Продолжение. Начало – здесь.
Удачность тестирования сильно зависит от качества используемого оборудования и вполне очевидно, что необходим достаточный класс точности. Но все эти вложения могут обернуться напрасной тратой средств, если не учесть сопутствующих условий для достижения поставленных целей.
Да и сами цели следует выбирать аккуратно, иначе испытание устройства превратится в «тыканье иголками» с непонятными результатами и дальнейшей перспективой.
Для исследования работы блоков питания применяется специализированное оборудование, состоящее из эмулятора сети Agilent 6812B и блока нагрузок Agilent n3300a, что обеспечивает должную точность и корректность измерений характеристик, но кроме перечисленного «фабричного» оборудования возникает необходимость в применении специальной оснастки.
Кроме самого процесса измерений требуется осуществлять переключение режимов работы составных частей комплекса и обеспечивать работу блоков питания как от эмулятора, так и от реальной сети 220 В, что обязывает использовать самодельное оборудование для вспомогательных целей. В качестве нагрузки используется «фирменный» блок нагрузок, а при измерении КПД – «эмулятор сети» без внесения изменений, что позволяет исключить/снизить погрешности, вносимые самодельной оснасткой и сохранить достаточно точный режим измерения мощностных характеристик.
Условно, аппаратуру тестирования можно разделить на следующие составные части:
Блок нагрузок и эмулятор сети позволяют проводить достаточно точные измерения, но блок питания работает не только в стационарном режиме. Напряжение сети может меняться во времени, испытания требуют проведение специальной проверки БП на устойчивость к пропуску одного периода 50 Гц – все это создает «большие» и «очень большие» броски тока потребления по сети.
Хотя эмулятор сети и позволяет настроить активную (резистивную) и реактивную (индуктивную) составляющую выходного сопротивления, но его возможности весьма скудны. Сравнение формы тока потребления БП при работе от обычной сети 220 В лишь весьма условно можно имитировать на эмуляторе сети. Методом замещения измерено активное сопротивление сети, оно составило величину около 1.6 Ом. Схожая величина внутреннего сопротивления наблюдается и в некоторых других помещениях разных районов г. Москвы.
Если есть желание, подобную оценку можно провести самостоятельно – достаточно измерить напряжение в сети при включенном и отключенном электрическом чайнике. Мощность потребления в подобных электроприборах обычно выдерживается очень точно, но при нормировании к напряжению сети 230 В. Далее следуют простейшие вычисления, приводить которые нет никакой нужды, они очевидны. Простейший пример – при включении электрического чайника яркость свечения ламп накаливания снижается. Если освещенность уменьшилась не столь существенно, то и напряжение в сети понизилось немного, скажем, на 5-15 процентов.
Эти «5-15%» означают изменение напряжения на 10-30 вольта, что при мощности электрического чайника 2.2 кВт (ток 10 А) составит внутреннее сопротивление сети 1-3 Ом. Это лишь умозрительные прикидки, конкретные цифры нетрудно получить с помощью недорогого измерительного прибора. Но не только внутреннее сопротивление сети оказывает влияние на работу блока питания. Любая линия характеризуется импедансом (распределенной индуктивностью и емкостью). Хоть частота сети весьма низка, лишь 50 Гц, но реактивная составляющая проводки оказывает влияние на процессы коммутации и резкие набросы/сбросы тока потребления.
Отмечались случаи нарушения устойчивости работы узлов активной коррекции коэффициента мощности БП при добавлении Line Impedance Stabilization Network (с весьма простым внутренним устройством):
Эта схема замещения используется при проведении измерений уровня помех радиочастотного спектра, наводимым блоком питания в сеть. Узел APFC блока питания оснащен встроенным LC фильтром для снижения уровня помех, наводимых БП в сеть, попутно он выполняет и обратную функцию – ослабляет вредоносное влияние того мусора, что содержится в сети, на работу самого блока питания. Увы, крайне ограниченное пространство БП, как и решающий фактор стоимости, не позволяют использовать фильтр достаточной эффективности и узлы БП (в основном это касается APFC) продолжают «чувствовать» все особенности сетевой проводки. Распределенная индуктивность складывается с дросселем APFC и входным фильтром, распределенная емкость создает превосходный колебательный контур с перечисленными элементами.
Проблема не в том, что «нечто» подключается и влияет на работу БП. Беда в неконтролируемости и весьма непростых характеристиках этого «нечто». Для средств тестирования можно промерить сетевые прокладки в нескольких частях города, что означает различные подстанции и расстояние до них, но тогда встанет другая проблема – что с этим делать? Множество разных цифр означает либо усреднение, либо проверку по всему имеющемуся диапазону значений. Первое «неточно», второе «страшно долго». Проведение тестирование от эмулятора сети будет означать полную профанацию, поэтому как первая мера проведение испытаний будет осуществляться непосредственно от сети 220 В.
К слову, в помещение, где установлен стенд, подается сеть повышенного качества, регистрация класса медицинского учреждения, с достаточно толстой проводкой собственной прокладки. Сеть 220 В в обычном жилом доме вряд ли окажется существенно лучше. Если блок питания будет показывать проблемы в функционировании даже на такой сети, то у конечного пользователя мера дефектности окажется только выше. Лучше уж будут слабые реальные условия, чем красивый сферический конь на эмуляторе сети.
