Некоторые соображения по тестированию БП. Доработка Corsair CMPSU-750TX (дополнена)

16 февраля 2009, понедельник 00:57

Страница 1 из 0

- У меня БП работает нестабильно!
- А в чем это выражается?
- Напряжения прыгают туда-сюда.
- Ну что же Вы хотите, он же импульсивный!!!
(из разговора клиента с девушкой на приемке в СЦ).

"Китайским конденсаторам" и "этим черным квадратикам около процессора" посвящается.

Странная история происходит с блоками питания (БП) персональных компьютеров. С одной стороны, их мощность неукротимо растет, с другой - произрастает культ 'кукурузных' ватт. Бывает еще веселее, когда качественный БП при смене видеокарты или процессора неожиданно дает сбой. Мощности явно достаточно, по обзорам и отзывам он должен работать нормально, а не выходит. Когда на арену вышли видеокарты класса GTX280, массовым порядком посыпались жалобы на блоки питания. Причина? Ну, вряд ли дело в цвете корпуса этих БП, проблема находится не на поверхности - большая часть таких БП проходили тестирование и получили положительные отзывы. Значит, придется копать вглубь.

Факторы, которые не отражены в стандарте ATX.

Способы проверки и руководящие материалы уже были описаны ранее в статье “Методика тестирования блоков питания стандарта ATX”. К самой методике замечаний нет, просто надо внести поправки за прошедшее время.

Повсеместно распространились малогабаритные конденсаторы с низким последовательным сопротивлением (low ESR). Кроме снижения внутреннего сопротивления они могут пропускать через себя значительно бОльший ток, по сравнению с традиционными конденсаторами.
Во всех устройствах по входу питания ставят дроссель. Удивительно, но чаще всего всплывает один и тот же номинал в 1.2 мкГн.
Современные видеокарты не используют цепь питания +3.3В. То, что потребляется материнской платой под свои нужды, условно говоря, можно признать незначительным.
Напряжение +5В используется только преобразователями на материнской плате, которые формирую необходимые напряжения питания для набора микросхем и памяти, дисковыми накопителями и устройствами, подключаемые к разъемам PCI, PS/2 и, изредка, USB.

В-среднем, на один жесткий диск уходит 0.5А и этот ток потребления практически не меняется во времени. Осциллограммы будут представлены ниже. Конечно, мощность потребления разных наборов логики не может быть одинаковой, но, условно говоря, она укладывается в диапазон 20-40Вт. На память уходит еще меньше, 5-15Вт.

На первый взгляд, эти изменения не столь революционны и что-то менять нет смысла.... ан нет!

У Вас не пищит БП, при работе в 3D-приложениях не появляется ошибок, компьютер работает абсолютно стабильно? Ну если так, то Вам крупно повезло с блоком питания и всё остальное можете не читать. Увы, везет не всем и давайте попробуем разобраться с причинами.

Номер раз - конденсаторы с низким ESR. Так ли они хороши?

Немножко теории, вдруг Вы подзабыли.

Конденсатор должен иметь емкость, это его основное предназначение. Но, увы, не бывает ничего идеального, конденсатор кроме емкости имеет и паразитные параметры - индуктивность и сопротивление. Обычные, не твердотельные, конденсаторы представляют собой две ленты, смотанные в цилиндр. От каждой ленты есть проволочный вывод. Для подобного конденсатора емкость определяется исходя из всей рабочей поверхности лент. Но сами ленты и провода имеют какое-то сопротивление и индуктивность. В результате, с повышением частоты 'эффективная' емкость уменьшается. Хотя, в данном случае стоит говорить не о емкости, а о эквивалентном сопротивлении (импедансе). С повышением частоты импеданс будет уменьшаться и его минимальное значение зависит от эквивалентного последовательного сопротивления(ESR). На еще бОльших частотах импеданс начнет снова расти и тут причина во втором паразитном параметре - индуктивности. Из-за ESR и индуктивности в конденсаторе с повышение частоты работает все меньшая часть ленты вплоть до относительно небольшого участка около выводов. Т.о., эквивалентной схемой обычного электролитического конденсатора будет последовательно-параллельное соединение конденсаторов, индуктивностей и сопротивлений. Важный момент, к нему вернемся чуть позже.

В low ESR конденсаторах стремятся сократить расстояние от рабочей поверхности конденсатора до его выводов. Самыми распространенными являются следующие способы
– делается очень много отводов от лент и применение вместо лент пористых материалов. Во втором варианте уменьшается расстояние от всех точек рабочей поверхности конденсатора до его выводов и, как следствие, снижение сопротивления цепи на этом пути. Вполне очевидно, что одновременно с ESR снижается и паразитная индуктивность. Кроме того, раз в этом конденсаторе пониженное сопротивление, то он может выдержать бОльшие токи. Если несколько упростить, то
- нагрев в конденсаторе вызывается потерями на том самом ESR. Раз ESR меньше, то и токи можно давать больше без ущерба для конденсатора. Опять же, если немного утрировать, эквивалентная схема low ESR конденсатора состоит из простой цепочки последовательно соединенных конденсатора, резистора и индуктивности.

Сами конденсаторы имеют гораздо меньший размер и, часто, исполнение для поверхностного монтажа (SMD). Это тоже важно - SMD исполнение упрощает и удешевляет производство. Кроме того, в последнее время идет замена электролитических конденсаторов на керамические. Технологии разные, но суть остается прежней - очень маленькое внутреннее сопротивление и индуктивность. Но и емкость тоже.

Все безоблачно, у low ESR конденсаторов только достоинства? Отнюдь. Обычные конденсаторы ... конечно, речь о хороших обычных конденсаторах, при том же ESR имеют гораздо бОльшую емкость и сложную эквивалентную схему.

На картинке R1 и L1 означают эквивалентное сопротивление и индуктивность выводов Конденсатора, а периодическая структура C2, R2, L2 – ‘погонные’ параметры ленты конденсатора.

Эквивалентная схема для low ESR конденсаторов имеет аналогичную структуру, но цепочка C2, R2, L2 повторяется только один раз. Конечно, я несколько упростил, когда рисовал схему, но этого приближения вполне достаточно для симулирования свойств конденсатора.

