°С, и попытка нагрузить указанной мощностью подобное изделие в жаркую погоду может привести к неприятному финалу. Это именно тот случай, когда примечание шестым пунктом снизу имеет значение. Если удается найти допустимый температурный диапазон для конкретной модели блока на тестах, мы указываем это явно в таблице с характеристиками.
Защита от короткого замыкания (Short Curcuit Protection, SCP) – является обязательной для всех блоков питания, проверяется кратковременным подключением силовой шины между каналами и землей блока питания.
Немного о разделении +12В канала на несколько «виртуальных»
Набившее оскомину разделение каналов вызвано требованием стандарта безопасности EN60950, который предписывает ограничить ток на доступных пользователю контактах на уровне 240 ВА. Так как общая суммарная мощность канала +12В в мощных блоках питания может превышать эту величину, было принято решение ввести разделение на несколько отдельных каналов с индивидуальной защитой по току менее чем 20А. Эти раздельные каналы вовсе не обязаны иметь индивидуальную стабилизацию внутри БП. Поэтому на самом деле, почти все блоки питания имеют один сильноточный канал +12В, вне зависимости от количества виртуальных каналов. Хотя на рынке имеется несколько моделей с действительно раздельными стабилизаторами и несколькими независимыми линиями +12В, однако это лишь исключение из общего правила. Для компьютерных комплектующих виртуальное, как и реальное разделение по каналам никоим образом не сказывается, а те из компонент, которые могут потребовать ток более чем 18-20А, имеют возможность подключения двух разделенных каналов. Так 8-контактный разъем питания процессора на материнских платах имеет по два контакта на каждый из двух каналов, а топовые видеокарты NVIDIA и AMD имеют два 6-контактных (либо комбинацию из 6-контактного и 8-контактного, как у Radeon 2900 XT, Radeon HD 3870 X2, GeForce 9800 GX2) разъема.
Кроме электрических характеристик имеются и физические. Каждый блок, претендующий на соответствие форм-фактору ATX должен иметь ширину 150мм, при высоте 86мм. Глубина блока может варьироваться от 140мм до 230мм и более.
реклама
Кабельное оснащение блока
Существующие блоки питания оснащаются массой кабелей с разными типами разъемов. Информация об их длинах и количестве позволит еще до покупки определить, подойдет ли конкретная модель под нужный корпус, либо придется докупать переходники и удлинители. Все эти параметры отображаются в виде таблицы для каждого из протестированных блоков. Верхняя часть – несъемные кабели, а ниже, в случае наличия отстегиваемых проводов, с отступом указаны количество и длины всех кабелей с разъемами.
Если на одном проводе имеется несколько разъемов – длины до каждого записываются в ряд. К примеру, общая длина кабеля в примере выше для последнего разъема SATA – 45+15+15 = 75см. Нестандартные разъемы, к примеру, 3-контактный кабель мониторинга оборотов вентилятора, или переходники указываются в нижних строках таблицы. Кроме перечисления кабелей и их видов, определяется толщина проводов, использованных в кабелях, наличие дополнительных проводов для мониторинга и компенсации сопротивления проводов к разъему (так называемые Vsense-провода).
Шумность системы охлаждения
реклама
Почти все блоки питания оснащаются вентилятором для активного охлаждения компонентов внутри корпуса. Кроме этого, вентилятор также выбрасывает подогретый воздух внутри корпуса компьютера наружу в окружающую среду. Большинство современных источников питания имеют вентилятор типоразмера 120 мм, расположенный на нижней стенке. Все чаще встречаются модели с вентилятором 135 или даже 140 мм, благодаря чему можно добиться снижения уровня шума при сохранении эффективности охлаждения. Однако в старших мощных моделях по-прежнему применяется 80 мм вентилятор в задней торцевой стенке, который выбрасывает воздух из БП наружу. Возможны также вариации с использованием разного расположения вентилятора, либо применением нескольких вентиляторов. Почти все блоки оснащены схемой динамического управления оборотами вентиляторов, в зависимости от температуры внутри БП (чаще всего температуры радиатора с диодами стабилизатора).