Условие работы БП от реальной сети сразу приносит массу дополнительных трудностей, которое можно решить только собственным устройством контроля и управления. Для испытания требуется подключать и отключать сеть в строго заданные интервалы времени, измерять уровень тока, формировать импульсное напряжение специальной формы для проверки на микросекундные помехи.
Даже такая легкая функция, как защита сети от перегрузки, и та вызвала трудности на ровном месте - во время пробных запусков импульсное потребление 300-ваттного блока питания доходило до 60 ампер, что вызывало переключение блоков бесперебойного питания, подключенных к той же фазе. Что будет на блоках в 1 кВт и выше покрыто мраком и глубоко влезать в эту проблему нет совершенно никакого желания. Во время проведения тестов броски тока могут быть очень большими и это накладывает ограничения снизу на устройство защиты.
С другой стороны, очень большой ток может вызвать отключение общей защиты на этаже, что кончится весьма печально и, увы, может поставить крест на самом тестировании. Для защиты от перегрузки сети можно установить устройство защиты типа АД12. Его нагрузочная характеристика выглядит следующим образом:
Испытательный комплекс рассчитан на тестирование блоков питания до 1.6 кВт, с учетом усредненной эффективности в 89% для такого класса источников питания, мощность потребления из сети 220 вольт составит 8.2 ампера для стационарного процесса нагрузки. Устройства защиты выпускают на 6 и 10 ампер, что ограничивает выбор второй цифрой, класс «С». Судя по графику, выключение устройства защиты должно происходить при долговременном токе через него около 14.5 ампер. Измеренная величина тока срабатывания составила 16 А, что довольно близко к заявленным характеристикам.
Само устройство защиты состоит из двух независимых устройств - биметаллической пластинки, нагрев которой вызывает сброс соединения, и соленоида, сдвигающего защелку и также приводящего к отключению. Оба механизма работают одновременно и полностью независимо, различаются лишь быстродействие и уровни тока срабатывания. Биметаллическая пластинка обладает медленной реакцией из-за высокой тепловой инерции ее нагрева.
Такое решение выбрано не случайно - устройство защиты должно защищать от пожара, а кратковременное превышение максимального тока не вызовет мгновенного перегрева проводки. Большие стартовые токи свойственны электромеханическим системам, в которых применяются мощные электромоторы, и излишне частое срабатывание устройств защиты никому не принесет пользы. Поэтому быстродействие первой цепи защиты, через нагрев биметаллической пластинки, специально выполняется с некоторой задержкой - которой должно хватить на разгон мотора, но оно обязано быть меньше времени разогрева типичной кабельной проводки сети.
Вторая цепь защиты выполняется на базе соленоида и обладает высоким быстродействием. Судя по низу графика, ее время срабатывания находится в интервале 10-20 мс. Для того, чтобы вторая цепь не мешала первой цепи, ее мощностные характеристики увеличены примерно в шесть раз. Для примененной модели устройства защиты (на 10 А) ток срабатывания второй цепи должен быть не выше 100 ампер с (не)известной точностью. Придется поверить производителю на слово, что я очень не люблю делать. Увы, процесс измерения данной характеристики был бы весьма занимателен, ведь необходимо сформировать импульсный ток 100-150 ампер длительностью 0.1-1 секунда с сохранением достаточной точности. Причем, если просто подать 100 ампер, то отключение может вызвать первая цепь защиты, что не облегчает задачу. Впрочем, не важно. Если подобное устройство защиты сработает, то это уже «диагноз» - тестовый БП нельзя будет использовать в домашних условиях.
Установка защитного устройства решает проблему с сетью лишь формально - при значительном превышении уровня тока, сюда же следует внести возможные случаи выхода БП из строя, устройство защиты отключит сеть, только вот какое это будет устройство защиты? На стенде использована модель на 10 А, а этажный «пакетник» на значительно больший предел, но чистая арифметика может ничего не значить. Разводка сети использует несколько уровней устройств защиты с последовательным снижением порогового тока по мере отхода от места поступления. У нас было несколько отключений электричества (не по моей вине), и всегда отключалась этажная защита. Срабатывает то, что быстрее, а не там, где написано меньшее число. Никому не нужны проблемы, тестовый стенд придется дополнять устройством быстродействующей электронной защиты.
В спецификации EPS приводится следующая рекомендация:
AC line inrush current shall not exceed 50 A peak for one-quarter of the AC cycle.
Данное ограничение заведомо ниже порога устройства защиты (100 А), и дополнительная электронная защита будет срабатывать гарантированно ранее «пакетников», что избавит от отключения фазы на этаже. Впрочем, цифра «50 А» выглядит очень уж оптимистично, в другой аналогичной документации SSI озвучена цифра «65 А». Главное не превысить «100 А», поэтому электронную защиту следует настроить на что-то меньше того и больше этого, скажем «80 А».