Вполне очевидно, что номиналы элементов R1, L2, C2, R2 и L2 зависят от конструкции корпуса и типа конденсатора. Например, для ‘твердотельных’ конденсаторов в SMD исполнении вредоносное влияние выводов уменьшается и параметры R1, L1 существенно меньше, чем в цилиндрических корпусах с гибкими выводами. Кстати, есть еще один способ определить качество конденсатора – у low ESR выводы всегда толстые.

Если подставить какие-то осмысленные параметры и запустить симуляцию, то PSPICE выдает такую зависимость импеданса от частоты:

Цифры условные, поэтому нет размерности по оси Y.

Ну, все верно – low ESR имеет меньшее ~~сопротивление~~ импеданс в области частот 100 КГц. Это хорошо, примерно на такой частоте работают конвертеры питания. На видеокартах места мало и приходится повышать рабочую частоту преобразователей до 500 КГц – 1 МГц для уменьшения габаритных размеров дросселей. Это означает, что приведенный мною конденсатор, даже при наличии у него малого ESR не может быть применен в подобном преобразователе, тут нужны маленькие компоненты в SMD исполнении для уменьшения паразитного влияния выводов. Извините, я несколько отвлекся.

На том же графике видно, что ‘обычный’ конденсатор имеет не так ярко выраженный минимум импеданса, но он гораздо шире и больше распространяется в низкочастотную область частот.

Теперь подключим эти конденсаторы к преобразователю и посмотрим, что из этого выйдет. Конечно, ‘подключение’ будет виртуальным, для этого будет использоваться PSPICE.

Конденсатор low ESR обеспечивает меньший уровень пульсаций с частотой преобразования, но дает характерный резонансный выброс в переходном режиме. Если обратная связь сможет ‘успокоить’ такой преобразователь, то это будет очень качественный и малогабаритный преобразователь, а вот если разработчик что-то не учтет, то этот красивый преобразователь сожжет всю питающую схему.

Обычные конденсаторы (напомню – хорошие обычные конденсаторы) имеют сильно распределенные параметры, которые сильно снижают добротность резонансного контура. Грубо говоря, 'множественные' RC-цепочки выполняют функцию демпфирующих цепочек. В low ESR конденсаторах паразитные параметры имеют весьма четкие параметры и добротность контура получается высокой. "Добротность контура" это просто слова, в реальной работе это приводит к неустойчивости обратной связи (шум, шуршание, свист) и 'звону' напряжения на конденсаторе. Это видно и по симуляции, которую приводил ранее.

Как Вы понимаете, помехи на шине питания устройств вряд ли поспособствуют их устойчивой работе. Это вовсе не значит, что схемы на low ESR конденсаторах менее надежны и их следует избегать. Просто к проектированию подобных устройств надо подходить очень ответственно.

В результате имеем тенденцию уменьшения номинальной емкости конденсаторов на материнской плате. Если раньше по цепям питания стояли конденсаторы емкостью в тысячи микрофарад, то теперь может не набраться и 500 микрофарад.

Номер два - входные индуктивности по входам питания.

Я понимаю разработчиков аппаратуры, помехи из БП никому не нужны. Входные фильтры вещь очень полезная. Но что будет с БП, если все его потребители 'начинаются' с индуктивности? В лучшем 'ничего необычного', в худшем - эта суммарная индуктивность начнет резонировать и система 'запищит'. Сюда плюсуем "номер раз" - наличие low ESR конденсаторов вкупе с индуктивностями входного фильтра и деструктивные явления блоков питания становятся нашей обыденностью. Резонансные эффекты могут находиться много ниже рабочей частоты преобразователя блока питания и это легко собьет устойчивость обратной связи БП. Это приводит или к писку или БП просто выключается 'непонятно почему'.

'Почему' понятно - возбуждение означает повышенные пульсаций, выход напряжений за границы и срабатывание защиты в блоке питания. Были бы конденсаторы обычными, то этих проблем наверняка не возникло.... ан нет, "прогресс"!

Номер три - USB.

Из-за установки low ESR конденсаторов банально не хватает номинальной емкости для демпфирования коммутируемой нагрузки. В компьютере только одно напряжение, которое претерпевает коммутацию во время работы - дежурный источник 5 вольт (5Vsb). Мышки и Flash 'на ходу' подключали к компьютеру? Страдает то самое 5Vsb. Емкости конденсаторов в БП делают исходя из обеспечения необходимого уровня пульсаций, а на материнской плате вместо обычных конденсаторов начали ставить low ESR маленькой емкости. Если при подключении USB устройства компьютер 'валится', то это может означать слишком маленькую емкость по цепи 5Vsb. В самом USB устройстве всегда есть какая-то емкость для сглаживания помех по проводам питания и при подключении к USB на шине 5Vsb происходит кратковременное уменьшение напряжения пропорционально соотношению емкостей в USB устройстве и цепи 5Vsb (материнская плата и БП). Например, обычные офисные мышки Logitech имеют входной фильтрующий конденсатор 100 мкФ. Предположим, что суммарная емкость по цепи 5Vsb в материнской плате и БП составляет 1000 мкФ. В результате подключения USB устройства на шине 5Vsb напряжение кратковременно уменьшится до 4.5 вольт. А если USB устройство потребляет бОльший ток и, соответственно, имеет бОольшую сглаживающую емкость, а в БП сэкономили на конденсаторе?.. Очевидно. У Вас на новой материнской плате проблема с подключением USB устройств и Вы грешите на 'отстойную матплату'? Обратите свой взор на другое устройство. Кстати, у меня есть такая 'удачная' смесь в компьютере - при подключении Flash с вероятностью 1 к 10 компьютер повиснет. Знаете, очень удобно работать на таком компьютере - если забыл подключить Flash в выключенный компьютер, то - жди, пока можно будет его выключить. Добавление конденсатора 1000 мкФ на провод 5Vsb от БП устранило сей 'радостный момент' в работе.