Мощность, потребляемая различным комплектующими
Наибольшая доля потребляемой мощности приходится на центральный процессор и видеокарты. В Internet имеется масса различных калькуляторов потребления компьютера. Довольно достоверные результаты выдает eXtreme Power Supply Calculator Pro. Наша тестовая система на базе процессора Intel Xeon 3050, мат.платы Intel DP35DP, четырех модулей памяти DDR2, видеокарты NVIDIA GeForce 6600GT и трех винчестеров Seagate ST3320620AS, согласно расчетам калькулятора, требует блока питания с мощностью 244 Вт. Замеренное реальное потребление системы под нагрузкой достигло величины 205 Вт. Цифры схожие, да и наличие некоторого запаса по мощности не помешает, ведь конфигурация ПК со временем может меняться, например, добавится еще один винчестер, или видеокарта будет заменена на более производительную. Будет неприятно менять и блок питания при каждой такой замене. Современные 4-ядерные процессоры на базе 65-нм ядер Intel и AMD требуют до 100-140Вт мощности (без разгона), а 45-нм Intel Core 2 Extreme QX9650 довольствуется 75-80Вт при полной нагрузке. Куда более прожорливы старшие видеокарты NVIDIA и ATI, а тандем из двух видеокарт GeForce 8800 Ultra либо ATI Radeon HD 3870 X2 может потребовать до 350-450 Вт на одну только графическую подсистему. В таких конфигурациях логично и необходимо использовать соответствующие блоки питания, с мощностью 500-600Вт. Остальные компоненты потребляют немного, один винчестер едва дотягивает до отметки 15-25Вт во время старта и позиционирования головок, модуль памяти в среднем требует 4-10Вт, периферийные платы – 5-25Вт. Системы охлаждения за исключением комплексов с использованием термоэлектрических элементов также потребляют немного: 10-40Вт.
Методика и стенд для тестирования
Теперь немного понятно, что для полноценного тестирования блока питания недостаточно просто измерить вольтметром напряжение на выходах. Это лишь может показать отсутствие явных и серьезных проблем в работе блока питания, но не более того. Основная проблема обеспечения качественного питания обычно заключается в неспособности блока питания выдавать нужный ток для каждой компоненты компьютера, либо чрезмерном отклонении напряжений от номинала. Всевозможные вариации тестирования «методом вольтметра» могут лишь показать, что компьютер способен работать на конкретно взятой нагрузке, в конкретный момент времени, но абсолютно не показывает, насколько большую мощность в реальности может выдать блок питания, и не показывает, что случится с блоком питания, если нагрузка превысит допустимую мощность.
реклама
Для проведения тестирования и выяснения технических характеристик каждой блок питания подключается к специальному стенду, который позволяет одновременно измерять уровни напряжения и тока на всех выходных каналах в автоматическом режиме. Перед тестированием на стенде все блоки питания разбираются, фотографируются, проверяется качество пайки и монтажа, осматриваются компоненты на платах на предмет дефектов. В случае наличия, оные описываются в статье, со ссылкой на тот факт, что один конкретно взятый блок может оказаться бракованным, как и любое другое сложное электронное оборудование. Также всегда приводится фотография наклейки блока питания, с допустимыми величинами мощности по всем каналам. Если плотность монтажа позволяет, проводится обзор примененной элементной базы и особенности схематических решений. Часто встречается ситуация, когда компании сами не разрабатывают, а только продают блоки питания сторонней разработки OEM-компаний. Это обычно можно определить по коду сертификата UL, он редко скрывается и наносится на наклейке с основными параметрами, и выглядит как “E123456”. Примером использования данного принципа является OCZ, Tagan, ThermalTake и другие. Определить принадлежность кода к названию производителя можно на сайте UL Online Certifications Directory, задав поиск по коду с наклейки в графе UL File Number.
Для коробочных изделий обозревается комплектация и дополнительные аксессуары. На этом же этапе данные о мощности блока и каналов с наклейки блока питания заносятся в программу управления стендом, и подключаются все необходимые разъемы, в соответствии с распределением каналов. Проверяется работа схем защиты от короткого замыкания (каждая линия последовательно подключается на земляную шину), а также защита от перегрузки по каналам. Блок измерения входных параметров сети на данный момент находится в разработке, поэтому замеры КПД, коэффициента мощности и работа БП при различном диапазоне входных напряжений временно не проводятся. После проведения базовой проверки функционирования блока питания проводится снятие графиков кросс-нагрузочной характеристики (КНХ). Обычно для стабилизации напряжений +12В и +5В в блоках питания используется групповая схема включения, которая выравнивает среднеарифметическую величину между этими двумя напряжениями. Такое устройство легко видно при обзоре внутреннего строения блока питания, для группового стабилизатора используется один дроссель большего и один меньшего диаметра для канала +3.3В, который стабилизируется отдельно. Эти дроссели обычно расположены возле места подключения проводов выходных каналов блока питания.