Но здесь есть неприятный момент - вовсе не случайно в EPS указано «for one-quarter of the AC cycle» - при резкой коммутации напряжения происходит перезаряд конденсаторов входного фильтра блока питания, что гарантированно вызовет большой-огромный импульс тока крайне малой продолжительности, менее 100 мкс. Если проигнорировать сей факт, то при переключении в первую же миллисекунду сработает защита и БП окажется отключенным. Это не совсем то, что нам нужно - в электронную защиту требуется ввести некоторую задержку срабатывания,... но не слишком большую, иначе при коротком замыкании погорит все, что только возможно.
Блок управления питанием должен обеспечивать не только аварийную защиту, но и управляемую подачу напряжения сети на исследуемый блок питания. При переключении неизбежно последуют те же проблемы, что были описаны ранее - повышенный ток перезаряда конденсаторов фильтра БП в момент подключения и большой импульс напряжения в момент разъединения цепи, ведь индуктивность проводки и входного фильтра БП никуда не делись.
Для борьбы с этими негативными моментами и снижения стресс процессов переключение выполняется в два этапа - применяется два ключа вместо одного. При этом дополнительный ключ соединяет цепь через ограничительный резистор с номинальным сопротивлением, обеспечивающим последовательное согласование с волновым сопротивлением сетевой проводки. При включении вначале замыкается ключ с ограничительным резистором, далее следует переходной процесс перезаряда емкостей с успокоением колебательного процесса, после чего замыкается основной ключ и падение напряжения на переключателе становится незначительным.
Общие потери на весь процесс коммутации довольно малы, ведь время задержки включения второго ключа менее 100 мкс, а падение на резисторе будет существенным только для блоков питания очень большой мощности. С учетом относительной редкости процессов переключения общие потери на нагрев крайне малы. В дополнительном ключе использован проволочный резистор мощностью 10 Вт и при испытании не удалось зафиксировать его сколь-нибудь существенный нагрев, при этом переключение выполнялось с периодом в пять секунд.
В реальном тестировании переключение сети требуется не чаще одного раза в минуту. Процесс выключения выполняется «зеркально» включению - вначале размыкается основной ключ, затем дополнительный с резистором. В момент размыкания основного ключа происходит сброс тока, что вызывает резкий выброс напряжения как на узле переключения, так и на тестируемом блоке питания, что крайне негативно скажется на работоспособности устройств. Наличие замкнутого дополнительного ключа в этот момент позволяет демпфировать колебательный процесс, что резко снизит амплитуду и продолжительность импульса помехи при отключении БП.
Иначе говоря, при переключении используется «мягкая» коммутация, что сильно снижает уровень помех на входе блока питания, и это весьма положительно сказывается на точности проведения измерений. Тестовое оборудование спроектировано так, чтобы вносить минимальный вред в блок питания, хотя это может оказаться и не совсем правильно. Не секрет, что блоки питания чаще всего выходят из строя именно в тот момент, когда происходит аварийное отключение фазы. В более-менее серьезном офисе срабатывание защиты сети всегда заканчивается стопкой убитых БП. Это настолько буднично, что никого не удивляет. Совпадение со срабатыванием защиты не случайно - автомат защиты выполняет разъединение цепи, причем выполняется это весьма быстро для минимизации процесса «горения» контактов. Для отключения должна быть причина и она, скорее всего, связана с очень большим током.
Итак, разъединение цепи происходит на большом токе, что не может не вызвать всплеск большого напряжения и вся энергия, накопленная в распределенной индуктивности проводки (и элементов коммутации/защиты) выливается во входные цепи подключенных к розетке блоков питания. Кончается сие печально. Тестовый стенд мог бы эмулировать именно такой режим переключения, что даже как-то будет соответствовать реальным условиям работы, вот только ... что делать со сгоревшими БП? Даже если с подобным «уничтожением» будет согласен тот, кто представит блоки на тестирование, но это все равно не даст ответ о надежности (или не надежности) конкретного БП.
Стресс-тестирование на одном экземпляре не производится, а кто позволит себе предоставить десяток одинаковых блоков питания на убой? Из этих соображений в «сетевом» блоке тестового стенда и применяется «мягкая» коммутация. Если и при столь нежном обращении БП умудрится сгореть, значит это уже «диагноз». Что до стресс-тестирования, то это отдельное испытание, которое следует разрабатывать и выполнять отдельно. На данный момент в планах оно не значится.
ГОСТ Р 51317.4.5 описывает условия и методику проведения испытаний на микросекундные импульсы высокой энергии. ГОСТ Р 50628 оговаривает, что тестирование следует проводить лишь для одной степени жесткости, минимальной, с тестовым напряжением лишь 500 вольт. Это удобно, нет необходимости что-то «переключать», что неизменно порождает трудности – данное оборудование относится к классу «измерительное» с высокими требованиями по качеству и надежности функционирования.