Дотошный читатель сразу скажет, что по каждому выходу USB есть защитный элемент и ток не может быть чрезмерно большим. На первый взгляд 'Да', но это только на первый. Функцию ограничения тока обычно возлагают на самовосстанавливающиеся предохранители. Они называются 'предохранителями', но, по сути, являются терморезисторами и очень резким положительным тепловым коэффициентом. Такой элемент в холодном состоянии имеет небольшое сопротивление, но при нагреве (от протекающего тока) это сопротивление резко возрастает. Цепь соединения предохранитель–нагрузка последовательная, поэтому с увеличением сопротивления возрастает и падение напряжения на нем, т.е. мощность. Далее следует лавинообразный процесс увеличения напряжения и нагрева с одновременным уменьшением тока. Фактически, в режиме ограничения тока, на этом сопротивлении падает одна и та же мощность. Для тех 'предохранителей', которые ставят по цепям USB эта мощность составляет порядка 0.3Вт. Все было бы красиво, но для разогрева элемента нужно время, поэтому при подключении USB на короткое время ток практически не ограничен.

С дежурным напряжением есть и вторая беда. Если в старых ('китайских') блоках питания дежурный преобразователь формировал два напряжения - 5Vsb и примерно 20В для питания схемы управления, то в новых БП формируется только 5 вольт, от которого формируется 5Vsb и запитываются внутренние схемы БП. Т.о., помехи по 5Vsb от USB для старых блоках питания не влияли на работу самого БП, а вот в 'новых' эффект может быть интересным.

Тестовый стенд.

Различные источники, в том числе и "Power Supply Design Guide" рекомендуют трактовать БП как автономное устройство с некоторым набором параметров. Отчасти это верно, но, простите, почему в реальном компьютере вроде бы одинаковые БП ведут себя по-разному? И, кроме того, почему БП всегда надо брать 'с запасом' в 1.5-2 раза? Я бы понял, если б речь шла о 'noname' БП китайского производства, но когда ту же 'арифметику' вынуждают применять для известных фирм - просто опускаются руки. А как же тесты этих БП независимыми тестерами уважаемых сайтов? Что-то здесь не чисто, надо очень внимательно присмотреться к этой общепринятой методике тестирования.

Кроме вполне очевидных и понятных тестов на максимальную мощность, измерения уровня пульсаций и коэффициента полезного действия (КПД), времени включения и порогов защиты, существуют и весьма неочевидные тесты.

Вот на этом и остановлюсь подробнее. Впрочем, перед самими тестами надо сделать тестовый стенд как эмуляцию современного компьютера.

Эмулировать, так по полной программе!

а) Компьютер всегда собирается в корпусе. Хоть этот корпус сделан из материала с не слишком хорошей проводимости, но зато его много и он тонкий (т.е. работает во всей полосе частот с одинаковой эффективностью). Короче говоря, тестовый стенд должен собираться на базе шасси корпуса ATX, а БП крепиться на свое законное место всеми винтами.
б) Глобально, нагрузками блока питания выступают три устройства - материнская плата, видеокарта и приводы DVD, HDD. Тестовый стенд должен учитывать эти особенности - в корпусе (см. пункт "а") надо установить настоящую материнскую плату, с которой удалены все детали, кроме разъемов питания. Этим можно убить двух зайцев – заземляющие винты и расположение разъемов будут находиться на своих местах, но это не самое важное. Второй заяц, и самый жирный, - эта материнская плата будет иметь реальную, не симулированную, трассировку шины ‘земля’ по всей плате. Думаю, это важный момент, ведь современные системы потребляют значительную мощность и даже небольшое падение на цепи ‘земля’ может исказить результаты измерений.

Для эмуляции видеокарты на место разъема PCI-Express надо установить разъемы подключения внешнего питания видеокарт. Т.к. сам разъем PCI-Express имеет достаточно длинные выводы (внутри самого разъема), то между устанавливаемым разъемом и платой надо сделать соответствующий промежуток и использовать провод соответствующего диаметра и количества. Конечно, речь идет только об одной цепи - gnd. Я использовал 10 проводников диаметром 0.6мм и длиной 15мм. Дисковые устройства имеют одну особенность - их корпус соединяется с землей питания. Это означает, что в тестовом стенде надо делать так же - нагрузка должна подключаться не только к выводам земли разъема MOLEX, но и непосредственно к корпусу. И, крайне желательно, это делать в том месте корпуса, где устанавливаются эти устройства.

в) Можно много рассуждать о способе подключения нагрузки, особенно это касается цепи gnd. Но, как мне кажется, наиболее верный тот, который есть в действительности - так, как подключается потребители этих напряжений, преобразователи на материнской плате. По цепям 12В CPU и +5В надо подключаться прямо на их разъем. По жестким дискам и DVD-приводам - использовать разъемы с таких устройств с сохраненными фильтрами и подключаться к ним. Найти б/у или 'убитый' HDD и DVD не составляет трудностей. По видеокарте - нагрузка должна подключаться на выводы разъемов, а не на материнскую плату. Аргумент - преобразователь видеокарты находится на самой видеокарте и через разъем PCI-Express по выводам питания и земли протекает ток от БП к преобразователю видеокарты. Если поступить иначе и подключить нагрузку между выводами питания и корпусом стенда, то ток потечет по выводам питания разъема PCI-Express не затронув выводов gnd этого разъема – а вот это будет неправильно! Конечно, идеальным решением был бы выпуск блока нагрузок для симуляции видеокарты в формате PCI-Express, но это вопрос темный.

г) Нагрузка подключается через LC-фильтр. С индуктивностью все более-менее ясно, а вот с конденсаторами придется разбираться. Я просмотрел некоторое количество новых моделей материнских плат и видеокарт и в них прослеживается явная тенденция - по 12В CPU суммарная емкость фильтрующих конденсаторов имеет диапазон 200-600 мкФ, для видеокарт еще меньше, 50-300 мкФ. В своем тестовом стенде я использовал конденсаторы 330 мкФ с ESR 30 мОм и дроссель индуктивностью 1.2мкГн на ферритовом сердечнике (для устранения уменьшения его импеданса на высоких частотах) по каждому каналу нагрузки цепей 12 вольт.

Методика тестирования.

Раз уж договорились эмулировать работу реального оборудования, то и тесты должны быть максимально приближены к действительности. Тест сферического коня в вакууме мы уже имеем, спасибо "Power Supply Design Guide".

Первой мыслью было - взять реальное оборудование и посмотреть статические/динамические характеристики на датчиках тока. Собственно, так и поступил с жесткими дисками (HDD.rar).