Недостаток такой схемы включения – напряжения +12В и +5В сильно зависят друг от друга. При сильной нагрузке на +12В напряжение на ненагруженном канале +5В начинает завышаться. Равнозначна и обратная ситуация, действует своеобразный принцип «качелей». В современных же компьютерах вся мощная нагрузка приходится именно на +12В, четырехъядерный CPU и несколько видеокарт могут легко создать нагрузку около 30А, при почти нулевой нагрузке по +5 и +3.3В.
реклама
Более предпочтителен подход с использованием раздельных дросселей для стабилизации каждого из напряжений независимо. Однако это требует дополнительного места на печатной плате, да и сами дроссели денег стоят, поэтому подобное решение используется только в довольно дорогих блоках питания. Кроме этого, в блоках могут применяться дополнительные цепи для стабилизации напряжений, а эффективность их работы и призвано наглядным образом показать на графике КНХ.
В качестве нагрузки, а также для упрощения и автоматизации тестирования был разработан и изготовлен стенд на базе RISC-микроконтроллера ATMEL AT91SAM7A3. Для нагрузки используется шесть независимых идентичных каналов. Характеристики каждого из них приведены ниже в таблице.
реклама
Физически электроника и платы стенда с помощью стоек смонтированы на алюминиевом радиаторе с размерами 750х122х38 мм. Непосредственно сами силовые ключи установлены на стенку радиатора. Для охлаждения радиатора используются мощные вентиляторы Nidec Beta V и Delta DFB1212SHE типоразмера 120х38, а крыльчатка каждого вращается со скоростью свыше 4000 оборотов\минуту.
Возможности стенда довольно широки и включают на данный момент:
Для управления работой стенда, его настройки и контроля используется специальное программное обеспечение, работающее под управлением ОС Windows, которое постоянно обменивается данными с микроконтроллером стенда. Связь осуществляется при помощи интерфейса USB, который имеется на любом современном ПК.
В ручном режиме каждый канал стенда может независимо настраиваться, а контроль напряжений и токов проводится непрерывно, что позволяет быстро выяснить пороги стабильной работы блока. Программа позволяет также генерировать импульсы с различной величиной тока, для проверки устойчивости блока к импульсным нагрузкам (например, одновременный старт нескольких винчестеров, либо работа видеокарт в SLI/CF).
В автоматическом режиме программа строит 6 графиков (для каждого канала отдельный график). По оси Х суммарная величина потребляемой стендом мощности по каналу +12В, а по Y – суммарная мощность от каналов +3.3 и +5В. Может быть задан любой предел по мощности нагрузки, в рамках допустимой мощности стенда. Каждая точка графика на пересечении осей обозначает величину напряжения по каналу при суммарной нагрузке на каналы +3.3, +5 и +12В. То есть, на графике напряжения +3.3В все поле графика – это величина напряжения при всех возможных комбинациях нагрузок. Зная заявленные в стандарте и описанные нами ранее в статье допустимые отклонения по каждому напряжению – мы можем достоверно утверждать, на сколько процентов блок питания снизил, либо превысил напряжение относительно идеальных 3.300В, 5.000В и 12.000В. Но приводить в статье этот огромный массив цифр не имеет практического смысла, и все величины отклонений удобнее отобразить на графике цветовыми маркерами. Легенда с отклонениями прилагается на каждом графике и позволяет легко определять, где вложился блок питания в требования стандарта, а где нет. Пониженное напряжение отображается оттенками синего, повышенное относительно номинала – красными. Уровни за пределами стандарта (+\-5%) отображены темно-синим и темно-красными цветами. Шаг между каждой из точек составляет 0.2-0.5 А в зависимости от заданных условий тестирования. Типичный блок питания с мощностью 500Вт в автоматическом режиме тестируется около часа, при этом производится около 10000 измерений, и такое же количество ступеней управления нагрузкой. Провести вручную аналогичный тест заняло бы массу времени. Для блоков с типичной мощностью КНХ может сниматься в соответствии с нагрузочными моделями, описанными для типичных нагрузок в стандартах ATX PSDG 2.2 и EPS PSDG 2.91.