Общее построение силовых элементов генератора помех напоминает схему, указанную в ГОСТ Р 51317.4.5:
Номиналы компонентов стенда получены симуляцией в программе моделирования. Накопительный конденсатор заряжается до стабилизированного напряжения 500 вольт попеременно положительной и отрицательной полярности. Из-за четкого указания в ГОСТ'е об обязательной привязке импульса помеху к переходу синусоиды питающей сети через 0, в схему пришлось поставить быстродействующий переключатель на транзисторах. Синхронизация с сетью будет выполняться программно, что позволит сдвигать фазу, если в этом возникнет необходимость. ГОСТ описывает формы сигнала генератора помех:
После выполнения в «железе» генератор импульсов выдает следующую форму напряжения. Передний фронт:
На осциллограмме присутствует некоторая «колебательность» процесса, которая вызвана наличием реактивных элементов в цепи питания БП. Этот дефект можно снизить, только особой нужды в этом не возникает - амплитуда колебаний не слишком велика, а идеальную форму сигнала можно получить только при (почти) нулевом выходном сопротивлении генератора, что выполнить очень сложно, практически нереально. Фабричный испытательный генератор наверняка бы обеспечил лучшую форму напряжения, вот только, сколько он стоит? И не зря он столько стоит. Впрочем, и такая реализация вполне устраивает. Посмотрим на весь импульс целиком:
Время в 50 мкс выдержано (линия центральной разметки), а что еще надо от генератора? Остается синхронизовать с переходом синуса сети через 0 и подать на блок питания. Генератор должен формировать два типа помех - дифференциальную, наводимую между двумя проводниками питания, и синфазную, относительно заземления. Дифференциальная помеха:
В ГОСТ допускается небольшой обратный импульс в конце сигнала, но этого удалось избежать. При тестировании на синфазную помеху в ГОСТ оговаривается способ с подачей импульса между цепью заземления и попеременно двумя питающими выводами. Этот прием прост в исполнении, если операции выполняются с дискретными измерительными приборами, но ему присущ один серьезный недостаток - импульс помехи создается относительно провода заземления, который является общим для выходных напряжений и средств измерения. Если формировать помеху по указанию ГОСТ'а, то это вызовет затекание сильного сигнала помехи в измерительные участки с «соответствующим» результатом. Потом придется долго отделять наведенную помеху от отклика блока питания, причем вычистить мусор не удастся в принципе. Помехе достаточно лишь возникнуть, а уж распространиться ей по всем цепям трудностей не составит.
Для устранения самой проблемы в корне применяется другой способ формирования синфазной помехи. В обычных блоках питания применяется синфазный фильтр и в генераторе импульсов можно применить схожий прием, с помощью трансформатора. С точки зрения распространения помех, цепи питания «N» и «L» ни чем не отличаются от заземления. Поэтому синфазную помеху можно выдать не параллельно питанию, а последовательно с ним (с точки зрения прохождения сигнала до «земли»). Как положительный момент - синфазная помеха будет выдаваться полностью симметрично, без дифференциальной составляющей.
Для выполнения данного условия вполне подойдет генератор помех, который был спроектирован для дифференциальной помехи, но его энергию следует направить в обычный синфазный дроссель (трансформатор). В схеме был использован синфазный дроссель из достаточно мощного и качественного блока питания. Из-за «явной очевидности» предварительное измерение характеристик дросселя не проводилось и это оказалось фатальной ошибкой. На выходе была получена следующая картинка:
Время переднего фронта соответствует параметрам генератора, но почему импульс такой короткий? Снизим напряжение в два раза:
Понизили напряжение – импульс стал длиннее. Все ясно, синфазный дроссель насыщается. Понятно, что его надо переделывать, только прошу вспомнить, что использовался заведомо качественный дроссель, выполненный с должным запасом. Если этот импульс подать на обычный компьютерный БП, то насыщение произойдет значительно быстрее. Тогда какой смысл в переделке, если вся энергия генератора помех и так вольется в «пробитый» синфазный фильтр испытуемого блока питания? Впрочем, по возможности дроссель будет перевыпущен.
Кроме коммутации и возможности создания испытательных помех, блок сети должен индицировать ток потребления. При работе блока питания через эмулятор сети необходимость в дополнительном датчике тока не возникает, прецизионный измерительный механизм заложен в самом эмуляторе сети. А что делать, когда БП работает не через эмулятор? Для измерения тока был изготовлен токовый трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1000 с двойным статическим и одним магнитным экраном. Экранирование призвано снизить прохождение нестабильностей (импульсов) напряжения из сети в токовую обмотку.
Измерение показало хорошее подавление помех и сохранение коэффициента трансформации до 100 кГц в частотном диапазоне и до 100 ампер по амплитуде импульсов тока низкой частоты. Насыщение датчика тока наступает при уровнях тока 200-250 ампер, что обеспечивает должный запас к расчетному максимальному току потребления БП (50-65 А).
Из основных элементов контроллера сети остается лишь отметить установку конденсаторного блока на вводе сети для снижения влияния реактивных составляющих проводки как на процесс переключения, так и на стационарную работу БП. Кроме защиты БП это снижает уровень помех, наводимых тестовым стендом в сеть 220 вольт. Блок набран из конденсаторов, рассчитанных на работу в полосе частот 0-1 МГц с большим импульсным током (metallized polypropylene). Суммарная емкость блока 6 мкФ позволяет подавлять высокочастотную составляющую, при этом сохраняя неизменным импеданс сети в низкочастотной части спектра.
Внешний вид блока:
Позволил себе вольность обозначить некоторые элементы устройства:
1. Устройство защиты, стоит на самом вводе сети. Номинальный ток защиты 10 А, класс быстродействия «С»;
2. Входной конденсаторный блок, 6 мкФ. Набран из восьми конденсаторов;
3. Синфазный дроссель и согласующие элементы;
4. Блок накопительного конденсатора импульсного генератора;
5. Импульсный генератор;
6. Служебный источник для питания управляющих узлов;
7. Датчик тока (в экране);
8. Радиатор с ключами переключения сети.