На осциллограммах показаны токи потребления HDD/CD при их включении.
Момент включения не синхронизирован с началом осциллограмм.
WD Caviar 21700 1.7Gb (WDAC21700-40H) (каталог “HDD\HDD”)
По цепи +5 вольт:

По цепи +12 вольт:

При включении диск сразу потребляет ток 0.4А, который уменьшается в 2 раза на время инициализации и потом возвращается к первоначальным 0.4А.

По цепи +12В картина совсем другая, при подаче питания диск начинает нагружать источник только через ~0.3 секунды. Видимо, это раскручивается привод дисков. На осциллограмме видны характерные временные участки – разгон двигателя, участок стабилизации (интересно, что в этот момент ток потребления даже больше стартового) и участок обычного вращения – во второй половине осциллограммы. Выбросы тока во второй части вызваны работой позиционера – видимо, диск считывал служебную информацию с поверхности дисков. В том же архиве есть картинки S1-S2-S3, которые позволяют точнее рассмотреть все эти три участка.

IBM DTLA-307075 (каталог “HDD\HDD2”) По цепи +5 вольт:

По цепи +12 вольт:

При включении нагрузка сразу устанавливается в ~0.2А и после инициализации и раскручивании привода дисков возрастает до ~0.4А.

По цепи +12В характер поведения чем-то напоминает предыдущий HDD – вначале ток небольшой, а потом резко возрастает. Для данного диска ток потребления больше, но это же и верно - жесткие диски DTLA ‘славились’ своей горячностью.

В левой части осциллограммы показан процесс разгона привода дисков, в правой – работа позиционера. Один интересный момент – в отличии от WD этот жесткий диск не так сильно уменьшил потребление привода дисков после стабилизации вращения. Подшипники виноваты или очень ‘удачное’ исполнение мотора? Ладно, не суть. В том же архиве есть приближенные участки этой осциллограммы, из них мне хочется обратить внимание на потребление тока при работе позиционера.

В этом жестком диске используется два импульса – разгонный и тормозящий. У WD другая идеология, посмотрите картинку S3 из каталога HDD\HDD.

Жесткие диски были, теперь надо бы добавить гибкий, т.е. DVD или CD-ROM.

Panasonic CR-593-B 40x

По +5В такая картина:

Ну, как-то ничего выдающегося. И по +12В:

Эта картинка интереснее, отчетливо видны стадии раскрутки диска.

Вначале диск запускается на небольшой скорости (первый бросок тока уходит на начальную раскрутку), потом диск отождествляется приводом и следует его ‘разгон’ до максимально возможной скорости. Через некоторое время CD-ROM обнаруживает, что этим диском никто не интересуется, и он его останавливает, причем активно – есть характерный выброс тока на стадии торможения.

Ну ладно, осциллограммы снимались не для общего развития, хоть и было интересно. Цель была в разработке симулятора жесткого диска. Снимались данные не только этих двух дисков и CD, но каких-то аномалий в других я не нашел, поэтому сделал выводы:

нагрузка по +5В представляет собой постоянную величину и ток потребления возникает сразу с появлением напряжения.
нагрузка по +12В имеет импульсный характер и ток потребления возникает не сразу по включении, а через некоторое время.

Т.е., устройства, питающиеся от +5В стартуют сразу, а от +12В через некоторое время. Это важно для измерения характеристик блока питания при его включении. Я встречал два варианта измерения характеристик включения БП – на ненагруженном блоке питания и на сильно нагруженном. Выходит, оба варианта ошибочны?!

Эмулятор работает только по цепи +12В и формирует такую нагрузку:

Ври включении питания ток нагрузки отсутствует, потом он устанавливается в постоянную величину, которая сменяется импульсами с уменьшающейся скважностью. После переходного процесса эмулятор формирует импульсы нагрузки длительностью 1 мс и периодом 9 мс, этим эмулируется работа позиционера. Величина тока выставляется переключателем в диапазоне 1-6А и дискретностью 1А. Переменный резистор использовать плохо, сложнее добиться повторяемости результатов.

Ну хорошо, а как быть с процессорами, памятью, видеокартами и прочим? ... разброс параметров очень большой.

Если делать 'хорошо', то так и надо поступить, но у меня нет такого ассортимента аппаратуры и, извините, ресурсов. Увы, придется ограничится только первым приближением.

Второй момент - как это разнообразие связать в конкретные конфигурации? Можно перебрать все процессоры, видеокарты, наборы микросхем, память ... и получить весьма большое число вариантов. Конечно, при этом придется учитывать и разогнанные версии устройств.

С другой стороны, компьютерные компоненты стареют очень быстро, а БП остаётся. Как потом сравнить свою конфигурацию с БП, протестированным год-два назад? Ну что, надо же с чего-то начинать - я использую постепенное повышение класса компьютера, от самого маломощного (по потреблению) до особо мощных конфигураций с несколькими видеокартами. Нагрузка на все каналы БП постепенно повышается, а для 12В CPU каждый шаг тестируется для одинарного и удвоенного тока - этим эмулируется установка одинарной и двойной мощности процессора (по потреблению). Аргумент тут прост - бывают 'серверы' с мощным процессором и 'декоративной' видеокартой и бывают игровые компьютеры на относительно маломощных (по потреблению) процессорах двумя-тремя высокопроизводительными видеокартами.

Процессор, Вт	25	35	45	65	75	75	75	75	75	75	75
Процессор х2, Вт	50	70	90	110	130	150	150	150	150	150	150
+5В, Вт	20	24	28	32	36	40	44	44	44	44	44
Видеокарта, Вт	25	40	50	75	100	150	200	300	400	500	600

Мощность по процессору и +5В растет одновременно с ростом мощности видеокарт, но только до определенного предела. На последних позициях их рост заморожен - эти конфигурации нагрузки используются для эмуляции применения нескольких видеокарт.

Под нагрузкой по +5В понимается потребление набора микросхем, памяти и жестких дисков.

Ну, а как быть с видеокартой? Существует несколько вариантов подачи питания:

только от внутреннего питания PCI-Express
от PCI-Express и от одного дополнительного разъема 12В
от двух разъемов 12В

Для первого варианта все очевидно, а вот второй и третий вызывает проблемы - варианты распределения нагрузки очень обширные. Причем, если для nVidia принято деление как 50% + 50%, то для ATi цифры меняются весьма 'судорожно'. Особенно выделяется видеокарта 4870x2, где оба конвертера GPU работают от одного источника. Как следствие, деление мощности составляет 60% на GPU и 40% на прочее, что явно не облегчает выбор блока питания для такой видеокарты. Эх, но как-то дробить придется, потому у себя я принял деление как 50% + 50%. Возможно, не все знают о том, как распределяется нагрузка по входам 12В видеокарт, потому остановлюсь подробнее.

В видеокарте несколько преобразователей, которые формируют напряжение питания для различных узлов устройства. Эти узлы могут потреблять разную мощность и больше или меньше реагировать на изменение режимов работы. Например, узлы ввода-вывода и serdes PCI-Express практически не меняют ток потребления, память активнее реагирует на режимы работы и в специализированных тестах может развивать большие импульсные нагрузки на источник питания. Впрочем, получить подобной характер потребления от памяти в обычных приложениях мне представляется крайне маловероятным. А вот GPU очень энергично изменяет свое потребление от характера работы. Поэтому я ввел два условных понятия при тестировании видеокарт - нагрузка типа 'память' и типа 'GPU'.

Кроме нагрузок тестовый стенд состоит из эмулятора питающей сети 220В. Здесь тоже есть варианты - сеть бывает 'чистая' и 'грязная' (не стабильная и с помехами), иметь низкое и (относительно) большое сопротивление (и индуктивность). Кроме того, существуют бесперебойные источники питания (UPS) с весьма разнообразными характеристиками. Плодить множество данных не хотелось – кроме усложнения теста это внесет сумятицу в полученные результаты и их анализ. Когда выходных данных слишком много, это тоже плохо! Потому я использовал некоторые 'усредненные' (скорее даже 'плохие') параметры первичной сети - у источника 220В установлено выходное сопротивление 1 Oм и индуктивность 1 мГн. Если с вводной частью закончено, то перейдем непосредственно к методике.

Условные сокращения:

AC - первичная сеть
CPU - характеристики нагрузки по выходу 12В процессора
VGA:MEM - по выходу подключения к видеокарте типа 'память' (обычно это Ext1)
VGA:GPU – аналогично, тип ‘GPU’ (обычно это Ext2)
+5В - соответственно.

Тест 1 - измерение на постоянной нагрузке.
AC - 220В синус
CPU, VGA:MEM, VGA:GPU, +5В - повышение тока по таблице.
Измеряется: ток потребления БП, уровень пульсаций и выходное сопротивление каналов.

Тест 2 - измерение на динамической нагрузке.
AC - 220В синус
CPU, VGA:MEM, VGA:GPU, +5В - повышение тока по таблице, при этом ток нагрузки моделируется меандром по таблице:

Цепь	Частота	Мин.	Макс.
CPU	100 Hz	50%	100%
VGA: GPU	200 Hz	40%	100%
VGA: MEM	400 Hz	60%	100%
+5В	800 Hz	80%	100%

Измеряется уровень пульсаций каналов.

Величина динамического изменения тока нагрузки выбрано из характеристики типов нагрузки - наборы микросхем не имеют ярко выраженного динамизма в потребляемом токе, а вот GPU и CPU весьма резко меняют свой ток от характера выполняемых задач.

"Power Supply Design Guide" рекомендует делать переключение 50-100%, с чем я солидарен.

В видеокартах при переходе от "спокойного" 2D режима к игровым приложениям потребление VGA:MEM возрастает в 2 раза, а VGA:GPU даже в 3. Некоторые видеокарты поддерживают режим снижения частоты и напряжения в режиме простоя, но этот случай тестом не учитывается. Энергопотребление процессора процессора может изменяться по схожему сценарию, в 2-3 раза. Но все эти "2-3 раза" нельзя считать полностью динамической нагрузкой, сказываются фоновые задачи. Например, при обсчете игры процессор выполняет разные процедуры, в том числе тратится время на ожидание готовности видеокарты к приему новых данных. Если в полностью синтетических тестах можно получить простой процессора в паузах, то в реальных 3D приложениях, т.е. играх, процессору всегда есть что делать и при вынужденной паузе свободное время тратится на другие цели.

Частота коммутации тока нагрузки может быть произвольной, но и здесь есть вполне логичные предпочтения. Слишком высокая частота нагрузки будет демпфироваться сглаживающими конденсаторами блока питания и превратится просто в постоянный ток. На нижнюю границу явных ограничений нет, но слишком занижать тоже не стоит, тестирование сетевых блоков питания показывают, что их время реакции находится в диапазоне 0.1-1 мс. Частота кадров в современных играх порядка 50-100 Гц, значит примерно на эти цифры и надо ориентироваться. Наверно, не стоит устанавливать одну и ту же частоту коммутации для разных каналов нагрузки, иначе трудно будет отследить взаимное влияние каналов друг на друга. По частотам - специально взяты разные частоты, так можно избежать наложения разных каналов. Я использовал частоты 100, 200, 400 и 800 Гц. Можно было поставить более 'честную' цифру в 30-50 Гц, но для блоков питания частоты нагрузки от 10Гц до 1КГц воспринимаются практически одинаково.

Тест 3 - работа от 220В, синус.
AC - 220В синус.
CPU, VGA:MEM, VGA:GPU, +5В - Сумма нагрузок составляет 2/3 от максимальной мощности БП.
Измеряется: ток потребления БП, КПД, уровень пульсаций каналов.
Если не оговорено специально, то нагрузки выбираются из учета 'типовой' загрузки блока питания. Канал +5В нагружается на 30Вт, CPU на 50-80Вт (в зависимости от мощности БП), остальное делится поровну между VGA:MEM и VGA:GPU.

Тест 4 - работа от 220В, меандр.
AC - 220В меандр.
Остальное как в тесте 3.
Идея теста в проверке работы от UPS, который не обеспечивает чистое синусоидальное напряжение 220 вольт.

Тест 5 - симуляция нестабильности сети 220В.
AC - напряжение меняется в интервале 187-242В (синус) по псевдослучайному закону.
Остальное как в тесте 3, кроме КПД – он не измеряется.
Тест проверяет устойчивость БП при нестабильности сети.

Тест 6 - симуляция кратковременного отключения сети 220В.
AC - выставляется 220В синус и на короткое время отключается.
Тест проверяет устойчивость БП при отказе сети, при котором происходит переключение на другой источник. Ситуация вполне типичная и для обычной сети 220В и для UPS.
Тест измеряет время, которое проработает блок питания при отутствии сети. Дискретность отсчетов 5мс. Более точно измерить представляет некоторые трудности, ведь изменяемым параметром является синусоидальный сигнал. Если для БП с APFC это не столь важно, то блоки без APFC видят только пики напряжения и фактически отключаются от сети в другие моменты времени.
Для ориентировки - один период частоты 50Гц (а в сети именно такая частота) составляет 20мс.

Тест 7 - эмуляция HDD.
Все настройки обычные (как в тесте 3), но к выходу 12В MOLEX подключается эмулятор тока потребления HDD. Это импульсная нагрузка с током 1-6А (в зависимости от мощности БП), длительностью 0.5мс и периодом 9мс. Измеряется уровень пульсаций по каналам.
У меня в тестовом стенде канал VGA:MEM и 12В MOLEX соединены, сказывается малое число блоков нагрузки и чем-то пришлось жертвовать.

Тест 8 - измерение КПД по выходам.
Эффективность вычисляется последовательным переключением токов нагрузки по отдельным каналам и изменением приращения мощности потребления блока питания.
Как 'начальная' принято 1/3 от полной мощности БП.

Тест 9 - качество работы дежурного источника.
а) подключить к 5Vsb разряженный конденсатор 220 мкФ и замерить кратковременный провал напряжения.
б) провести подобный тест с самовосстанавливающимся предохранителем.

Тестирование.

Для примера возьмем пару 'китайских' БП и пару фирменных. Наверно, не стоит сравнивать мух с котлетами, поэтому я возьму блоки питания, построенные по схожей схемотехнике.

“China1” и “China2” - два безродных БП неизвестной мощности. Судя по экстерьеру их можно посчитать за 200Вт.

“FSP” - FSP OPS550-80GLN - блок питания с APFC и довольно высоким КПД. “Corsair” - Corsair CMPSU-750TX - по схемным решениям очень напоминает FSP, но имеет раздельную стабилизацию каналов +12В и +5В.

Увы, “China2” не смог пройти теста на помехи в сети 220В, потому прилагается два файла.

Результаты тестов: China1.rar, China2_a.rar, China2_b.rar, FSP.rar, Corsair.rar.

Блок питания	Импеданс CPU	Импеданс VGA:GPU	Импеданс VGA:MEM	Импеданс +5В	Средний КПД	КПД 12В	КПД 5В	КПД 3.3В	КПД 5Vsb	Макс. время провала сети
China1	25mOm	67mOm	34mOm	2.4mOm*	75.9%	85.1%	81.5%	56.7%	68%	45mS
China2	50mOm	102mOm	132mOm	-	75.1%	84.3%	77.2%	55.5%	75.9%	25mS
FSP	23mOm	20mOm	20mOm	1.7mOm*	85.1%	89.1%	91.9%	66%	73%	30mS
Corsair	4.6mOm	4.9mOm	4mOm	2.6mOm*	84.7%	89.5%	92%	66.9%	67.3%	30mS
Corsair+	3.7mOm	4.8mOm	2.6mOm	1.5mOm*	84.7%	88.7%	92.4%	66.9%	72.3%	25mS

* - может быть неточным.

Цифры и осциллограммы Вы можете посмотреть здесь.

На что хотелось бы обратить внимание:

“China1” - обратная связь возбудилась на звуковой частоте (примерно 3КГц). Собственно, с этим БП всё. Интересно, что совсем без емкости в нагрузке или наоборот, при большой емкости, этот БП работает нормально. Очередной низкий поклон "Power Supply Design Guide"! (сарказм).

“China2” не мог вынести сильных помех в сети 220В.

Оба БП, и “China1” и “China2”, резко увеличивали уровень помех при работе от 'ненормального' напряжения сети.

Впрочем, характеристики блока питания “China1” являются типичными для этого класса (исправные дешевые БП по схеме ‘half-bridge’ без APFC с мощностью до 400 Ватт), поэтому стоит остановиться подробнее.

На картинке отчетливо видны два теста – с постоянной и динамической нагрузкой. Особо комментировать здесь нечего, надеюсь и так все понятно. Различие в импедансе каналов “CPU”, “VGA:GPU” и “VGA:Memory” вызвано различием в способе подключения – этот блок питания не оборудован соответствующими разъемами для поачи напряжения 12В на дополнительное питание PCI-Express и пришлось использовать стандартные переходники с MOLEX.

На картинке представлены результаты прохождения тестов 3-6. Напомню, блок питания нагружен на 2/3 своей максимальной мощности, т.е. при типичной нагрузке.

Первый участок, тест 3 – приведен как контрольный, ничего особенного в этом режиме нет.

Второй участок, тест 4 – на БП подается питающая сеть с прямоугольной формой напряжения и скважностью 50% (меандр). Из общих соображений построения таких блоков питания можно предположить небольшое повышение КПД в этом режиме, так и случилось – эффективность возросла с 76.6% до 77.1%. Величина пульсаций почти не изменилась, но по всем выходам +12В немного выросло напряжение. Это означает, что у БП не очень эффективная схема поддержания выходных напряжений. Аналогичный дефект есть в блоке питания “China2”, поэтому этот эффект нельзя списать на недостатки конкретного БП.

Третий участок, тест 5 – напряжение сети 220В меняется по случайному закону в пределах 187-242В, что соответствует нормальному диапазону сети 220В по стандарту на электросети общего применения (220 вольт +10/-15%). На нестабильной сети 220В блок питания ответил некоторой нестабильностью выходных напряжений и немного возросшим уровнем пульсаций. Мда, не самый приятный момент для аналоговых устройств в компьютере – звуковых карт и модемов. Четвертый участок, тест 6 – напряжение сети ставится нормальным (220 вольт синусоидальной формы), но рез в секунду производится его кратковременное отключение. Этим эмулируется переключение на подстанции электросети или переход на аккумулятор в бесперебойных источниках питания. Конечно, на время переключения само напряжение не становится ноль вольт и хорошо бы дополнить методику тестом ‘5а’, с уменьшением напряжения не до нуля.

Тест показывает, что существенно возросли пульсации в моменты коммутации сети. Внешне это проявляется так – включили электрочайник и компьютер перегрузился. Если посмотреть на характеристики блоков питания с APFC (несколько ниже), то понятен рецепт лечения этой болезни – или менять блока питания на БП с APFC или надо ставить бесперебойный источник питания.

И еще по этому БП, а именно – по току потребления от сети 220В.

Существуют ограничения на максимальный ток в розетках. Посмотрите как-нибудь, на них приводятся эти цифры. Советские розетки без заземления выдерживают ток до 8 Ампер, импортные могут быть с меньшим и бОльшим предельным током. Цифра в 8А на розетках возникла не просто так, она оговорена в стандарте на советские электросети. Конечно, можно бездумно игнорировать и надеяться на ‘ведь работает же!’ ... однако, розетки могут греться, а там и до пожара недалеко. Ладно, ‘к нашим баранам’. Наш блок питания “China1” волне корректно работал от нормальной сети:

При переходе к меандру пиковый ток возрос почти до 10А:

Впрочем, советские электросети не формируют напряжения прямоугольной формы, поэтому эти трудности пусть решает блок UPS. Тесты на нестабильность сети и ее кратковременные провалы показывает возрастание пикового тока до 16-14 Ампер. Добавить нечего, при этом будут гореть розетки. Не будем далеко ходить, на блоке питания “China2” лично у меня были проблемы с электропроводкой, к счастью я это вовремя заметил и оплавленная розетка не привела к чему-то серьезному. Блок питания “China1” показал достаточно высокое время по отсутствию сети, 45мс, зато не смог выдать даже 10Вт по дежурному источнику 5Vsb.

“China2” явно старого стандарта, выходное сопротивление канала 12В просто ужасающее. Еще одно отличие этого БП - в нем установлен синхронный выпрямитель по каналу +5В. И как это отразилось на качестве его работы?.... Короче, отвратительный блок питания, даже по сравнению с своим собратом по происхождению - “China1”.

Теперь по элитным блокам питания.

“FSP” и “Corsair” показали очень похожие характеристики, если не учитывать эффект от раздельной стабилизации в “Corsair”.

Возьмем этот БП до всех доработок и посмотрим на результаты его тестирования.

Блок питания обеспечивает хорошую стабильность выходных напряжений и низкий уровень пульсаций. Для динамической нагрузки уровень пульсаций возрастает, но это является следствием применения дросселя в тестовом стенде:

Если не учитывать импульсы по фронтам (их весьма эффективно давит LC фильтр тех устройств, куда подаются эти напряжения), то величина пульсаций значительно меньше приведенных на картинке. Если говорить влиянии нестабильности сети 220В на выходные напряжения, то оно значительно менее выражено, по сравнению с предыдущими блоками питания:

Для тестов 4-6 нет явной зависимости режима сети 220В и выходных напряжений, видимо сказывается положительное влияние узла APFC.

Обратите внимание на величину максимального (пикового) тока потребления от сети 220В, она практически одинакова для тестов 3-5. Это говорит о эффективной работе узла APFC при работе БП от сети с синусоидальным и прямоугольным напряжением (тесты 3, 4) и сложной формы (тест 5). Для теста на кратковременное отсутствие сети импульсный ток потребления больше и это может вызвать проблемы с UPS. Само увеличение тока предсказуемо, ведь за время отсутствия сети БП питается исключительно от собственного накопительного конденсатора и после появления сети необходимо восстановить его заряд в минимальные сроки.

Однако, надо обратить внимание на один неприятный момент - оба блока питания (и “FSP” и “Corsair”) обеспечивают время по отсутствию сети всего в 25-30мс, это очень мало. Откуда взялась эта цифра в 30мс? ... если открыть application notes по микросхеме CM6800, то все станет на свои места - там расчеты ведутся именно от 30мс. Причем, в “Corsair” емкость конденсатора явно занижена, всего 390 мкФ для 750Вт БП. Плохая сеть и хотите стабильности – придется ставить бесперебойный источник питания.

Доработка БП.

Тратить время на 'noname' смысла нет, БП от FSP был временно вынут из работающего компьютера и его нельзя трогать. Остается “Corsair” 750Вт, вот им и займемся.

Схемные решения, которые применены в блоке питания Corsair CMPSU-750TX весьма типичны для этого класса БП, поэтому все сказанное можно перенести на другие блоки питания с аналогичной схемотехникой. Corsair CMPSU-750TX построен по уже обычной схеме - APFC и однотактный прямоходовой преобразователь на двух IGBT. Часто подобные БП строятся на контроллере CM6800 или ML4800, они являются почти полными аналогами.

Доработка под UPS.

Проблема совместимости с UPS кроется в работе узла APFC - при старте или 'набросе тока' от переключения на батареи UPS несколько занижает напряжение. На снизившееся напряжение узел APFC отвечает возрастанием тока, что также понижает напряжение UPS и так до полного срабатывания токовой защиты UPS и его выключения. Вторая проблема UPS - не синусоидальное напряжение при работе от аккумуляторов. Соответственно, доработки будет две - затягивание фронта нарастания тока для уменьшения броска тока при переключении полярности и сужение диапазона работы APFC с 'full range' (110-242В) на обычный диапазон 187-242В.
1) Замедление скорости нарастания тока.
Схемно это может быть реализовано различными способами, я пошел по пути формирования задержки тока Iac контроллера CM6800.

Этот ток является образцовым для формирования тока потребления от сети 220В и изменение его формы прямо сказывается но форме тока потребления.

В документации на контроллер рекомендуется брать Iac прямо из выпрямленного напряжения сети ... это хорошо подходит для синусоидального напряжения (поправка - не совсем), а вот меандр вызывает проблемы - не все UPS создают прямоугольное напряжение с достаточно большой паузой. Для исключения этой проблемы Iac формируется из обоих входов 220В до выпрямителя. Оценить эффект доработки можно по картинкам:

Затягивание фронта снизило бросок тока на фронте переключения напряжения. Оставшийся импульс вызван наличием фильтрующих конденсаторов и по понятным причинам лечению не подлежит.

Кроме решения этой проблемы, данный способ позволяет отфильтровать высокочастотные помехи и улучшить форму сигнала Iac, ведь после выпрямителя напряжение повреждено сильнее. Действие фильтра заметно невооруженным взглядом - для синусоидального напряжения сети при переходе через ноль меньше искажений. Картинки слева сняты с блока питания до доработки, а справа – после добавления фильтра и фиксации напряжения Vrms, о котором пойдет речь ниже. Хочу обратить внимание на изменение формы тока потребления от 220В - сигнал стал больше похож на синус, уменьшились дефекты и броски тока при нестабильном напряжении первичной сети.

Для небольшой мощности (70Вт):

На средней мощности (500Вт):

Большая мощность (750Вт):

Дело вовсе не в эстетике, меньшие искажения означают снижение уровня помех. В своей доработке я поставил RC-фильтр с постоянной времени 0.5мс.

2) Уменьшение диапазона APFC.
Интересная штука, этот APFC. Iac задает форму тока, а Vrms определяет максимальный ток, причем это делает как бы 'наоборот'. Логично рассуждая, при снижении входного напряжения узел APFC обязан увеличивать максимальный ток, для этого и служит вход управления Vrms - он подключен к выпрямленному напряжению сети (конечно, через делитель), как и Iac. В результате, при понижении напряжения сети уменьшается Vrms и блок APFC увеличивает ток. Т.о., Vrms является схемой прямого регулирования APFC. Сразу один момент - если на выводе Vrms будет нестабильное напряжение, то это отразится на токе, а т.к. регулирование осуществляется обратно пропорционально не напряжению, а квадрату напряжения на выводе Vrms, то любые нестабильности вызовут сильное искажение формы тока.

Присмотритесь к форме тока потребления БП на большой мощности - форма тока потребления скорее похожа на треугольную, чем на синус. Причина все в том же, Vrms получается путем двойной фильтрации напряжения сети. Первая RC цепочка имеет постоянную времени 20мс, вторая еще меньше. Для справки - у частоты 100Гц (после выпрямителя частота удваивается) период составляет 10мс. Интересно, что в примере применения CM6800 нарисован узел активного уменьшения Vrms при уменьшении напряжения сети.

С одной стороны, это немного повышает работоспособность БП на частичных провалах напряжения сети и здорово бьет по голове UPS. К чести Corsair, эти компоненты не распаяны.

Для повышения устойчивости перехода на UPS можно или отключить регулирование по входу регулирования Vrms или сделать его очень медленным.

Первый вариант можно выполнить подачей фиксированного напряжения на вход Vrms, например с Vref через делитель. Вначале я несколько увлекся и поставил делитель 2/3, что привело к сваливанию APFC на предельной мощности - CorsairBadAPFC.rar.

Интересны следующее моменты:

- максимальный ток во всех режимах не превысил 6А. Например, на переходном процессе коммутации сети:

- при максимальной мощности APFC выдавал синусоидальный ток. Пики тока на верхушках синусоиды вызваны прямой зарядкой сглаживающего конденсатора, т.е. напряжение на нем стало меньше напряжения сети.

- на выходных напряжениях появилась сильная помеха с частотой сети и уменьшилось напряжение. Это означает, что такой блок питания в принципе не может работать без APFC.

Ну да, делитель 2/3 был ошибкой, бывает. Поставил делитель 1/2 (два резистора 10КОм) и БП нормально работал во всем диапазоне от 180 до 242 В. Вторым вариантом доработки является сильное увеличение постоянной времени RC фильтра напряжения Vrms - это можно осуществить подключением электролитического конденсатора на вывод Vrms. Обычно, делитель формирования этого напряжения имеет в нижнем плече резистор R66 номиналом 13.2КОм, пересчитать емкость конденсатора под нужное время не составляет труда.

Обратная связь.

В этом БП применена независимая стабилизация выходных напряжений. Основной преобразователь стабилизирует только выход +12В, а по +5В и +3.3В стоят дополнительные стабилизаторы на насыщающемся дросселе. Всё хорошо? ... не совсем, цепь +12В имеет несколько выходов с противоречивыми характеристиками:
- Выход для дисковых устройств. Низкий ток потребления, требуется высокая стабильность.
- Выход для конвертеров процессора и видеокарт.

Пока опустим цепи +5В и +3.3В - к ним особых претензий нет, да и динамика и мощность потребления по ним незначительная. В этом БП обратная связь ведется через специальный провод в кабеле питания к материнской плате (смотрите внимательнее, из одного вывода разъема выходит два провода). Так правильно или нет?

В основном это касается мощных видеокарт, поэтому на них и стоит обратить внимание. Если в видеокарте нет входа дополнительного питания или этот вход только один, то это означает активное использование напряжения 12В из PCI-Express. Но при двух входах ситуация меняется, основная нагрузка идет по дополнительным кабелям питания. В БП Corsair все сделали правильно, как мне кажется, но не для этого исполнения БП - он позиционируется для работы с несколькими мощными видеокартами и обратную связь стоило взять с кабеля питания PCI-e.

Хорошо, проверим - перенесем цепь обратной связи на кабель питания видеокарты, для чего в кабель добавляется еще один провод и на него переключается обратная связь. Результат тестирования логичен, выходное сопротивление по +12В уменьшилось в 1.5-2 раза(CorsairAPFC_FB.rar).

Стабилизация 12В общая, поэтому на ненагруженном канале напряжение будет возрастать при увеличении тока нагрузки по выходам 12В CPU и прочим. В основном, это касается стабильности напряжения +12В питания жестких дисков. Если до доработки обратной связи по этому выходу напряжение менялось на 60мВ, то после доработки цифра возросла до 90мВ. Если принять во внимание, что при тестировании мощность нарузки менялась в гораздо бОльшем диапазоне, чем есть в реальном компьютере, то приведенную цифру можно смело поделить на два. Напряжение смещения в 40-50мВ не должно сколь нибудь заметно сказаться на надежности работы жестких дисков и DVD-приводов.

Прибор эмулятора сети 6812B позволяет измерять косинус с точностью до трех знаков и для БП после доработки он выдал цифру 0.999 на максимальной мощности. Хех.

Честно говоря, я ожидал некоторый вред задержки нарастания Iac на косинус, но, как говорится, 'добавить нечего'. Хоть и смысла не много.

За кадром осталось многое, в том числе и исследование корректности подачи/исчезновения напряжений при включении, выключении и перегрузке блока питания. Скажем, если при случайном замыкании одного из питающих напряжений на землю или на другое напряжение, БП выдаст сильно завышенное напряжение перед выключением, то это вряд ли Вас обрадует как потенциального покупателя. Например, блок питания “China1” при включении следующим образом выставляет напряжения: