Тестирование блоков питания: теория (страница 2)
реклама
Постановка задачи
Тестирование блоков питания должно осуществлять тестирование блоков питания, правда, неожиданный поворот? При этом можно руководствоваться различными документами и рекомендациями, но попробуем ограничиться следующим приоритетом:
- Требования ГОСТ'ов;
- Здравый смысл;
- Рекомендации «EPS12V Power Supply Design Guide, V2.92».
Требования ГОСТ являются обязательными для исполнения, в отличие от EPS12V, поэтому приоритет составления методики будет именно такой. К тому же «EPS12V Power Supply Design Guide, V2.92» содержит массу досадных ляпов, которые не позволяют дословно следовать приведенным требованиям и рекомендациям. Но их составляли весьма осведомленные в данной области специалисты, а потому не грех воспользоваться такими наработками.
В качестве основного стандарта будет применен «ГОСТ Р 50628-2000»:
реклама
1. Область применения
Настоящий стандарт распространяется на вновь разрабатываемые, изготовляемые, модернизируемые и импортируемые электронные вычислительные персональные машины (далее в тексте – ПЭВМ), подключаемые к низковольтным электрическим сетям переменного тока частотой 50 Гц, в том числе на периферийные устройства, применяемые в составе ПЭВМ, а также на оборудование различного назначения на основе ПЭВМ.
Стандарт устанавливает виды испытаний ПЭВМ на устойчивость к электромагнитным помехам (помехам), степени жесткости испытаний для каждого вида, критерии качества функционирования ПЭВМ при испытаниях, а также соответствующие методы испытаний.
Настоящий стандарт не распространяется на средства связи.
Требования настоящего стандарта являются обязательными.
В данном документе описываются требования к работе системного блока в целом, а не конкретно блока питания. Именно на БП, как таковые, стандарты внешнего воздействия не специфицированы. Это позволяет тем, кто пишет обзоры БП, игнорировать проведение тестов. Не определено, значит, не будем делать – подобное суждение мне уже встречалось, и им как-то неважно, что от этого проигрывает тот, для кого написан обзор. Другими словами, тестируют только блок и в весьма ограниченном наборе тестов, а что до включения его (блока питания) в состав реального системного блока и его корректное функционирование – то это проблемы пользователя, они (автора обзора) не интересуют. Позиция довольно милая, не находите?
Методика тестирования должна отражать работу блока питания в составе всего устройства. Это принципиальный момент исследования. Если производитель БП или рекомендации ATX/EPS (и других) будут этому противоречить, то их условия будут игнорироваться. Методика должна выявлять недостатки и отражать интересы покупателя, а не производителя. Только требования ГОСТ являются обязательными к безоговорочному исполнению.
ГОСТ Р 50628-2000
Данный ГОСТ определяет требования по электропитанию компьютеров, но в нашем случае интересуют только те аспекты, которые касаются блоков питания. Какие же испытания приводятся в ГОСТ?
4.1.1.1 Электростатические разряды – по ГОСТ Р 51317.4.2.
Не так уж трудно сделать высоковольтный источник и организовать статические разряды по данным условиям тестирования, но смысл в этом действии отсутствует. Подобный вид проблем возникает, например, при подключении помпы к сети 220 В на работающем компьютере или в случае обычного статического разряда при прикосновении к корпусу – велик шанс перезапуска системы. Но мы собираемся тестировать блок питания, который к этому виду помех относится весьма спокойно.
Статический разряд не может ударить по сигнальным цепям электроники БП. Разряд в силовые цепи скорее приведет к Очень Серьезным Проблемам в цепях, питающихся от этого выхода, чем что-то произойдет в самом блоке. Поэтому данный пункт пропускается. При выявлении хоть какой-нибудь адекватной связи между данным классом воздействия и качеством работы БП методика может быть расширена. Генератор разрядов является полностью независимым устройством и может быть добавлен без внесения изменений в существующую методику.
реклама
4.1.1.2 Наносекундные импульсные помехи в портах электропитания переменного тока и ввода-вывода сигналов – по ГОСТ Р 51317.4.4.
Сетевой блок питания данный вид помех игнорирует, в нем нет настолько быстродействующих элементов. Основной преобразователь БП работает методом ШИМ (ЧИМ менее распространен) на фиксированной частоте в интервале 50-150 кГц. Впрочем, это несущественно. Важно лишь, что время переходного процесса переключения весьма мало, примерно 30-80 нс. При этом амплитуда импульса соответствует напряжению питания – 300...400 В.