Можно посмотреть с другого ракурса:
В начале проектирования блок выглядел гораздо опрятнее, но постоянные «заплатки» сделали свое черное дело.
Блок нагрузок и эмулятор сети, совместно с контроллером сети, описанным в предыдущем разделе, позволяют выполнять испытание блока питания, но существует целый ряд условий, которые обязательны к исполнению для получения адекватных результатов.
Во-первых, блок питания требуется как-то закрепить. Штатное место крепления БП довольно точно отражено в корпусе, можно лишь выбрать его верхнее или нижнее размещение. Существуют и «другие» варианты установки БП, но это скорее экзотика. Использованный корпус системного блока предполагает размещение блока питания вверху – так даже лучше, проще обеспечить необходимые тепловые режимы. Место крепления важно не из эстетических условий, а для обеспечения типичного качества прохождения цепи «земля».
Во-вторых, блок питания надо как-то подключить. Классический вариант подключения здесь также четко определен – материнская плата формата АТХ с одной (несколькими) видеокартами PCI Express. Придется делать именно так, хотя сами «видеокарты» можно заменить на соответствующие заглушки-переходники. В нашем случае интерес представляет распределение токов, а не перемещение воздушных масс, поэтому габариты и эмуляцию систем охлаждения видеокарт выдерживать нет нужды.
Впрочем, без выяснения причин затруднительно выполнить правильное подключение. И идея вот в чем – блок питания является многоканальным источником, что означает обязательную тесную взаимосвязь уровней при нагрузке отдельных выходов. Типичная нагрузочная кривая при увеличении тока по цепи 5В:
Графики:
На картинке представлены данные блока питания с групповой стабилизацией, поэтому вполне очевидно повышение напряжения на выходе 12В по мере увеличения тока 5В. Вопрос в другом, почему снижается напряжение 3.3В? Этот выход охвачен собственной локальной обратной связью и стабилизируется достаточно точно. Во время нагрузочного теста ток менялся только по выходу 5В и, вообще говоря, выход 3.3В, вне зависимости от качества стабилизации, изменяться не мог. Выходы 12В и 5В связаны общей цепью стабилизации, поэтому правило неизменности уровня не касается выхода 12В.
Возвращаюсь к главному вопросу - почему изменяется напряжение на выходе 3.3В, если этого быть не должно? Попробую скромно предположить, что существует некоторая общность во всех выходах БП, которая их объединяет. Позвольте процитировать начало одного из пунктов EPS:
6.3 Remote Sense
The power supply may have remote sense for the +3.3V (3.3VS) and return (ReturnS) if the Optional Server Signal connector is implemented. The remote sense return (ReturnS) is used to regulate out ground drops for all output voltages; +3.3V, +5 V, +12V1, +12V2, +12V3, -12 V, and 5 VSB. The 3.3V remote sense (3.3VS) is used to regulate out drops in the system for the +3.3 V output. The remote sense input impedance to the power supply must be greater than 200 W on 3.3 VS and ReturnS. ...
Многоканальный источник питания, особенно импульсный, ни в коем случае нельзя рассматривать как множество независимых каналов. В них существует сложная взаимная связь, причем это касается как «сигнальных» выходов, так и уровня «земли». Сопоставьте токи и сопротивление проводов. Если измерять каждый выход индивидуальным образом, фактически подключаясь к контрольным точкам выпрямительной части БП, то можно получить очень неплохие характеристики. Но будут ли они верными? Нет, конечно.
Блок питания формирует несколько напряжений одновременно и каждый выход влияет на все остальные. Как выходят из этой проблемы? Для подключения блока питания к тестовому стенду используется одна кросс-плата, в которую подключаются все выходные кабели БП, после чего «получается» усредненные цепи 12В, 5В, 3.3В с общей «землей». Правильно? Нет, конечно. Пройдемся по основным соединениям:
Вообще-то, для компьютера важно не сам уровень напряжения, а только та величина, которая приходит на «его» преобразователь. Из устройств и узлов лишь два типа механизмов используют непосредственное напряжение 12В, это вентиляторы и мотор жесткого диска. Довольно сложно оценить меру важности стабильности цепи 12В на качество их работы, ведь эти устройства имеют локальные цепи стабилизации. Для вентиляторов это общая стабилизация температуры схемой мониторинга, а в HDD применяется ШИМ стабилизация оборотов по сервометкам. Во всех других случаях устройства (и узлы) хоть и имеют питание от 12 В, но используют его только через преобразователи - а им свойственно разделение «земли» на «входную» и «выходную».
Такой прием используется для отделения «грязной» (входной) и «чистой» (выходной) земли. С точки зрения «схемы» преобразователь часто изображают прямоугольником с тремя выводами - вход, выход, земля, но конструктивно он обязательно выполняется по четырехвыводной топологии - два вывода «вход», два вывода «выход». Ну а то, что в обоих парах «землей» является один и тот же проводник ничего не значит - ее надо разводить независимо, входная земля не должна пересекаться с выходной. В этом и состоит одна из основных трудностей импульсных преобразователей.
Итак, «все непросто» с одним преобразователем, а когда их несколько? Причем, входные «земли» у них частично объединяются, как и выходные. Соединение именно «частичное» и трудно контролируемое на стадии проектирования, что усложняет и так непростую задачу. Компьютерный блок питания должен поставлять напряжение на преобразователи, а, в основном, это касается цепи 12В. Но что при этом будет происходить с цепью «земля»? Нечто сложноэмулируемое. Не учитывать вред ухода уровня «земли» нельзя, потребление может составлять десятки ампер и даже мизерный кусочек толстого провода может создать существенное падение напряжения. Эмулировать землю не получится в виду слишком сложных взаимосвязей, но может существует возможность избежать этого?
В компьютере существует материнская плата, на которой расположен преобразователь процессора, устанавливаются видеокарты - что мешает взять и собрать такой тестовый стенд? Берем обычную качественную материнскую плату. «Фирменность» нужна для гарантии адекватной толщины и количества меди во внутренних слоях по цепи земля. Снимаем с нее все, оставив лишь ее основной и разъем питания CPU. Теперь остается посадить на нее один «преобразователь процессора» и несколько «видеокарт». Первое означает простой разъем на своем законном месте, а с «видеокартами» дело обстоит несколько сложнее - понятно, что следует установить разъемы подключения питания PCI Express в те места материнской платы, где эти видеокарты устанавливаются.
Трудность в том, что питание на видеокарты подается через персональные разъемы, но это вовсе не исключает затекание тока земли через разъем PCI Express материнской платы. «По счастью» этот разъем, как и все не силовые, ориентирован на стабильное сочленение слаботочных сигналов, а потому имеет относительно высокое контактное сопротивление. Это «сопротивление» следует эмулировать при сборке тестового стенда, что проще всего выполнить соединением разъема подключения питания PCI Express с «землей» материнской платы с помощью проводников небольшого сечения.
Расчетно-измерительную часть по определению длины и сечения проводников я опускаю за ненадобностью. Здесь вроде ясно, остается лишь определить точки измерения напряжения. Позволю высказать надежду, что вы понимаете - общей цепи «земля» в компьютере не существует. Из-за встроенных сопротивлений проводки точки земли в различных частях материнской платы будут различаться (и существенно). Это означает, что никак не выйдет «ткнуть» один вывод измерительного прибора в какую-нибудь точку земли и далее просто обойти все напряжения. В системе существуют относительно независимые узлы с питанием от выходов блока питания, вот напряжения непосредственно на них и следует измерять.
EPS настаивает на установке сглаживающих конденсаторов по каждой измерительной цепи, что было исполнено. В месте подключения точек измерения, рядом с разъемам, установлено по одному конденсатору 220 мкФ 50 В с низким внутренним сопротивлением (40 мОм). Установка конденсатора на 50 В вместо допустимых 16 В при сохранении номинальной емкости вызвана его меньшим внутренним сопротивлением. Если не замечали, то прослеживается достаточно четкая взаимосвязь - конденсаторы одинакового геометрического размера при примерно схожем рабочем напряжении, имеют одинаковое внутреннее сопротивление.
Это означает, что установка 220 мкФ 50 В эквивалентна 820 мкФ на 16 В по сопротивлению потерь, но во втором случае суммарная емкость конденсаторов цепи выше, и это уже плохо. Импульсный блок питания обязан быстро включаться, что означает повышенную чувствительность к полной емкости конденсаторов цепей нагрузки. Кроме того, современные преобразователи очень редко используют конденсаторы существенной величины - последствия перехода на SMD технологию с «твердотельными» конденсаторами.
Если со способом подключения тестируемого блока питания все понятно, то еще более понятно его размещение и способ крепления. Обычный корпус системного блока изготавливается из металла. Даже такой «плохой» проводник электричества, как железный корпус, имеет меньшее сопротивление, чем медные провода земли в кабелях подключения блока питания. Если БП не поставить на его законное место с надежным электрическим соединением, то о корректном измерении характеристик лучше забыть сразу. Что означает - тестовый блок питания следует устанавливать туда, где он и должен быть, с закручиванием всех четырех крепежных винтов. Вопрос правильности подключения является одним из важнейших в технологии тестирования блоков питания и после его обсуждения можно перейти к вспомогательным особенностям стенда.
Методика испытаний обязывает к применению не только обычного «нагрузочного» оборудования, но ряда специализированного. Для этого стенд оборудован генератором помех в блоке управления сетевым питанием и «замыкатель» цепей 12В и 5В на землю в плате подключения. Блок питания обязан иметь защиту от перегрузки и короткого замыкания и это свойство необходимо проверять. По вопросу перегрузки в требованиях EPS указано лишь, что БП должен отключаться при превышении тока выше 110-150%. Если блок питания содержит групповую стабилизацию (иными словами, не имеет раздельную стабилизацию и защиту по каналам 12В и 5В), то «мощностные» характеристики канала 5В часто совпадают или превышают канал 12В.