После проведения замеров, графики компонуются в один анимированный GIF-файл и публикуются в статье. Итоговый вид приблизительно таков:
Грубо говоря – чем больше зеленого цвета на графике – тем меньше отклонение напряжений от идеала. Напомним, что основное потребление современных ПК приходится на +12В канал, поэтому важно минимально возможное отклонение именно в горизонтальной плоскости графика.
Кроме КНХ замеряются уровни пульсаций на каждом из основных каналов. Для этого используется 4-канальный осциллограф Tektronix 2246-1Y, с максимальной частотой 100 МГц, чего с большим запасом достаточно для обнаружения и измерения всех возможных пульсаций блока питания. Пульсации замеряются при 100% нагрузке на блок питания, именно в этих условиях их величины максимальны. Чем ниже пульсации – тем меньше наводок и помех создает блок питания в питаемых им устройствах. Это особенно важно для чувствительных звуковых карт, тюнеров и подобных устройств. В дальнейшем замер пульсаций также будет автоматизирован.
Итоги и дальнейшие пути усовершенствования
На текущий момент использованная методика и стенд позволяют с хорошей точностью определить основные нагрузочные возможности, уровень пульсаций и соответствие допускам стандарта по всем основным питающим каналам блока питания. Однако всегда есть возможность внести улучшения, поэтому в скором времени планируется реализация блока для автоматического замера эффективности преобразования (КПД) блока питания, замеры фактора мощности, оптические датчики для замеров скорости вращения вентиляторов блока и температурные измерения в условиях, приближенных к реальным средам использования. Данная статья будет периодически обновляться, с учетом вносимых изменений. Также все пожелания и дополнения читателей будут внимательно рассмотрены и приняты во внимание.
Версия 1.01b от 2.02.2008. Начальная версия.
Использованные материалы и ссылки:
Выражаю благодарности за помощь в создании стенда
Тестирование блоков питания: методика (страница 2)
Элементы системного блока потребляют энергию для своей работы, и этот процесс крайне непостоянен во времени. Изменение в выполняемой задаче, запрос ввода/вывода на периферийное устройство, изменение картинки на экране монитора – все это и много другое приводит к изменению условий распределения тока по питающим напряжениям БП. Все тесты, которые проводились ранее, ориентированы на «среднее» потребление, которое является весьма условным в работе компьютера. Основной характер нагрузки – импульсный, резкий наброс тока с последующим резким сбросом.
реклама
Возьмем процессор, характер его потребления зависит от выполняемых команд. Производительность современного процессора находится на уровне 3-20 млрд операций в секунду и смена характера потребления может произойти за доли наносекунды. Столь короткий интервал времени будет сглажен блокировочными конденсаторами, но их емкость не беспредельна и «длительный» характер смены типа нагрузки проявит себя через небольшой отрезок времени.
Современные технологии ориентированы на использование SMD компонентов небольшого размера, что ограничивает величину емкости сглаживающих конденсаторов. Причем переход с электролитических на «твердотельные» еще больше усугубил провал в цифрах – применение высокоэффективных конденсаторов снижает паразитное последовательное сопротивление (ESR), но никак не увеличивает их номинальную емкость. Эта устойчивая тенденция приводит к тому, что ток потребления из блока питания стал меняться более интенсивно с повышением скорости нарастания/спада тока. Это повышает требования к БП по скорости отработки воздействий и устойчивости цепи стабилизации.
Причем нельзя просто взять и повысить скорость отработки возмущений, и сохранить прежнюю устойчивость. Здесь действует принцип качелей – после повышения быстродействия обратной связи неизменно следует падение или качества стабилизации (петлевое усиление) или устойчивости (выбросы при обработке переходных процессов). Для «старых» нормативов качества можно было и не исследовать импульсные нагрузки, но современные устройства не могут обойтись без подобного испытания.
Одной из особенностей теста является значительное изменение характера потребления в пределах одной диаграммы. Увеличение условий нагрузки БП с 10% на 80% неизменно «разметает» уровни напряжений 12В, 5В и ухудшит удобство восприятия данных. Поэтому при формировании графиков они адаптируются к базовым величинам 12В, 5В и на диаграмме будет отсутствовать скачек уровней при переходе от 10% к 80%, но в действительности он имеется. Для изучения реакции «не нагруженной» и «сильно загруженной» системы хорошо бы видеть только реакцию на импульс, поэтому и используется автокоррекция среднего значения.