Таким образом в блоке питания является «нормой» наличие импульсов 400 В частотой около 5 МГц и вся электроника изначально разрабатывается с высокой устойчивостью к данным видам помех. Генератор тестовых импульсов должен формировать следующую форму:
Испытания по ГОСТ Р 50628-2000 следует проводить подобными импульсами амплитудой 500 В, что очень близко к длительности фронтов основного преобразователя, а потому БП оснащены «врожденной» защитой от таких воздействий.
4.1.1.3 Микросекундные импульсные помехи большой энергии в портах электропитания – по ГОСТ Р 51317.4.5.
Данное испытание применяется. Подобный вид воздействия «типичен» для сетей электропитания и является наиболее частым видом нарушения качества подачи напряжения. Импульсы могут возникать как на подстанции в момент коммутации нагрузок, так и на территории потребителей электроэнергии. Электрический чайник, электроплита, сварочный аппарат, да хотя бы тот же пылесос – вся эта аппаратура создает мощные помехи в момент включения/выключения.
ГОСТ подразумевает использование генератора помех следующего вида:
Довольно необычно, что нормируется две формы кривой – при работе генератора без нагрузки (верхняя часть рисунка) и при полностью закороченном выходе, токовый режим. При этом меняются длительности и самого сигнала, и его фронта. Такая спецификация позволяет задать требования к выходным характеристикам генератора импульсов без навязывания конкретных схемных ограничений. Испытания по ГОСТ Р 50628-2000 проводят для амплитуды импульсов 500 В, что обязывает генератор выдавать ток короткого замыкания не менее 250 ампер (внутреннее сопротивление не выше 2 Ом).
Стоит отметить, что генератор не обязан сохранять неизменной форму выходного напряжения, если нагрузка будет носить нелинейный или реактивный характер. Данное испытание считается пройденным, если функционирование компьютера не нарушится, хотя допускается выход напряжений за допустимые рамки.
4.1.1.4 Динамические изменения напряжения электропитания (прерывания, провалы, выбросы) – по ГОСТ Р 51317.4.11.
Данное испытание применяется. Второй по частоте повторений и первой по «вредности» воздействия является нестабильность напряжения сети. Нормальным является диапазон 187-242 В (220 В +10/-15%). Испытания позволяют проверить как работоспособность БП в нормальном диапазоне напряжений, так и эмулировать кратковременное повышение, снижение напряжения и его отключение на небольшой интервал времени. В качестве первого теста используется повышение до 264 В и снижение напряжения до 154 В на время 200 мс.
Для второго теста блок питания обязан выдержать пропуск одного периода напряжения сети, для 50 Гц это составляет 20 мс.
реклама
К сожалению, далеко не каждый блок может пройти данное испытание. Причем, фирменные БП страдают этим дефектом ничуть не реже продукции известной фирмы «noname».
4.1.1.5 Магнитное поле промышленной частоты – по ГОСТ Р 50648.
Сам блок питания заключен в весьма эффективный электромагнитный экран, а потому к магнитным полям либо мало, либо полностью не чувствителен. Испытание игнорируется.
4.1.1.6 Радиочастотное электромагнитное поле – по ГОСТ Р 51317.4.3.
Аналогично предыдущему пункту, игнорируется.
4.1.1.7 Кондуктивные помехи, наведенные радиочастотными электромагнитными полями – по ГОСТ Р 51317.4.6.
Блок питания не чувствителен к данным помехам, испытание игнорируется.
ГОСТ определяет требования для двух типов (групп) устройств – обычной и повышенной устойчивости. Вряд ли у большинства пользователей компьютера рядом размещается сварочный аппарат и другие экзотические установки, потому следует ограничиться требованиями, налагаемыми на первую группу.
Фактически по требованиям ГОСТ Р 50628-2000 будут проводиться лишь два вида испытаний – микросекундные импульсные помехи и динамические изменения напряжения электропитания. Источником первых является коммутация электроприборов в той же сети (фазе), что и компьютер, например, электрический чайник, кофеварка, пылесос, бесперебойный источник другого компьютера и другие мощные нагрузки. Динамические изменения в сети могут вызываться долговременным подключением мощных устройств, как в самой зоне пользователя, так и на подводящих или соседних участках. Сюда же входят системы переключения/балансировки нагрузки в узлах энергоснабжения.
Тестовое оборудование, общие положения
Для получения действительных характеристик блока питания в работе на реальную нагрузку требуется создать условия, аналогичные типичным условиям эксплуатации БП. К сожалению, рекомендации ATX/EPS в этом не только не помогают, а скорее, откровенно вредят. В них четко прописано, что блок питания следует равномерно нагружать при проведении нагрузочных тестов. Это вроде бы логично, только совершенно неверно и пора пояснить причину этого безобразного действа.