Возьмем типичный блок питания бюджетного ценового диапазона - 400 Вт, из которых 250 Вт по 12В и 200 Вт по 5В. Требования по «240ВА» не распространяется на канал 5В, что «позволяет» блоку питания «тормозить телом» при превышении тока нагрузки (точнее мощности). Т.е., такой БП очень спокойно может выдать более 500 Вт по каналу 5В, что подразумевает уровни тока выше 100 ампер до тех пор, пока не сработает общая защита БП по мощности и он отключится. «Общая защита» блока питания отличается медлительностью, да она и не может быть быстродействующей - иначе БП будет самопроизвольно отключаться при бросках тока в переходных процессах.
Теперь разберемся, много ли это «100 ампер»? Сейчас скорее редкость, а ранее типичным способом подключения периферии внутри системного блока являлось использование переходников и удлинителей. Как правило, «фирменных» среди них было не много - дешевая продукция серьезные фирмы не интересует. Что до «китайской» продукции, то наличие в переходниках достаточно толстых проводников является скорее нонсенсом. Замер потерь в нескольких экземплярах подобной продукции показал среднее сопротивление 26 мОм. При добавлении сопротивления проводов кабеля питания периферии БП и пары разъемов общее сопротивление цепи возрастет до цифры порядка 50 мОм. Если БП может обеспечить 100 ампер по цепи 5В, то короткое замыкание на 50 мОм будет для такого источника вполне рабочим режимом (5/0.05=100) и отключение БП не произойдет.
При проведении логических расчетов я не оценивал сопротивление потерь в точке короткого замыкания, а оно очень далеко от нулевого - коль скоро в этом месте выделяется огромная энергия, то на нем должно падать достаточно много напряжения. Эффект сварки. Поэтому в представленных расчетах скорее следует подставлять «больше 50 мОм». Итак, БП мог бы не отключиться, и, знаете, в Конференции отмечаются подобные случаи. Впрочем, даже если БП и отключится, фактор времени прекращения подачи энергии не менее важен. Нагрев проводников и элементов на плате, проводниках - все это пропорционально выделяемой мощности на них с учетом тепловой инерции. Если ток высокий (см. выше, 100 ампер вовсе не уникальная цифра), а размеры элементов/трасс не большие, то и «незначительная» задержка отключения приведет к крайне неприятным последствиям.
Рекомендации EPS вообще никак не описывают условия испытаний на короткое замыкание. Подразумевается, что «перегрузка по току» эквивалентна «короткому замыканию». Имея общие корни, это разные режимы. Перед перегрузкой, как правило, следует повышенное потребление и ситуация, когда на слабозагруженном БП внезапно возникает ток потребления крайне высокой величины практически исключены. Это можно оценить хотя бы по тому, что в условиях тестирования EPS указана максимальная скорость нарастания тока. Режим «короткое замыкание» может наступить при любой мощности нагрузки БП и скорость повышения тока ничем не ограничена. Само замыкание может произойти между любыми цепями, в том числе и 12В - 5В, но чаще всего оно состоит в замыкании 12В или 5В на землю.
Источником проблемы обычно выступает или свободно висящий разъем кабеля питания периферии или сгорание элемента преобразователя на материнской плате или периферийном устройстве. Довольно часта ситуация, когда при коротком замыкании 12 или 5 вольт на землю блок питания выключается, что нормально, но повторное включение компьютера или становится невозможным или сопровождается дымом и вонью. При этом часто выходит из строя подключенный HDD – потому, что это единственное устройство в системе, которое имеет встроенную защиту от перенапряжений по цепям 12В и 5В. Выход из строя HDD говорит о том, что в момент короткого замыкания произошло резкое и значительное повышение напряжений.
Именно резкое и значительное - suppressor может поглотить довольно мощный импульс, для этой цели он спроектирован. Если произошло его разрушение, значит энергия повышенного напряжения была слишком большой. Современные жесткие диски стоят не особо дешево, да и обидно потерять данные, находящиеся на них. Причем, системы резервирования RAID1 (5 и другие) и вывод дисков из системы могут оказаться бесполезными - импульс перенапряжения воздействует на все подключенные диски. Стоимость данных обычно превышает денежные расходы на дисковое хранилище, поэтому «дешевый» блок питания может обернуться не самым выгодным приобретением. Случайное короткое замыкание или сгорание ключа в преобразователе - событие не частое, но никто от него не застрахован. Поэтому методика испытаний БП включает отдельный тест такого типа.
Для его выполнения установлены два ключа, по одному на замыкание цепи 12В и 5В. Это позволит эмулировать наиболее вероятные варианты короткого замыкания. Монтаж и прокладка цепей выполняется из условий прохождения высокого тока (100-200 А) с внесением минимума реактивной (индуктивной) составляющей, поэтому с этой стороны каких-то нюансов ждать не приходится и остается лишь определиться с номинальным сопротивление цепи замыкания. Первая мысль, которая возникает по этому поводу - сделать сопротивление минимально возможным (1-5 мОм), что исключит какие-либо сомнения в срабатывании защиты. Современные блоки питания способны выдавать до 1.5 кВт в номинальном режиме работы и что будет при перегрузке - не хочется даже думать. Сверхнизкое сопротивление цепи замыкания гарантирует, что перегрузка по току (мощности) обязательно наступит. Но будет ли корректным данное испытание? Увы, нет.
Чем меньше сопротивление цепи замыкания, тем выше ток перегрузки, что означает «легкость» определения схемой защиты и ускоренное отключение БП. В идеале, ток короткого замыкания должен лишь в 2-4 раза превышать номинальный режим работы БП по данному выходу. Тестовый стенд обслуживает блоки питания разной мощности, от 200 Вт до 1.5 кВт, с различным балансом тока по выходам 5В и 12В, что означает весьма протяженный список постоянных резисторов с повышенной пиковой мощностью и массу ключей.
Можно попробовать изготовить активный регулятор тока, вот только условия его работы совсем не простые - время стабилизации не дольше 0.1 мс; точность поддержания тока не хуже 10% при диапазоне 50-300 ампер; рабочее напряжение 12 ... 1 В. Особенно неприятен последний пункт - 300 ампер при напряжении 1 вольт означает применение резистивного датчика тока номиналом не выше 2 мОм и секции транзисторов с рабочей мощностью 2-3 кВт. Задача выполнимая, но непростая. К тому же, при неудачно выставленном токе короткого замыкания блок питания может не отключиться и дорогая игрушка за доли секунды превратиться в сплавленный комок проводов. Не стоит безумно усложнять стенд, потеряется надежность.
В первой редакции теста будет применяться простая конструкция – резистор и ключ. Резистор является расходным материалом и при эксцессе его нетрудно заменить, а ключ можно сразу выбрать с должным запасом по величине тока и это обеспечит некоторую надежность его функционирования. Остается определиться с номиналом резистора. В EPS не содержится каких-либо полезных указаний по данному вопросу, помощь приходит от старательно подзабытых рекомендаций ATX - в его тексте фигурирует число 0.1 Ом. Эта цифра возможно была оптимальной на тот момент времени, но современные БП такое замыкание «едят на завтрак», 12 В 120 А – это номинальный режим работы для блока питания 1.5 кВт, я уж умолчу про цепь 5В, где 50 ампер будет лишь на 67% выше обычного номинального тока 30 А.
Придется проявить здравый смысл и выработать величину сопротивления из современных реалий. Ранее озвучивалась цифра 26 мОм, но это величина была получена от применения удлинителя, которые используются не столь часто. Если не короткое замыкание проводов, то перегрузку такого типа вызывает сгорание ключа в преобразователе. Для подобного случая есть чуть больше конкретики, сопротивление ключей находится в диапазоне 5-20 мОм. Чаще всего сгорает только один транзистор, причем полного включенного сопротивления обычно не происходит, транзистор «сплавляется» в резистор с сопротивлением в 1-5 раз больше номинальной величины включенного состояния.
Дело в том, что любой транзистор средней-большой мощности не является монолитным элементом и состоит из множества повторяющихся маломощных структур. «Сгорание» транзистора происходит из-за физического разрушения (сплавления) нескольких структур. Чем больше элементов в транзисторе сплавилось, тем ниже сопротивление. Физическое соединение цепей «сток» и «исток» происходит крайне редко и, в основном, в сетевых источниках – для прожигания кремниевой пластины требуется очень большая энергия, которую затруднительно получить от низковольтного источника. Если вредить специально, то можно добиться чего угодно, но в грамотно спроектированных схемах наблюдаются подобные закономерности. Итак, 0.1 Ом гарантированно много, 50 мОм уже лучше, но тоже может привести к провалу. Еще пополам?
В результате медитации и обследования потолка были выбраны следующие номинальные величины:
Для снижения частоты ремонта стенда, схема испытания на короткое замыкание дополнена аппаратным таймером, размыкающим ключ через 100 мс.
Переходим от частного к общему. Основная плата выглядит следующим образом:
Основные составные части:
1. Радиатор с регулирующим транзистором нагрузки 3.3 В;
2. Блок управления устройством;
3. Прецизионные датчики тока и схема управления нагрузкой 3.3 В;
4. Служебный источник 12 В для питания реле и схемы управления;
5. Разъем подключения кабелей 12 В питания процессора;
6. Оригинальный разъем питания материнской платы, изначально присутствовал на плате;
7. Два разъема подключения кабелей питания периферии (выводы взаимно соединены);
8. Первый разъем подключения кабелей питания PCI Express;
9. Второй разъем ...
На картинке отмечены основные элементы, пропущенным оказался лишь модуль «короткого замыкания», его плохо видно сверху.
На печатной плате установлено несколько транзисторов, которые соединяются шлейфами к контрольным цепям. В данной схеме соединения проблемным может оказаться лишь цепь «земли» – в результате огромного тока возможно появление импульса закрывания транзисторов или нарушение работы микросхемы управления транзисторами.
Для снижения паразитного сопротивления и индуктивности цепь земли выполнена широкой медной лентой, соединяющейся с двумя винтовыми креплениями с корпусом и цепями «земля» разъема 12В процессора и 5В периферии. В результате импульсный ток замыкания в значительной мере течет только по замыкаемым цепям без значительного затекания в общую «землю».
Общий вид тестового стенда в сборе:
Тестируемый блок питания ставится на «законное» место вверху корпуса.
Работа над системой измерения уровня шума не завершена, поэтому в корпусе не закрыта перфорация под вентилятор под блоком питания и отсутствуют лампы прогрева пространства тестового блока.
Продолжение следует…