В «ГОСТ Р 50628» указаны условия динамических изменений электропитания (пункт 4 таблицы 1), остается лишь их выполнить. Для этого блок питания включается от эмулятора сети, устанавливается мощность нагрузки 75% и попеременно устанавливаются напряжения:
В каждом состоянии блок питания находится 200 мс, до и после теста БП длительно выдерживается при номинальном напряжении сети 220 вольт. Одновременно с изменением сети выполняется измерение выходных напряжений БП и тока сети.
Кроме фиксированных значений напряжения хотелось бы знать, как поведет себя блок питания при снижении напряжения сети ниже «разумного» порога в 187 вольт. Для этого строится еще один график с установкой ряда снижающихся напряжений питания БП с 242 до 145 вольт. По результатам строится диаграмма, аналогичная предыдущей. В обоих разновидностях теста интерес представляет изменение амплитуды/формы тока сети и мера стабильности выходных напряжений. Для блоков без APFC этот тест позволит оценить минимально-допустимое напряжение сети, а для БП с APFC оценить качество работы последнего.
Напрямую посмотреть устойчивость цепей APFC не представляется возможным, данный узел хорошо изолирован в блоке питания, но при наличии сбоев в функционировании это может как-то проявиться через нарушение монотонности тока потребления или изменении уровня помех в выходных напряжениях.
реклама
В «ГОСТ Р 50628» в том же пункте 4 таблицы 1, указан тест на провал напряжения сети. Фактически он означает, что блок питания должен сохранить нормальное функционирование при отсутствии одного периода сети.
Одна из особенностей данного испытания в том, что работа APFC и основного преобразователя претерпевает очень сильные колебания мощности и напряжения накопительного конденсатора, это может представить много «чудес» в качестве стабилизации выходных напряжений. Некоторые блоки питания с APFC слишком «доверяют» качеству стабилизации узла APFC и основной преобразователь имеет низкое быстродействие из-за заторможенной (неудачной) частотной коррекции. При выполнении теста напряжение на конденсаторе не может быть стабилизировано APFC из-за полного отсутствия сети и такие БП «тихо обрушат» выходные напряжения задолго до разряда конденсатора ниже порогового уровня.
Процесс испытаний заключается во включении ключа, замыкающего нужную цепь на землю (через резистор фиксированной величины) с записью снижения уровня выходных напряжений и статуса контрольного сигнала PSOK. Программа анализа будет пытаться вычислить время, которое оставался включенным силовой преобразователь БП, что будет отражаться в состоянии сигнала «PSON». На самом деле состояние этого управляющего сигнала всегда будет включено, ведь им управляет «южный мост» и он не собирался отключать БП. Это вносит некоторую сумятицу в представление результатов, но «создавать» еще один контрольный сигнал с похожим смыслом мне бы не хотелось.
реклама
Упрощенная структурная схема блока управления сетью:
Сеть подается на устройство защиты, после которого попадает на фильтрующий конденсатор С1 и синфазный дроссель TV1. Далее следует сдвоенный выключатель S1, S2 для оперативного подключения блока питания и подается на сам исследуемый блок питания. Функция генерации помех лежит на импульсном генераторе (ИГ), двух быстродействующих ключах S3 и S4, и ранее упоминавшемся синфазном дросселе. В нормальном состоянии ключи S1,2 замкнуты, а S3,4 разомкнуты.
реклама
Для получения дифференциальных помех следует сформировать импульс напряжения между двумя выводами питания («N» и «L») в момент перехода напряжения через «0». Схема управления отлавливает момент смены знака напряжения сети, последовательно размыкает ключи S2, S1 и замыкает S4. В результате, напряжение ИГ поступает непосредственно на исследуемый блок питания. После окончания импульса ключ S4 закрывается и последовательно включаются S1 и S2, что возвращает переключатель в нормальное состояние.
Синфазная помеха генерируется схожим образом, только размыкания ключей S1, S2 не требуется. Вместо ключа S4 используется ключ S3, в результате чего ИГ формирует импульсную помеху одновременно на обоих выводах питания относительно одноименных выводов сети. Выглядит такая схема весьма необычно, ведь в ней совершенно не участвует «заземление», и на это существует серьезная причина. Впрочем, это уже не вопросы «методики». Частотный спектр помехи много выше основной гармоники питающей сети (50 Гц) и, фактически, оба вывода питания 220 вольт являются заземлением.
В данном случае «заземление» рассматривается не как средство защиты, а как цепь соединения с «землей», а в этом контексте «N» и «L» ничем не отличаются от «заземления». Если сразу захочется спорить, то дойдите до вашего щитка и посмотрите, куда и как подключены сетевые провода. Тестирование опирается на «типичные» условия работы и какая-либо «экзотика» интереса не представляет. Впрочем, для данного тестового стенда важно лишь то, как разведена сеть в том месте, где будет подключен “конкретно этот” тестовый стенд.
Дежурный источник 5VSB
реклама
Напряжение 5VSB является самым проблемным. В нем слишком часто используется (гм) неподходящий конденсатор, который отмирает раньше всех элементов блока питания, чем снижает срок службы всего БП. В особо дешевых блоках питания применяют автогенераторную схему на одном силовом транзисторе. При высыхании копеечного конденсатора в узле управления этого транзистора цепь регулирования оказывается изолированной от схемы поддержания автогенерации, в результате чего выходное напряжение источника неограниченно повышается до уничтожения южного моста материнской платы.
Как следует из приведенных особенностей, для проверки качества дежурного источника следует измерить нагрузочную характеристику, КПД и качество отрабатывания импульсной нагрузки (для оценки емкости сглаживающего конденсатора). Нагрузочная характеристика и КПД измеряются до максимально возможной мощности, которую может обеспечить дежурный источник. Критерием окончания измерений является снижение выходного напряжения ниже 4.75 В.
реклама
При измерении характеристик блока питания требуется создать все условия работы, которые встречаются у потребителей данной продукции. Компьютерные системы совершенствуются, снижается минимальная величина тока нагрузки. Для борьбы с этим недостатком в не такие уж и далекие времена применялась пассивная нагрузка, здесь сразу вспоминается решение системы питания ранних компьютеров IBM с нагрузочным резистором в 50 Вт. Впрочем, с той эпохи прошло много времени и сейчас стараются экономить каждый ватт. Может это и хорошо для счетов за электричество, но самим блокам питания от этого становится только хуже.
Все тесты выполняются для «обычной» системы, по каналу 12В никогда не выставляется ток нагрузки менее 1 А. Это позволяет исследовать работу всех блоков питания, вне зависимости их совместимости с Haswell. А для этого проверки работы систем с данным семейством (надеюсь, AMD изготовит столь же экономичный процессор) выполняется это испытание. Как следует из описания проблем, тест должен проверять работоспособность блока питания при низких токах нагрузки. Основными условиями проверки являются два режима работы:
реклама
Временные соотношения и величины токов взяты не совсем с потолка, за основу использовался EPS пункт 6.7 Capacitive Loading. В нем нормируется величина максимальная емкость подключенных конденсаторов в нагрузке. Емкость в цепи нагрузки вызывает дополнительный ток заряда, который нагружает БП в момент появления напряжений. Для выполнения проверки п6.7 надо или подключать к тестовому стенду блок конденсаторов большой величины или эмулировать его эквивалентным броском тока.
реклама
Блоки питания могут иметь различную форму тока потребления по питающей сети, даже при одинаковой номинальной мощности. Для оценки меры неидеальности служит «коэффициент мощности» (Power Factor, «PF»), описывающий отношение активной мощности потребления к ее полной величине (с реактивной составляющей). Чем ближе PF к единице, тем меньше реактивной мощности циркулирует по проводке. Хотя эта составляющая и не учитывается счетчиками электроэнергии и вы ее не оплачиваете, но большая величина тока в проводке, из-за реактивной составляющей, приводит к повышенным потерям в ней с соответствующими негативными и финансовыми последствиями.
Поэтому в некоторых случаях требуется оценка качества БП и по данному критерию. Типичная область применения таких устройств – компьютерные «фермы» по расчетам различных задач. Для них характерна устойчивая и монотонная работа со средним уровнем нагрузки на БП. Состояния сниженного или очень высокого потребления встречаются крайне редко и не являются «типичными». Это позволяет производить измерения PF в одной точке нагрузочной характеристики БП. Кроме того, стандартизация «80+» приводит измерение PF только для 50%-ой нагрузки тестируемых блоков питания.
При выполнении исследования блока питания будет осуществляться аналогичная проверка – на БП устанавливается 50% нагрузка по методики, использованной на шаге измерения КПД, затем выполняется захват формы тока потребления из сети 220 вольт с одновременным измерением коэффициента мощности с помощью внутренних инструментальных средств эмулятора сети.
Требования к уровню шума постоянно ужесточаются, это касается и блоков питания.
Процесс измерения данной характеристики заключается постепенном и монотонном повышении мощности БП от состояния простоя до полной нагрузки (100%). Перед началом измерений блок питания выдерживается во включенном состоянии без нагрузки для его остывания после выполнения предыдущих испытаний. Время начального простоя и выполнения теста выбирается из условий стабилизации тепловых режимов для данных конструктивных исполнений БП.
В качестве оценки скоростного режима вентилятора измеряется скорость вращения его крыльчатки, для чего используется оптический датчик с последующим делением на количество лопастей вентилятора. Узел измерения разработан специально для данного стенда и не требует применения специальных маркеров на лопастях, что позволяет вносить минимальный вред в балансировку, скорость вращения и уровень шума.
В качестве выходных данных строится график оборотов вентилятора с отметками на мощности нагрузки БП:
Это примерно соответствует режимам:
1. Состояние IDLE, простой;
2. Легкая нагрузка, просмотр фильма;
3. Работа в ресурсоемких приложениях;
4. Сложные многопоточные приложения, игры.
Полная нагрузка «100%» является довольно синтетической и в реальной работе не встречается – потребление составных частей компьютера весьма непостоянно и длительное «балансирование» на предельном уровне нагрузке обязательно закончится какой-то неприятностью. Однако БП декларирует данную мощность, что позволяет производить замеры до этого уровня. Целесообразность измерения режимов работы системы охлаждения блока питания на мощностях выше номинальной скорее напоминает банальное вредительство, поэтому выше «100%» тестирование не производится.
В дальнейшем к измерению скорости вращения может быть добавлено специальное исследование шумовых характеристик блока питания. Сюда включается как оценка «абстрактного» уровня шума измерителем шума класса «Becool BC-8922», так и исследование уровня шума и помех специальными микрофонами с последующей цифровой обработкой полученных данных. Это позволит не только оценить абстрактную (и никому не нужную) величину шума, но и получить качественный анализ меры заметности звуков (и «писков») из испытуемого блока питания.
Для выполнения этих работ требуется изготовить полностью пассивный нагрузочный стенд, который по своим свойствам полностью дублирует основное оборудование. Способность блоков питания издавать «посторонние» звуки только в переходных режимах или при каких-то особых условиях нагрузки обязывает выполнить этот пассивный стенд полностью управляемым, с достаточной точностью характеристик, что увеличивает сложность и время реализации и не позволяет использовать данное оборудование сразу на начало работ.
Тест будет расширен по мере возможностей.
Измерение уровня пульсаций
Однако в том же пункте есть и полезная информация, которую я очень хочу процитировать:
This is measured over a bandwidth of 0 Hz to 20 MHz at the power supply output connectors.
Для компьютерного блока питания характерно время изменения напряжения в районе 30 нс на сетевой стороне и 30..5 нс на выходной. Это означает основную частоту колебаний 10 (60) МГц. Но форма сигнала переключения вовсе не синусоидальная, в ней присутствует множество гармоник. Из-за паразитной емкости между элементами эти помехи попадают на выход и являются уже «пульсациями». Чем выше полоса пропускания измерительного прибора (обычно осциллографа), тем больше гармоник он захватит.
Думаю, уже и так понятно, что помехи блока питания, наводимые им в сеть, распространяются самым причудливым способом и так искажают измеряемый сигнал, что смысл в его изучении пропадает полностью. Для снижения влияния помех в сети и затекания их в «заземление» применяют перевод осциллографов на батарейное питание, но приобретать новый осциллограф только для измерения пульсаций будет несколько накладно.
Согласующее устройство пока не изготовлено, поэтому измерение уровня пульсаций будет добавлено позже.
Работа БП с бесперебойными источниками
Разговор о времени переключения вызван тем фактом, что блоки питания крайне негативно относятся к кратковременным сильным провалам и отключениям сети. И чем дольше была «пауза», тем больше ток потребления после него. Бесперебойный источник переключит источник питания с «неисправной» сети на собственный преобразователь, вот только последующий «дикий» ток «раздавит» только что включившийся преобразователь и все выключится.