Начнем с простого – современный качественный и достаточно мощный блок питания обеспечивает по выходу 5 (и 3.3) вольта ток нагрузки до 25-30 ампер. Мощный БП, мощный выход, откуда проблемы? Дело в том, что пока еще существуют блоки питания с групповой стабилизацией каналов 12 В и 5 В и большая величина тока по каналу 5 В «бесплатной» не является. Если нагружать один из взаимосвязанных каналов (5<->12), то другой канал начинает повышать уровень выходного напряжения. Они не случайно называются «связанными» и применяется термин «групповая» стабилизация – блок питания оснащен лишь одной цепью общей стабилизации и при наличии связанного выхода 5 и 12 вольт нагрузка (или сброс оной) оказывает влияние на другом канале самым негативным образом. Если БП оборудован отдельными DC/DC преобразователями по выходам 5 В и 3.3 В, то проблема взаимовлияния каналов в нем не стоит столь остро.
Вернемся к блокам питания с групповой стабилизацией. Повышенная мощность выхода 5 В вызвана тем фактом, что обмотка трансформатора выполняется тем же, или аналогичным, проводом, что и обмотка цепи 12 В. То есть при мощном выходе 12 В сделать слабый канал 5 В просто невозможно, он «по-любому» выйдет с током не менее канала 12 В. Но, простите, кому сейчас нужен выход 5 В 25 А? Собираетесь что-то «варить»? На данный момент почти все цепи современного компьютера переведены на питание от цепи 12 В, а 5 В, в основном, используется для питания логики и усилителей дисковых накопителей.
Не надо быть семь пядей во лбу, чтобы угадать типичную конфигурацию дисковых накопителей в ближайшем будущем – иногда один SSD и один HDD. Ранее жесткие диски стоили не слишком дорого, но после известных природных катаклизмов цена на HDD перестала быть лояльной. Сюда стоит прибавить «дикие» емкости современных дисков, когда цифры на них проставляются от «1 Тбайт». Я понимаю, что быстрый интернет позволяет завалить любой объем дисковой системы, но емкости 1 Тбайт вполне достаточно для нормальной работы за компьютером. Впрочем, один жесткий диск по 5 В потребляет ток менее 0.5 ампера, что совершенно не вяжется с возможностью БП в 25-30 А. Вы приобретаете блок питания для работы системного блока с пятьюдесятью HDD? Что же говорить, современные БП давно уже ушли в маркетинг и его спецификации лишний раз это подтверждают.
Возвращаясь к нашей проблеме, тестирование БП по методике ATX/EPS требует обеспечить равномерную нагрузку по всем выходам, то есть создавать ток 25 А по каналу 5 В. И что это за ерунда, простите за прямоту? При снятии «КНХ» это сделать можно, все равно в этом измерении нет смысла, но как можно использовать полную нагрузку при измерении характеристик блока питания? В компьютере пользователя блок гарантированно никогда не попадет в эту зону нагрузочной области. Более типичны токи нагрузки 3-5 ампер, причем это значение будет снижаться в дальнейшем – современные материнские платы все меньше и меньше используют ее для своих нужд, а на разъем PCI Express цепь 5 В даже не выводится, что означает повсеместный отказ от нее.
Зачем «требуется» равномерная нагрузка по каналам 5 В и 12 В со стороны рекомендаций EPS (как и ATX, и прочих)? Все это в угоду производителей блоков питания, и, извините, в прямой ущерб качеству устройств для потребителей. Если в БП применяется групповая стабилизация, то несбалансированная нагрузка приведет к тому, что выходное напряжение канала 12 В понизится, а 5 В повысится. Кроме того, «старые» или «noname» блоки питания с групповой стабилизацией характеризируются примерно равной мощностью по выходу 12 В и 5 В. Если условия тестирования ограничат мощность по выходу 5 В более разумным значением (скажем 10 А), то это сразу снизит декларируемую мощность всего блока сразу на треть.
Напомню, для БП с групповой стабилизацией канал 5 В получил схожую мощность, как и канал 12 В, из-за особенностей исполнения силового трансформатора. Кроме потери в маркетинговой мощности, снижение предельного тока обяжет производителя поставить специальную цепь защиты по предельному току для данного выхода, по этому поводу существует четкое указание EPS пункт 7.2:
Используемые в современных блоках питания контроллеры выходных напряжений и токов нагрузки повсеместно не обладают такой функцией. Это означает, что в БП с групповой стабилизацией никогда не будет «низких» значений выходного тока цепи 5 В. Что же, это как раз тот случай, когда методика тестирования будет опираться на «здравый смысл», а не требования кого-то-там. И дело даже не в том, что «что-то неправильно» – эта «неправильность» приводит к заведомо неверной оценке качества блока питания для работы его у конечного пользователя.
Во время проведения испытаний блока питания установку максимальной нагрузки по каналу 5 В следует производить только в тестах, где прямо указывается максимальный ток по этому каналу – снятие нагрузочной характеристики канала 5 В, комплексной нагрузочной характеристики и измерение КПД. Последний режим попал в эту «тройку» лишь потому, что в нем требуется обеспечить максимально-возможную нагрузку на весь блок питания и качество/стабильность выходных напряжений отходит на второй план. Во всех остальных тестах по каналу 5 В должна создаваться «типичная» мощность нагрузки для данного режима работы. Обычно это составит ток нагрузки 4 ампера, вне зависимости от того, что написано в спецификации конкретного БП.
Вторая проблема «равномерного распределения» мощности нагрузки по каналам – это множественность выходов 12 В. В самом блоке питания одна-единственная шина 12 В, которая стабилизируется силовым преобразователем. «Множественность» выходов проистекает из требования 240 ВА/выход, описанного в различных нормативных документах. БП проектируется из условий соблюдения этого требования, но впоследствии может последовать «небольшая доработка» и БП потеряет функцию ограничения 20 А по каждому выходу. Это позволит нагружать блок питания произвольным образом и не вызовет его перегрузки. Конечно, если не превышено общее ограничение по мощности.
Хорошо это или плохо? Пока все идет нормально, ничего никуда не закорачивает и не сгорает, то отключение локальных цепей защиты воспринимается как бесспорное благо, но что делать в том случае, когда что-то сломается? Ограничение в 240 ВА было введено не на пустом месте, сгорание питающих разъемов и самих материнских плат вовсе не редкость.
Впрочем, вернемся к самому процессу тестирования блоков питания. Требование обеспечения равномерности нагрузки по всем выходам приводит к парадоксальному решению – авторы тестирования БП просто объединяют все выходы 12 В в одну цепь и ее нагружают на общую нагрузку. Иногда встречается разновидность, что создается две цепи 12 В – «на процессор» и «все остальное». Этот вариант несколько лучше предыдущего, но также изначально ущербен.
Для понимания сути проблемы следует посмотреть несколько в ином направлении, на разделение шины 12 В на выходы. Возьмем абстрактный рядовой блок питания повышенной мощности с несколькими выходами 12 В. Допустим, их будет четыре: 12V1, 12V2, 12V3 и 12V4. Положим, на каждом выходе присутствует локальная защита 20 А. Общая мощность БП, ну скажем, 1000 Вт – четыре 20 А составляют 80 А, или 960 Вт. Теперь надо подключить выходные «хвостики» к данным четырем выходам, например, так:
- 12V1: процессор;
- 12V2: материнская плата;
- 12V3: периферия (DVD/HDD);
- 12V4: PCI Express.
Вроде логично, да? Теперь берем калькулятор.
- 12V1: процессор – не более 120 Вт. Современный компьютер для системы 1000 Вт вряд ли будет собираться на ЦП AMD, а фирма Intel обеспечивает достаточно низкую мощность потребления своих изделий. Впрочем, можно написать и «150 Вт», на общем итоге это не скажется;
- 12V2: материнская плата - ну сколько может потреблять системная память? А все остальное на плате потребляет столько, что «плакать хочется». Из чего-то существенного остаются переключатели SATA, PCI-Express и некоторые дополнительные контроллеры (например, USB 3.0). Вы видели множество радиаторов на материнской плате? Там нечему греться, а значит, и нагружать цепь 12 В она не может. Итак, по данной позиции можно смело написать ноль (1-3 ампера погоду не сделают). Этот канал питания подается на PCI Express и может использоваться видеокартами. Вот только подобный прием пользуется «бюджетными» решениями, а мощные видеокарты обходятся внешним питанием;
- 12V3: периферия (DVD/HDD) – кажется, мы договорились, что пятидесяти HDD у обычного пользователя в компьютере не будет, да и более двух дисков нынче уже редкость. Современный HDD по цепи 12 В потребляет… копейки. Средний ток около 0.5 ампера. Даже если HDD будет несколько штук, все равно суммарный ток потребления не превысит одного-двух ампер. Здесь интересен именно «средний» ток, импульсный ток разгона шпинделя в данном случае не важен;
- 12V4: PCI Express – вот по этому выходу можно повесить сколько угодно видеокарт. «Обычная» модель высокой производительности потребляет до 240 Вт, практически в любую материнскую плату производительного компьютера можно установить две-три видеокарты.
Теперь «соберем» такой компьютер:
- Процессор 100 Вт (марка не важна);
- Материнская плата (марка не важна);
- Один SSD и один HDD;
- Две видеокарты верхнего диапазона производительности (240 Вт).
Просуммируем мощность: 100 Вт процессор, 20 Вт материнская плата (здесь и «10 Вт» много), 10 Вт дисковая система, 480 Вт видеокарты. Можно добавить еще 20 Вт на вентиляторы системы охлаждения, но это мелочи. Общая мощность потребления системы по цепи 12 В составит 630 Вт. Берем блок питания 1000 Вт, что здоооорово больше требуемых значений и собираем компьютер. Запуск первой же игры принесет сюрприз, системный блок отключится.
Опускаем традиционный танец с бубном, благо пример теоретический, и перейдем сразу к нашим баранам. Данный блок питания способен обеспечить 1000 Вт? – Да. Способен ли он сохранить работоспособность предложенного компьютера? – Нет. Бред какой-то. Цифра 630 меньше 1000, работать обязан, без вариантов! К тому же, тесты (в обзорах) на 1000 Вт этот блок проходит. Теперь посмотрим внимательно на карту распределения нагрузок по выходам 12 В.
- 12V1 – нагружен на 50%;
- 12V2 – не нагружен;
- 12V3 – не нагружен;
- 12V4 – перегружен.
Две видеокарты оказались подключены к одному выходу 12 В, что определяет максимальный ток на них только 20 амперами. То есть одну видеокарту этот БП выдержит, а две – увы. Итак, перед нами блок питания, который может выдавать 1000 Вт, но у конечного пользователя он способен обеспечить работоспособность системы не выше 400 Вт. Сравните цифры «1000» и «400», не возникает никаких мыслей? При этом прошу учесть, что оплачивать пришлось все 1000 Вт, а не 400. Вы можете мне возразить, что такой блок питания бред и такого не может быть. Согласен, что такой БП есть полнейший бред, но могу привести конкретную модель, которая была протестирована.
Если производитель сам разрабатывает свои блоки питания, то подобной глупости ждать не приходится. Иное дело «отверточная сборка», когда компания-производитель лишь собирает БП из готовых модулей (электронная плата, вентилятор, коробка) и именно она выполняет распределение выходов 12В на конечные выходы. И вот здесь возможно все.
Теперь представим, что произойдет с нашим «гм» (неудачным) блоком питания, если его тестируют на стенде с «общей» цепью 12 В. По идее, все каналы будут нагружены одинаково, коль скоро они все объединены, и блок питания получит одобрение. Ага, 400 из 1000 и одобрение. К слову, «тот схожий» БП получил только (!) хвалебные отзывы от тех, кто выполнял его тестирование. Вывод – тестеры используют общую цепь 12 В или создают строго равномерную нагрузку. Прочитали интересный материал, поразились довольно низкой цене – пора бежать в магазин? После сборки вас ждет подарок.
Существует ли способ обнаруживать недостатки блоков питания на стадии тестирования? Вроде бы очевидно – надо отказаться от надуманного производителем БП требования равномерной нагрузки и выполнять исследование работы на эмуляции реальной аппаратуры пользователя. По факту – собирать компьютер. В предыдущей версии тестового стенда у меня существовал специальный эмулятор работы HDD, который создавал жесткую импульсную нагрузку по цепи 12 В внешних устройств, но проведенные тестирования показали нецелесообразность выделения этого типа тестов в отдельное устройство стенда. Остальные не столь мощные нагрузки компьютера не представляют сколь-нибудь существенной величины и теряются на фоне потребления процессора и видеокарт.
В результате стенд несколько упростился и, с логической точки зрения, его можно представить в виде следующих дискретных нагрузок:
- 12 В процессор;
- 12 В видеокарта 1;
- 12 В видеокарта 2;
- 5 В;
- 3.3 В.
Под второй и третьей позицией понимается подключение нагрузки к разъемам питания PCI Express, получаемых от блока питания непосредственно или с помощью переходников Molex 12/5 на PCI Express, если количество данных разъемов на БП недостаточно (меньше двух). Данный способ подключения эмулирует использование блока питания в действительном компьютере и тщательно игнорирует распределение выходов 12 В внутри БП. При этом блок питания может не выдать полную мощность и виноват в этом будет… вообще-то, производитель. А раз источник проблемы «он», то и «тапки его». Конечного пользователя не волнует, что и как распаяно внутри БП. Может работать – хорошо. Нет – брак.
Продолжение следует…
реклама
Страницы материала
Теги
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила