Регулируемый блок питания с защитой от перегрузки. Защита от перегрузки блока питания компьютера
| Основа современного бизнеса - получение больших прибылей при сравнительно низких вложениях. Хотя этот путь и губителен для собственных отечественных разработок и промышленности, но бизнес есть бизнес. Тут либо вводи меры по предотвращению проникновения дешевых запцацак, либо делать на этом деньги. К примеру, если необходим дешевый блок питания, то не нужно изобретать и конструировать, убивая деньги, - просто нужно посмотреть на рынок распространенного китайского барахла и попытаться на его основе построить то, что необходимо. Рынок, как никогда, завален старыми и новыми компьютерными блока питания различной мощности. В этом блоке питания есть все что нужно - различные напряжения (+12 В, +5 В, +3,3 В, -12 В, -5 В), защиты этих напряжений от перенапряжения и от превышения тока. При этом компьютерные блоки питания типа ATX или TX имеют малый вес и небольшой размер. Конечно, блоки питания импульсные, но высокочастотных помех практически нет. При этом можно идти штатным проверенным способом и ставить обычный трансформатор с несколькими отводами и кучей диодных мостов, а регулирование осуществлять переменным резистором большой мощности. С точки зрения надежности трансформаторные блоки намного надежнее импульсных, ведь в импульсном блоки питания в несколько десятков раз больше деталей, чем в трансформаторном блоке питания типа СССР и если каждый элемент по надежности несколько меньше единицы, то общая надежность является произведением всех элементов и как результат - импульсные блоки питания по надежности намного меньше трансформаторных в несколько десятков раз. Кажется, что если так, то нечего городить огород и следует отказаться от импульсных блоков питания. Но тут более важным фактором, чем надежность, в нашей действительности является гибкость производства, а импульсные блоки достаточно просто могут трансформироваться и перестраиваться под совершенно любую технику в зависимости от требований производства. Вторым фактором является торговля запцацками. При достаточном уровне конкуренции производитель стремится отдать товар по себестоимости, при этом достаточно точно рассчитать время гарантии с тем, чтобы оборудование выходило из строя на следующей неделе, после окончания гарантии и клиент покупал бы запчасти по завышенным ценам. Порой доходит до того, что легче купить новую технику, чем чинить у производителя его бэушку. Для нас вполне нормально вместо сгоревшего блока питания вкрутить транс или подпереть красную кнопку пуска газа в духовках "Дефект" столовой ложкой, а не покупать новую часть. Наш менталитет четко просекают китайцы и стремятся делать свои товары неремонтопригодными, но мы как на войне, умудряемся ремонтировать и усовершенствовать их ненадежную технику, а если уже все - "труба", то хоть какую-нить запцацку снять и вкидануть в другое оборудование. Мне стал нужен блок питания для проверки электронных компонентов с регулируемым напряжением до 30 В. Был трансформатор, но регулировать через резак - несерьезно, да и вольтаж будет плавать на разных токах, а вот был старенький блоки питания ATX от компа. Зародилась идея приспособить комповский блок под регулируемый источник питания. Прогуглив тему, нашел несколько переделок, но все они предлагали радикально выкинуть всю защиту и фильтры, а мы бы хотелось сохранить весь блок на случай, если придется использовать его по прямому назначению. Поэтому я начал эксперименты. Цель - не вырезая начинку создать регулируемый блок питания с пределами изменения напряжений от 0 до 30 В. Блок для опытов попался достаточно старый, слабый, но напичканный множеством фильтров. Блок был в пыли и поэтому перед запуском я его вскрыл и почистил. Вид деталей подозрений не вызвал. Раз все устраивает - можно делать пробный пуск и измерить все напряжения. +12 В - желтый +5 В - красный +3,3 В - оранжевый -5 В - белый -12 В - синий 0 - черный
По входу блока стоит предохранитель, а рядом напечатан тип блока LC16161D.
Блок типа ATX имеет разъем для подсоединения его к материнской плате. Простое включение блока в розетку не включает сам блок. Материнская плата замыкает два контакта на разъеме. Если их замкнуть - блок включится и вентилятор - индикатор включения - начнет вращение. Цвет проводов, которые нужно замыкать для включения, указан на крышке блока, но обычно это "черный" и "зеленый". Нужно вставить перемычку и включить блок в розетку. Если убрать перемычку блок отключится. Блок TX включается от кнопки, которая находится на кабеле, выходящем из блока питания.
Понятно, что блок рабочий и прежде чем начать переделку, нужно выпаять предохранитель, стоящий по входу, и впаять вместо него патрон с лампочкой накаливания. Чем больше по мощности лампа, тем меньше напряжения будет на ней падать при тестах. Лампа защитит блок питания от всех перегрузок и пробоев и не даст выгореть элементам. При этом импульсные блоки практически нечувствительны к падению напряжения в питающей сети, т.е. лампа хоть и будет светить и кушать киловатты, но по выходным напряжениям просадки от лампы не будет. Лампа у меня на 220 В, 300 Вт.
Блоки строятся на управляющей микросхеме TL494 или ее аналог KA7500 . Также часто используется компоратор на микрухе LM339 . Вся обвязка приходит сюда и именно здесь придется делать основные изменения.
Напряжения в норме, блок рабочий. Приступаем к усовершенствованию блока по регулированию напряжений. Блок импульсный и регулирование происходит за счет регулирования длительности открытия входных транзисторов. Кстати, всегда думал, что колебают всю нагрузку полевые транзисторы, но, на самом деле, используются также быстрые переключающиеся биполярные транзисторы типа 13007, которые устанавливаются и в энергосберегающих лампах. В схеме блока питания нужно найти резистор между 1 ножкой микросхемы TL494 и шиной питания +12 В. В данной схеме он обозначается R34 = 39,2 кОм. Рядом установлен резистор R33 = 9 кОм, который связывает шину +5 В и 1 ножку микросхемы TL494. Замена резистора R33 ни к чему не приводит. Нужно заменить резистор R34 переменным резистором 40 кОм, можно и больше, но поднять напряжение по шине +12 В получилось только до уровня +15 В, поэтому в завышении сопротивления резистора смысла нет. Здесь идея в том, что чем выше сопротивление, тем выше выходное напряжение. При этом до бесконечности напряжение не увеличится. Напряжение между шинами +12 В и -12 В изменяется от 5 до 28 В.
Найти нужный резистор можно проследив дорожки по плате, либо при помощи омметра.
Выставляем переменный впаянный резистор в минимальное сопротивление и обязательно подключаем вольтметр. Без вольтметра тяжело определить изменение напряжений. Включаем блок и на вольтметре на шине +12 В установилось напряжение 2,5 В, при этом вентилятор не крутится, а блок питания немного поет на высокой частоте, что указывает на работу ШИМ на сравнительно небольшой частоте. Крутим переменный резистор и видим увеличение напряжений на всех шинах. Вентилятор включается примерно на +5 В. Замеряем все напряжения по шинам +12 В: +2,5 ... +13,5 +5 В: +1,1 ... +5,7 +3,3 В: +0,8 ... 3,5 -12 В: -2,1 ... -13 -5 В: -0,3 ... -5,7
Напряжения в норме, кроме шины -12 В, и их можно варьировать для получения необходимых напряжений. Но компьютерные блоки сделаны так, чтобы по отрицательным шинам защита срабатывала при достаточно малых токах. Можно взять автомобильную лампочку на 12 В и включить между шиной +12 В и шиной 0. При увеличении напряжения лампочка станет светить все более ярко. При этом постепенно будет светить и лампа, включенная вместо предохранителя. Если включить лампочку между шиной -12 В и шиной 0, то при малом напряжении лампочка светится, но при определенном токе потребления блок уйдет в защиту. Защита срабатывает на ток порядка 0,3 А. Защита по току выполнена на резистивно-диодном делителе, чтобы его обмануть, нужно отключить диод между шиной -5 В и средней точкой, которая соединяет шину -12 В с резистором. Можно обрубить два стабилитрона ZD1 и ZD2. Стабилитроны применены как защита от перенапряжения и конкретно здесь через стабилитрон идет и защита по току. По крайней мере с шины - 12 В удалось взять 8 А, но это чревато пробоем микрухи обратной связи. В итоге путь тупиковый обрубать стабилитроны, а вот диод - вполне.
Для проверки блока нужно использовать переменную нагрузку. Наиболее рациональным является кусок спирали от нагревателя. Витой нихром - вот все что нужно. Для проверки включается нихром через амперметр между выводом -12 В и +12 В, регулируем напряжение и измеряем ток. Выходные диоды для отрицательных напряжений значительно меньше тех, которые используются для положительных напряжений. Нагрузка соответственно также ниже. Более того, если в положительных каналах стоят сборки из диодов Шоттки, то в отрицательных каналах впаян обычный диод. Порой его припаивают к пластинке - типа радиатор, но это бред и для того чтобы поднять ток в канале -12 В нужно заменить диод, на что-то более сильное, но при этом сборки из диодов Шоттки у меня сгорели, а вот обычные диоды вполне неплохо тянули. Следует отметить, что защита не срабатывает, если нагрузка включена между разными шинами без шины 0. Последним тестом является защита от короткого замыкания. Коротим накоротко блок. Защита работает только на шине +12 В, ведь стабилитроны отключили практически всю защиту. Все остальные шины по короткому не отключают блок. В итоге получен регулируемый блок питания из компьютерного блока с заменой одного элемента. Быстро, а значит экономически целесообразно. При тестах выяснилось, что если быстро крутить ручку регулировки, то ШИМ не успевает перестроиться и выбивает микруху обратной связи KA5H0165R , а лампа загорается очень ярко, затем входные силовые биполюсные транзисторы KSE13007 могут вылететь, если вместо лампы предохранитель.
Короче, все работает, но достаточно ненадежно. В таком виде нужно использовать только регулируемую шину +12 В и неинтересно медленно крутить ШИМ.
Вторым экспериментом стал древнющий блок питания TX. Такой блок имеет кнопочку для включения - достаточно удобно. Переделку начинаем с перепайки резистора между +12 В и первой ножкой микрухи TL494. Резистор от +12 В и 1 ножкой ставится переменный на 40 кОм. Это дает возможность получить регулируемые напряжения. Все защиты остаются. Далее нужно изменить пределы тока для отрицательных шин. Я впаял резистор, который выпаял из шины +12 В, и впаял в разрыв шины 0 и 11 ножкой микрухи TL339. Там уже стоял один резистор. Предел токов изменился, но при подключении нагрузки напряжение на шине -12 В сильно падало при увеличении тока. Скорее всего просаживает всю линию отрицательного напряжения. Потом я заменил перепаянный резак на переменный резистор - для подбора срабатываний по току. Но получилось неважно - нечетко срабатывает. Надо будет попробовать убрать этот дополнительный резистор.
Измерение параметров дало следующие результаты:
Перепайку я начал с выпрямительных диодов. Диодов два и они достаточно слабые.
Диоды я взял от старого блока. Диодные сборки S20C40C - Шоттки, рассчитанные на ток 20 А и напряжение 40 В, но ничего путного не получилось. Либо сборки такие были, но один сгорел и я просто впаял два более сильных диодов.
Влепил разрезанные радиаторы и на них диоды. Диоды стали сильно греться и накрылись :) , но даже с более сильными диодами напряжение на шине -12 В так и не пожелало опуститься до -15 В.
После перепайки двух резисторов и двух диодов можно было скрутить блок питания и включить нагрузку. Вначале использовал нагрузку в виде лампочки, а измерял напряжение и ток по отдельности.
Затем перестал париться, нашел переменный резистор из нихрома, мультиметр Ц4353 - измерял напряжение, а цифровым - ток. Получился неплохой тандем. По мере увеличения нагрузки напряжение незначительно падало, ток рос, но грузил я только до 6 А, а лампа по входу светилась в четверть накала. При достижении максимального напряжения лампа по входу засветилась на половинную мощность, а напряжение на нагрузке несколько просело.
По большому счету переделка удалась. Правда, если включаться между шинами +12 В и -12 В, то защита не работает, но в остальном все четко. Всем удачных переделок. |
www.volt-220.com
Зарядник свинцового аккумулятора из компютерного БП
Зарядник свинцового аккумулятора из компьютерного БП
Задача в общем-то распространенная, особенно среди автовладельцев зимой. Решается двумя путями — купить или сделать самому. Насчет купить — недорогие китайские зарядники в розетку включать страшно, приличные типа кедра, ориона и т.п. не выдерживают борьбы с жабой. А старые компьютерные БП при желании можно найти бесплатно, т.к. в сервисах их просто выкидывают. Вот и я решил применить подобный БП. Дешево и сердито + не надо настраивать силовую часть. Делалось в три этапа: 1. Простейший. Поднял выходное напряжение 12В до 14.4В. Выдернул контакты из разъема питания HDD, желтый и черный, к клеммам цеплял прищепками, все работало :) 2. Прищепки стали некошерны, бывали глюки от защиты, с током непонятки, пришлось модернизировать — добавился стабилизатор тока, отключены защиты, к проводам добавились крокодилы. 3. Добавил индикатор напряжения и тока, спасибо братьям-китайцам, цена вопроса чуть меньше 5$. т.е. красота требует жертв — финансовых :) первые два этапа обошлись даром, за исключением крокодилов +2$ за пару. Кому интересны подробности — под кат: "> Уточнение — все нижесказанное касается БП на базе TL494, 7500 и пр. аналогов.Этап 1. Корректировка напряжения
Собственно во всех блоках питания напряжение можно скорректировать изменяя сопротивление резисторов делителя ОС. Есть две проблемы: во-первых БП постороены так, что бы контролировать два напряжения +12В и +5В, при этом канал +5В основной. Это решается просто, резистор с выхода +5В убираем. получаем классический делитель, осталось подобрать сопротивления резистора для получения на выходе напряжения 13.8...14.4В. По выбору напряжения читаем соответствующие форумы :) Пересказывать лень. Искать эти резисторы проще всего по следующему принципу — они идут с цепей +5В и +12В на ножку 1 TL494. От ножки 1 есть еще резистор на землю — это нижний резистор делителя, при этом из бывает два параллельных — для повышения точности и упрощения подбора по стандартным рядам. Проблема вторая — на канал +5В завязана защита от перенапряжения, и ее надо убирать и делать это сложнее, схемы защиты все разные, разбираться тяжело, поэтому это дело лучше убирать сразу, а не как я — вторым этапом. Собственно суть в следующем, с цепи +5В идет резистор на компаратор LM393 и там так же нужно убирать лишнее, но бывает что защита сделана на транзисторах или еще как то хитро, решается индивидуально и не всегда надежно, поэтому перехожу сразу ко второму этапу.Этап 2. Стабилизация тока и защита
Независимо от реализации защиты сводится она к контролю уровня DeadTime (вывод 4) TL494. Таким образом, что бы полностью отключить защиту, достаточно отрезать все дорожки от ножки 4 и подключить ее к общему проводу (вывод 7 TL494). Для параноиков можно небольшое мертвое время оставить, для этого на вывод 4 подать напряжение 50-100мВ через делитель с выхода Vref (14). Делитель 10к верхний резистор, 1кОм нижний. Для перфекционистов — не сочтите за оскорбление :) можно параллельно верхнему резистору добавить конденсатор на 10-47мкФ — будет плавный пуск. Не отношу себя ни к первым, ни ко вторым, поэтому ножку 4 просто заземлил.Стабилизация тока делается по схеме на рисунке 1.
На рисунке показаны новые цепи, при этом выводы 15 и 16 должны быть отрезаны от старых цепей, а к выводам 3 и 14 новые детали подключатся дополнительно.. Это важно, так как на выводы 3 и 14 еще заведены аналогичные цепи с ОС по напряжению.
Поясню назначение элементов — R1 датчик тока, собственно с него снимается напряжение. т.е. при токе 5А падение напряжения будет 0,5В. R2C1 — простейший фильтр, R3RV1 задают ток, соответсвенно для тока 0,5А на среднем выводе потенциометра должно быть 0,5В.R4R5C2 — задают параметры усилителя ошибки, такие как коэф. усиления и постоянную времени. Кому нужны подробности — внимательно читают титце-шенка главу про автоматическое управление.
Недостатком данной схемы является то, что датчик тока будет влиять на напряжение, т.е. реальное напряжение на аккумуляторе при токе заряда 5А будет на 0,5В ниже чем планировалось. НО, во-первых при увеличении напряжения ток будет падать, и при полном заряде это влияние существенно меньше, во-вторых просто, все остальные варианты требуют дополнительных деталей, типа ОУ и т.д. и получается уже совсем не конструкция выходного дня.
Этап 3. Индикация
Наличие токовых клещей и мультиметра конечно позволяет контролировать процесс, но сильно напрягает лишним движняком. Итак, лень — двигатель прогресса и добавилась вот такая штука
покупал эту штуку там . Из особенностей подключения — для улучшения точности показаний минус питания и входа подключены к точке между резисторами R1R2 рисунка 1. Это позволяет избежать влияния резистора R1. + питания для индикатора брал с дежурного источника или с питания 494, оттуда же взято и питание вентилятора. Для AT-блоков питания может не быть, тогда будут проблемы с глубоко разряженными аккумуляторами. И еще — индикатор занижает напряжение на 0,1В, разбираться не стал.Ну и в итоге получилась такая штука
Вид внутри
и снаружи
Ну вроде все. Из нюансов — на старых БП канал +12В довольно слабый, поэтому диоды шоттки заменил на более мощные, выковыряв из 5В цепи.
Ну и по выходному напряжению тоже ставил подстроечник что бы можно было регулировать. Провода на аккум потолще, чтоб падения напряжения не было. Вроде все. Наверное все переделки заняли меньше времени чем написание статьи :)
we.easyelectronics.ru
Схемы защиты
В спецификации качественного блока питания должны быть указаны меры защиты, такие как: UVP, OVP, SCP, OPP, OCP, OTP.
В характеристиках дешевых блоков питания могут быть указаны не все схемы защиты или вообще не указываться. Если производитель не упомянул о схемах защиты, то это не значит, что они отсутствуют. Для того, чтобы узнать какие именно меры защиты используются в вашем блоке питания – придется заглянуть внутрь. Чаще всего используют OPP и SCP – т.е. обычный предохранитель. А такой защиты не всегда может хватить и в случае ЧП, придется заниматься самостоятельным ремонтом материнской платы, блока питания и тд. Почему самостоятельным ремонтом? Вы ведь сэкономили на БП, зачем еще тратить деньги на сервисный центр.
Схемы защиты
Схемы защиты в блоках питания предназначены для отключения основных выходов при сбоях. Определить какие схемы защит установлены в вашем блоке питания можно по спецификации производителя.
Качественные блоки питания оснащены всеми схемами защиты, которые перечислены ниже:
UVP (Under Voltage Protection) – защита от низкого напряжения;OVP (Over Voltage Protection) – защита от превышения выходных напряжений;SCP (Short Circuit Protection) – защита от короткого замыкания. Защита обязательна для всех блоков питания стандарта ATX12V;OPP (Over Power Protection) или OLP – защита от перегрузки по суммарной мощности по всем каналам;OCP (Over Current Protection) – защищает от скачков тока при перегрузке любого из выходов;OTP (Over Temperature Protection) – защита от перегрева. Максимальная температура во время работы не должна быть выше +50°С
Если производитель не указал схемы защиты в характеристиках блока питания, то необходимо брать отвертку и снимать крышку блока питания, чтобы увидеть, какие схемы защит установлены.
На этом снимке можно увидеть чип The Weltrend WT7517 IC, который обеспечивает OVP и UVP – защиту от превышения и понижения выходных напряжений всех трех входов напряжения (3,3 В, 5В, 12В)
Обычный предохранитель или OPP или SCP. Такой защиты недостаточно, и без чипа защиты компьютерные комплектующие могут находиться под некоторой угрозой.
hardwareguide.ru
Регулируемый блок питания с защитой от перегрузки
При настройке всевозможных радиоэлектронных устройств зачастую бывает, необходим блок питания, в котором реализована функция плавной регулировки, как выходного напряжения, так и значения тока по перегрузке.
Защита блока питания от перегрузки
В большинстве простых блоков, реализована защита блока питания от перегрузки только по превышению максимального тока нагрузки. Подобная электронная защита, главным образом, предназначается для самого блока питания, а не для подключенной к нему нагрузки.
Для надежного функционирования, как блока питания, так и подсоединенного к нему электронного устройства, желательно иметь возможность изменения порога срабатывания защиты по току в больших пределах, причем при срабатывании защиты подключенная нагрузка должна быть обесточена.
Приведенная в данной статье схема является еще одним вариантом лабораторного блока питания, позволяющая производить плавную регулировку всех перечисленных выше параметров.
Описание работы регулируемого блока питания
На операционном усилителе LM358 (DA1.1) построен регулируемый стабилизатор напряжения. С вывода потенциометра R2 на его прямой вход (вывод 3) идет опорное напряжение, величина которого устанавливается стабилитроном VD1, а на инверсный вход (вывод 2) поступает потенциал ООС с эмиттера транзистора VT1 через резисторный делитель напряжения R10 и R7.
Отрицательно обратная связь создает баланс напряжений на обоих входах ОУ LM358, возмещая воздействие дестабилизирующих причин. Путем вращения ручки потенциометра R2 осуществляется изменение выходного напряжения блока питания.
Блок защиты от перегрузки по току построен на втором операционном усилителе DA1.2, входящем в состав микросхемы LM358 , который используется в данной схеме в качестве компаратора. На его прямой вход через сопротивление R14 идет напряжение с датчика тока нагрузки (сопротивление R13), а на инверсный вход поступает опорное напряжение, постоянство которого обеспечивает диод VD2.
До тех пор пока падение напряжения, формируемое током нагрузки на сопротивлении R13, ниже опорного, потенциал на выходе 7 операционного усилителя DA1.2 практически равен нулю. В том случае, если ток нагрузки превзойдет допустимый, потенциал на выходе DA1.2 возрастет до напряжения питания. В результате этого через сопротивление R9 пойдет ток, который откроет транзистор VT2 и зажжет светодиод HL1. Диод VD3 начинает пропускать ток и сквозь сопротивление R11 шунтирует электрическую цепь ПОС. Транзистор VT2 подсоединяет сопротивление R12 параллельно стабилитрону VD1, и как следствие этого напряжение на выходе блока питания снижается фактически до нуля из-за закрытия транзистора VT1.
Заново подключить нагрузку возможно непродолжительным выключением сетевого питания или путем нажатия на кнопку SA1. Для защиты транзистора VT1 от обратного напряжения, идущего с емкости С5, которое возникает при отсоединении нагрузки от блока питания, в схему добавлен диод VD4.
Детали блока питания
Транзистор VT2 возможно поменять на КТ315Б - КТ315Е. Транзистор VT1 можно заменить на произвольный из серий КТ827, КТ829. Диоды VD2 - VD4 возможно применить КД522Б. Сопротивление R13 возможно собрать из трех впараллель соединенных резисторов МЛТ-1 сопротивлением по 1 Ом каждый. Стабилитрон VD1 любой с напряжением стабилизации 7...8 вольт и током от 3 до 8 мА. Емкости СЗ, С4 произвольные пленочные или керамические. Электролитические конденсаторы: С1 - К50-18 или аналогичный зарубежный, другие - марки К50-35. Кнопка SA1 без фиксации.
Источник: Радио, 9/2005
www.joyta.ru
ПРОСТОЙ БЛОК ПИТАНИЯ С ЗАЩИТОЙ
Форум по блокам питания
Обсудить статью ПРОСТОЙ БЛОК ПИТАНИЯ С ЗАЩИТОЙ
radioskot.ru
Методика тестирования блоков питания
Многие IT-издания ежемесячно публикуют массы материалов с различными тестами всевозможных процессоров, видеоадаптеров, материнских плат, памяти и жестких дисков. Но вот тесты блоков питания проводят очень немногие, поскольку это связано с техническими особенностями и необходимостью инженерного опыта и знаний принципов работы импульсных источников питания. И сегодня, на страницах Modlabs.net открываем цикл статей, посвященных тестированию блоков питания для персональных компьютеров. Наличие качественного и надежного блока питания критически важно для обеспечения бесперебойной работы любой системы. А когда комплектующие подвергнуты серьезному разгону с применением кастомных систем охлаждения и вольтмодами то качество электропитания и стабильность всех напряжений становится одним из ключевых средств для стабильного и безошибочного функционирования компьютера. Однако достаточно слов, приступим к обзору характеристик, которыми обладает любой импульсный блок питания предназначенный для питания компьютерной техники.
Стандарты и типы блоков питания
Все продаваемые в рознице блоки питания для домашних и офисных ПК должны соответствовать стандарту ATX версии 2 и более новой. Серверные блоки питания обычно сертифицируются по более жесткому SSI EPS, который принципиально схож с ATX. С конкретными величинами и характеристиками можно ознакомиться, скачав стандарты по ссылкам в конце статьи, а пока рассмотрим несколько ключевых характеристик и их значение. Эта документация предназначается производителям блоков питания для обеспечения совместимости их аппаратуры с общепринятым стандартом. Сюда входят геометрические, механические и, конечно же, электрические характеристики устройств. Каждый из блоков питания для компьютеров должен быть протестирован и отвечать всем требованиям стандартов.
Входные характеристики
Блок питания обязан нормально работать при напряжении в сети 90-140В для сетей 110В и 180-264 для сетей 220В, при частоте от 47 до 63Гц. Напряжение ниже указанных, не должно приводить к повреждению схем блока питания. Пропажа сетевого напряжения на любой период времени, в любой момент работы также не должно приводить к неисправности блока. При включении, ток зарядки высоковольтных конденсаторов не должен превышать номинальные значения входных цепей (предохранитель, выпрямительные диоды и схемы ограничения тока). Существует миф, что более мощный блок питания потребляет больше мощности из розетки, в сравнении по сравнению с маломощным дешевым аналогом. В действительности, часто имеет место обратная ситуация. Каждый блок имеет потери энергии при преобразовании сетевого напряжения в низковольтное постоянное, потребляемое компонентами компьютера. КПД (коэффициент полезного действия, или эффективность) современного дешевого блока обычно колеблется около величины 65-70%, тогда как более дорогие модели могут обеспечивать эффективность работы 85% или даже лучше. Например, подключив оба блока к нагрузке 200 Вт (приблизительно столько потребляет большинство компьютеров) получим потери 70 Вт в первом случае, и только 30 Вт во втором. 40 ватт экономии при ежедневной работе компьютера по 5 часов в сутки и 30-денному месяцы помогут сэкономить 6 кВт на счете за электроэнергию. Конечно, это мизерная цифра для одного ПК, но если взять уже офис на 100 компьютеров, то цифра может оказаться заметной. Также стоит учесть, что эффективность преобразования разная при разной мощности нагрузки. А раз пик максимального КПД приходится на 50-70% диапазон нагрузки, то практического смысла в приобретении БП с двукратным и более запасом мощности нет. Эффективность работы должна превышать 70% для полной нагрузки, и 65% для 20%-ной нагрузки. При этом рекомендованная эффективность как минимум 75% или лучше. Существует добровольная система сертификации для производителей, известная как Plus 80. Все источники питания принимают участие в этой программе имеют эффективность свыше 80%. На данный момент список участников-производителей в инициативе Plus 80 включает больше 60 наименований.
Напряжения и токи
Одна из ключевых характеристик - уровень напряжения по каждому из каналов блока питания. Современны блоки питания ATX выдают напряжения +12, +5, +3.3 и -12В, а также дополнительное дежурное +5В и несколько дополнительные сигнальный линий. Если отклонение напряжения ниже чем 5-10% порог, значительно увеличивается вероятность появления сбоев в работе компьютера, или спонтанное пере загрузки во время загрузки на процессор либо видеокарту. Слишком высокое напряжение негативно сказывается на тепловом режиме работы преобразователей напряжения на материнской плате и платах расширения, а также способно вывести из строя чувствительные контроллеры винчестеров, или вызвать повышенный износ. В лояльном ATX Power Supply Design Guide по каналу +12В допустимо 10% отклонение при пиковой нагрузке, однако напряжение по каналу +12V2 (который обычно предназначается для питания процессора), не должно снизиться ниже +11 В. Однако на практике часто уже даже 11.6В вызывает сбои в работе видеокарт. Не менее важным является и контроль импульсных помех (пульсаций) напряжения на каждой из линий. Допустимые рамки описаны в стандарте как обязательные, согласно стандарту SSI EPS 2.91 PSDG. Источниками пульсаций обычно являются схемы преобразователей внутри самого блока питания, а также мощные потребители с импульсным характером потребления, такие как процессоры, платы обработки трехмерных изображений, жесткие диски
Узлы защиты от повреждений
Блок питания должен иметь схемы защиты, которые отключат основные выходы при нештатных ситуациях. Защита должна блокировать повторный запуск к повторному появлению сигнала включения на проводе PSON. Защита от перегрузки по току (Over Current Protection, OCP) обязательный для линий 3.3 5, 12 -12, 5(дежурное) минимальный порог срабатывания - 110%, максимальный 150%. При перегрузке блок обязан выключится и не включаться до появление сигнала включения. Защита от перенапряжения (Over Voltage Protection, OVP) также обязательна и должна отслеживаться внутри самого источника питания. Напряжение никогда не должно превышать указанные в стандарте в любой момент времени. Защита от перегрева (Over Temperature Protection, OTP) блоков питания не является обязательной функцией, потому весьма важно соблюдать условия эксплуатации источников питания в тесных корпусах или в местах с ухудшенной вентиляцией. Максимальная температура воздуха во время работы не должна превышать 50°С. Защита от короткого замыкания (Short Curcuit Protection, SCP) - является обязательной для всех блоков питания, проверяется кратковременным подключением силовой шины между каналами и землей блока питания.Кабели и различные разъемы
Современные блоки питания оснащаются рядом кабелей со стандартными разъемами, которые описаны в стандартах ATX и EPS. Материнская плата подключается 24-контактным (ранее был 20-контактный) разъемом с двухрядным расположением контактов, стандарта MiniFit. Конвертор напряжения питания процессора использует отдельный канал для питания, и оснащается 8\4-контактным разъемом MiniFit. Видеокарты используют кабели с напряжением +12В, с 6-ти и 8-ми контактными разъемами такого же типа, как и процессорный. SATA-устройства используют свой собственный проприетарный разъем с напряжениями +5, +3.3 и +12В. Периферийные устройства и старые накопители довольствуются давно существующими 4-контактными Molex с напряжениями +5 и +12В. Многие производители упаковывают кабели в нейлоновую оплетку, которая аккуратно выглядит и более удобна. Иногда доходит и до крайностей, как у Topower с толстыми экранированными кабелями с пластиковой трубке, или до черных одноцветных шин как у блоков Ultra. Также модно делать кабели отключаемыми от блока питания, что якобы удобнее и позволяет избавиться от пучка просто свисающих от БП проводов. Но, во-первых, удобство спорно, хотя бы из-за плотности, с какой расположены разъемы для подключения модульных кабелей, да и большой возможности воткнуть кабель не в свой разъем, например подключив жесткий диск к разъему питания видеокарт. Хорошо если защита в блоке питания сработает раньше, чем сгорит винчестер, а если нет? А во вторых, часто меняют комплектующие и кабели в компьютере разве что энтузиасты-оверклокеры и заядлые игроки, проводящие апгрейд каждый месяц. К тому же модульные разъемы хоть и несильно, но ухудшают электрический контакт, появляется еще один узел, где возможен плохой контакт или замыкание, разъемы стоят денег и удорожают монтаж блока.
Системы охлаждения блоков питания
Почти все блоки питания оснащаются вентилятором для активного охлаждения компонентов внутри корпуса. Кроме этого, вентилятор также выбрасывает подогретый воздух внутри корпуса компьютера наружу в окружающую среду. Большинство современных источников питания имеют вентилятор размера 120мм, расположенный на нижней стенке кожуха. Все чаще встречаются модели с вентилятором 135 или даже 140 мм, благодаря чему можно добиться снижения уровня шума при сохранении эффективности охлаждения. Однако в старших мощных (более чем 700 Вт) моделях, как и раньше, применяется вентилятор типоразмера 80х80мм в задней торцевой стенке. Возможно также вариации с использованием разного расположения вентилятора, или применением нескольких вентиляторов. Почти все блоки оснащены схемой динамического управления оборотами вентиляторов, в зависимости от температуры внутри БП (чаще всего температуры радиатора с диодами стабилизатора). Некоторые производители рассчитывают и указывают мощность блока питания при сниженной температуре 25°С, или даже 15°С, и попытка нагрузить указанной мощностью подобный прибор при повышенной температуре окружающей среды может привести к неприятному финалу и порчи комплектующих и самого блока питания. Это именно тот случай, когда примечание шестым пунктом снизу имеет значение.
Стенд для тестирования
Для проверки соответствует ли любой экземпляр блока питания рекламным заявлениям производителя, специально для обзоров был спроектирован и изготовлен испытательный стенд. Итоговый прибор, сравнявшись по стоимости с топовыми процессорами, в какой-то мере является микрокомпьютером, способным в автоматическом режиме проводить измерения всех каналов напряжения, отслеживать действующие на линиях токи и проводить всесторонние тесты узлов БП. Основные возможности стенда таковы:
" Включение\отключение блока питания, замер длительности включения\отключения блока " Непрерывный мониторинг напряжений на всех каналах блока питания " Непрерывный мониторинг токов на всех силовых каналах блока питания (кроме -12В) " Непрерывное слежение за температурами внутри стенда и на выходе из БП " Возможность подключения осциллографа, для замера пульсаций и слежения за шумом " Отслеживание и защита от повреждений при аварийных ситуациях " Возможность снятия кросс-нагрузочных характеристик и оценка по каждому основных напряжений. " Приближенные к реальным условиям использования БП в ПК профили тестирования " Гибкие возможности расширения и поддержка дополнительных модулей " Модуль измерения характеристик электросети (сетевое переменное напряжение, частота и ток) " Интерфейс для связи и управления к компьютеру USB 2.0 " Поддержка операционных систем Windows 2000/2003/Vista, включая 64-бит версии. " Автономное сетевое питание от электросети 220В 50Гц " Переносимость и небольшие габариты устройства.
Стенд имеет 8 каналов нагрузки, полностью управляемые, и способны потреблять ток более 30 ампер. Так как нагрузка стенда построена с использованием мощных полевых транзисторов, точность и возможности установки тока потребления легко варьировать в широких пределах. Шаг задания тока на всех каналах - 50мА, но при тестах в ручном режиме используются более большие шаги. 6 каналов подключены к различным разъемам с напряжением +12В, 1 канал создает нагрузку на +5В, и еще один - на +3.3В. Также имеется неуправляемый канал +5Vstb создающий нагрузку 1.5А, неизменную во время всех тестов, и канал для создания нагрузки 0.3А на линии -12В. Суммарно испытательный стенд позволяет тестировать блоки питания с мощностью до 1700Вт, при температуре окружающей среды не выше +25°С. Одна только мощность потребляемая вентиляторами достигает величины 80Вт по каналу +12В, поэтому стенд питается от собственного автономного блока питания.
Все вентиляторы снабжены защитными решетками, чтобы защитить оборудование и любопытствующих от травм, поскольку мощный вентилятор с агрессивными лопастями подобен мясорубке. Шум от работающего на полной мощности стенда легко заглушает даже самые громкие системы охлаждения видеокарт и процессоров. Поэтому на данный момент никаких оценок и замеров шумности тестируемых блоков не проводится. Итоговая упрощенная схема подключения испытуемого блока питания представлена на рисунке
На рисунке отображены только два провода на блок нагрузки, однако на самом деле их двадцать, так как одновременно подключаются все имеющиеся каналы и линии. Во время начальных испытаний стенд был смонтирован на монолитном алюминиевом радиаторе 500х122х38 мм.
В дальнейшем, для приближения тестовых условий работы изучаемого БП к реальным условиям использования внутри компьютера весь стенд собран внутри серийного компьютерного корпуса Thermaltake Soprano RS 100, с учетом модификаций шасси для крепления блоков стенда. Ведь в реальном компьютере, блок питания работает в сложных тепловых режимах, когда мощный процессор и видеокарты довольно значительно подогревают воздух внутри корпуса, а вентилятор блока питания уже горячим воздухом обдувает узлы блока питания. Тесты же блока питания вне корпуса не учитывают этого, и блоки работают в тепличных условиях даже при полной мощности нагрузки. В нашем стенде испытуемый блок питания устанавливается в заводское монтажное место, расположенное сверху слева, согласно стандарту АТХ. Подключаемые кабели от блока питания выводятся наружу к плате с разъемами через отверстие в крыше корпуса. Такой подход позволяет быстро менять схему подключения нагрузок, контролировать нагрев кабелей, подключать измерительные приборы для дополнительного контроля.
В нижней части, там, где в компьютерах располагаются системная плата с процессором, видеокартой и винчестеры в стендовом корпусе закреплены три массивных радиатора из алюминия, с установленными модулями нагрузок. На верхнем из них расположены нагрузки каналов +3.3 и +12V6, на среднем - три канала +12V1, +12V2, +5, а на нижнем оставшиеся +12V3, +12V4, +12V5 и дежурное +5Vstb. Радиаторы во время работы на полной мощности сильно разогреваются, вплоть до температур +100°С. Для охлаждения использовано шесть мощных вентиляторов типоразмера 120х120х38мм, со скоростью вращения крыльчатки около 4000-5000 оборотов в минуту, которые продувают весь корпус. Для защиты от перегрева в наиболее горячих точках установлено несколько температурных датчиков, которые непрерывно опрашиваются микропроцессором стенда.
Микропроцессорный модуль построен на базе 32-битного микроконтроллера с архитектурой ARM7, имеет 16 каналов АЦП, таймеры, 256КБ флеш-памяти для программ и большое количество различных интерфейсов. Для установки тока по каналам применяется 8-битный ЦАП на 8 независимых каналов и модули усиления и фильтрации помех. Ряд светодиодов на плате индицируют состояние устройства, наличие напряжений, а также текущие режимы работы. Благодаря наличию портов отладки функционал и код программы может быть быстро изменен с помощью персонального компьютера и среды разработки.
Силовая плата с разъемами служит для подключения разъемов от блока питания к нагрузочным модулям, а также для мониторинга величин. Напряжения измеряются в точке подключения кабеля к нагрузке. На плате установлен 24-контактный разъем, 4 разъема PCI-Express с 8 контактами, один 8-контактный разъем под кабель питания процессора и восемь стандартных 4-контактных молексов. На каждом канале установлен дополнительно высокочастотный экранированный разъем SMA для подключения измерительный пробников, а также емкости, предусмотренные по стандарту для тестовых испытания (10мкФ танталовый и 0.1мкФ керамический).
Контролем сетевого напряжения поступающего на испытуемый блок питания, а также замером потребляемого активного и реактивного токов занимается отдельный модуль, питаемый от электросети автономно. Модуль имеет собственный RS-232 порт для связи с главным микроконтроллером, жидкокристаллический индикатор для отображения текущего значения мощности, а также высокоточные АЦП и ИОН. На плате установлены также цепи защиты от перегрузки, во избежание перегрева и возгорания.
Для контроля возможно подключение знаково-цифрового индикатора со стандартным контроллером Hitachi HD44780 , либо совместимым аналогом. Электроника стенда связана с нагрузкой мощными толстыми проводами в прочной изоляции с хвостовиками под винтовой монтаж. Ведь ток потребляемый нагрузками только по каналу +12В может достигать 150 (!) ампер при полной мощности. Сварочные аппараты нередко рассчитаны на меньший ток.
Каждый из полевых транзисторов, используемых в нагрузке, способен рассеять 480Вт, при условии соответствующего теплоотвода от корпуса. Максимальный ток работы примененных FB180SA10 достигает 180А, при напряжении 100В. В импульсном режиме этот ток еще выше, поэтому запас по прочности у использованных компонент многократный, что значительно повышает надежность испытательного стенда. За все время работы установки и тестов более тридцати различных блоков питания примененная элементная база функционировала безукоризненно.
Для управления работой стенда было специально разработано программное обеспечение с графическим интерфейсом под операционные системы семейства Windows 2000/2003 Server. Программа служит для задания параметров тестов, с возможностью как ручного управления, так и запуском автоматических программ и тестов. Мониторинг напряжений и токов выполняется непрерывно по запросу управляющей программы, а слежение и защита по температурным показателям микроконтроллер стенда выполняет полностью автономно, сообщая программе только текущие значения. При первом подключении стенда к компьютеру стандартным периферийным USB-кабелем Windows находит новое устройство и предлагает установить драйвер. После установки драйвера стенд полностью функционален.
После запуска и настройки программы управления на заданный порт и скорость связи можно увидеть главное окно. Здесь же находятся регуляторы для установки тока по каждому из независимых каналов нагрузки, отображается текущее и расчетные величины мощности и тока, действующая мощность на выходе тестируемого блока питания, мощность на входе БП, эффективность работы, сетевые напряжение, ток и частота, 4 температуры с датчиков стенда, а также 2 скорости оборотов вентилятора. Для замера оборотов применяются бесконтактные оптические датчики оборотов. Также имеется таймер, считающий время, которое пробыл блок питания во включенном состоянии. Приблизительный вид главного окна может быть следующим:
Очень удобны для оценки качества стабилизации, так называемые графики кросс-нагрузочных характеристик (КНХ) блока питания. Они представляют собой трехмерный массив данных, где по оси Х (горизонтальная) отмечены величины суммарного тока нагрузки по +12В, по Y(вертикальная ось) отражает величину суммарного тока по +5 и +3.3В каналам, а сами точки в глубину отражают величину отклонения измеренного напряжения от идеального. График для каждого напряжения измеряется и строится отдельно, таким образом, количество графиков равно количеству каналов у блока питания. Для наглядности и удобства каждый график отражает отклонение по точкам с помощью цвета, от -5% (темно-синий цвет точки) до +5% (темно-красный цвет). Отклонения не более 1% отображаются оттенками зеленого, превышения напряжения на 2-3% - оттенками красного и желтого, а понижение ниже идеального на 2-4% - голубыми цветами. Выражаясь более простым языком, чем "зеленее" график, тем меньше погрешности в стабилизации блока питания, тем ближе его напряжения к идеальным +12.0, +5.0, +3.3В. Напомним, по стандарту ATX 2.3 блок обязан укладываться в 5% допуск по напряжению, а по более жесткому серверному SSI EPS v2.91 - в 3% величину отклонения. Качественный блок с раздельной стабилизацией по каналам имеет примерно такой график:
Некачественные блоки обычно похожи на радугу разукрашку на графиках КНХ. В различных комбинациях токов и напряжений такие изделия то превышают допуски стандарта, выдавая слишком высокое напряжение, то наоборот, слишком занижают напряжения, также нарушая требования.
Кроме того КНХ позволяет увидеть, в каких комбинациях нагрузочных токов блок работает неустойчиво, либо вообще не способен функционировать. Не секрет, что некоторые мощные блоки питания даже не стартуют, если на определенных каналах нет минимально необходимой нагрузки. С этим сталкивались владельцы современных блоков питания при попытке их подключить к устаревшим ныне системам на базе платформ Socket 478, Socket 462 и подобных. Снятие же КНХ без стенда, в ручном режиме заняло бы не один месяц работы даже для одного блока питания, не говоря уже о каком-либо тесте нескольких блоков питания. Ведь установку всех токов стенд проводит меньше чем за 250 микросекунд, а оператору-человеку потребовались бы минимум минуты, чтобы только выкрутить все регуляторы на нагрузках на нужные значения, и еще потратить массу времени и сил на запись результатов измерения и занесения их в таблицу точек. Стенд с процессорным управлением же справляется с построением уже готовых шести графиков КНХ для блока питания мощностью тысячу ватт за 18 минут. Все последующие материалы-тесты и обзоры блоков питания будут использовать описанные в текущей методике стенд и оборудование для проведения всех тестов. По мере обновления и усовершенствований материал будет дополняться и расширяться. На данный момент собранный и готовый к использованию экземпляр испытательного стенда возможно приобрести в облегченной конфигурации для нужд испытаний и тестирования блоков питания, для чего достаточно связаться с автором. Описанный в текущей статье прототип используется уже более года и зарекомендовал себя как надежный и удобный инструмент для оценки параметров импульсных блоков питания.
Благодарности и ссылки
X12V Power Supply Design Guide, version 2.2 SSI EPS Power Supply Design Guide, version 2.91 cyclone, за предоставленные возможности и посильную помощь iZerg, за ценные рекомендации и бесценный опыт J-34, за поддержку в создании прототипа А также компании ATMEL, ALTERA, Intel, Tektronix, International Rectifier за отличные изделия.
Автор - Цеменко Илья
Обсуждение материала ведётся тут
www.modlabs.net
Методика тестирования блоков питания стандарта ATX - Лаборатория
Современные блоки питания, в общем, и для компьютера в частности, представляют собой довольно сложные устройства. Основных только электрических характеристик больше десятка, а есть еще шумовые, тепловые, массогабаритные. Все блоки питания стандарта АТХ являются импульсными преобразователями с различными вариациями схемных решений, но с единым принципом работы. Без специального оборудования, в виде управляемых нагрузок, осциллографа и некоторых других устройств невозможно протестировать соответствие стандарту характеристик, указанных на наклейке и в паспорте блока питания. Самый простой вопрос "Хватит ли блока питания ХХХ для работы компьютера УУУ?" на самом деле вовсе не так прост. Для ответа на поставленный вопрос необходимо ознакомиться с разнообразными характеристиками существующих блоков питания и типичным потреблением компьютерного железа.
Все основные характеристики и требования в той или иной степени описаны в документах, известных как ATX12V Power Supply Design Guide Version 2.2, SSI EPS12V Power Supply Design Guide Version 2.91 и аналогичных. Эта документация предназначается производителям блоков питания для обеспечения совместимости их аппаратуры с общепринятым стандартом ATX. Сюда входят геометрические, механические и, конечно же, электрические характеристики устройств. Вся документация доступна в открытом виде в сети Internet (ATX12V PSDG/SSI EPS PSDG). Приведем основные темы, описанные в этой документации. Начать стоит с наиболее важной величины, которая указывается на каждом блоке питания доступном в розничной продаже.
Допустимая мощность нагрузки
Каждый блок питания имеет несколько выходных каналов с различным напряжением и рассчитан на определенную долговременную мощность по каждому из них. Современный стандарт предписывает наличие каналов с напряжением +5В, +12В, +3.3В, -12В и дежурное напряжение +5В. Общая мощность обычно обозначена в ваттах на наклейке (по-английски звучит как Total Power). Эта величина представляет собой сумму всех мощностей по каждому из каналов и легко подсчитывается суммированием произведения токов на соответствующие напряжения. К примеру, у нас имеется блок питания с мощностью 500 ватт, с указанными допустимыми токами: +3.3В 30А, +5В 30А, +12В 40А, -12В 0.8А, +5Вд 2.5А. Перемножив и просуммировав, получаем итоговую цифру (250+480+9.6+12.5) = 752.1 Вт. Почему же на наклейке указано 500Вт? Дело в том, что существует взаимная зависимость каналов их совместной максимальной мощности. На наклейке указано, что максимальная мощность по каналам +3.3В и +5В не может превышать 152 Вт в любом случае, а общая суммарная мощность каналов +12В и +3.3 & 5В не должна превысить 480 Вт. То есть, мы можем нагрузить блок на полную мощность по +12В, оставив без нагрузки низковольтные каналы, либо при полной мощности каналов +3.3 и +5В (152 Вт в нашем случае), можем использовать только 328 Вт по +12В. Поэтому при подсчетах нужно быть внимательным и всегда обращать внимание на допустимую комбинацию нагрузки по каждой линии. Обычно это указано на наклейке, в виде общей ячейки с единой величиной мощности для нескольких каналов.
С учетом этого фактора новый пересчет мощности будет выглядеть так: 152+328+9.6+12.5=502.1 Вт, либо 0+480+9.6+12.5=502.1 Вт, либо любая из допустимых вариаций между этими двумя крайними значениями распределения мощностей по каналам. Исходя из этого, возникает вопрос – а как же тестировать блок: на полной нагрузке по низковольтным каналам, либо на максимальной мощности канала +12В? А может на каком-то промежуточном значении? Рассмотрим этот момент в дальнейшем подробнее.
Также не стоит путать параметры максимальной долговременной мощности и пиковой мощности (Total Peak Power), допустимой на небольшой период времени (17 секунд согласно ATX 2.2 и 12 секунд по EPS 2.91). К примеру, блок питания с номинальной мощностью 500Вт может выдать в пике до 530 Вт, но для блока питания постоянно работать с превышением номинальной мощности нежелательно, ведь запас прочности компонентов может оказаться не очень большим, и жарким летом случится неприятный фейерверк.
Допустимый уровень отклонения напряжений
Эта характеристика является одним из основных и определяет допустимое отклонение каждого из напряжений. Удобнее и нагляднее будет представить эти величины как две таблицы, взятые из стандарта EPS 2.91:
Таблица 20 отражает максимально допустимый уровень отклонений, а таблица 21 – опциональный, с более жесткими рамками, актуальными для графических станций и серверов. Если отклонение по напряжению будет ниже 5-10% порога, вероятно появление сбоев в работе компьютера, либо спонтанные перезагрузки во время большой нагрузки на процессор или видеокарту. Слишком же высокое напряжение негативно сказывается на тепловом режиме работы преобразователей на материнской плате и платах расширения, а также способно вывести из строя чувствительные схемы винчестеров, либо вызвать их повышенный износ. В более лояльном ATX Power Supply Design Guide дополнительно для каналов с напряжением +12В регламентируется допустимое 10%-ное отклонение при пиковой нагрузке на эти каналы. При этом напряжение канала +12V2 (обычно используемого для питания процессора) не должно снизиться менее +11 В.
Уровень пульсаций
Не менее важным является и минимально возможные выбросы (пульсации) напряжения на каждой из линий. Допустимые рамки описаны в стандарте как обязательные и выглядят так:
Источниками пульсаций обычно являются схемы преобразователей внутри самого блока питания, а также мощные потребители с импульсным характером потребления, такие как процессоры, видеокарты. Винчестеры и имеющийся в них блок магнитных головок во время частого перемещения также может создавать всплески помех, однако их величина мощности значительно меньше.
Входное напряжение, эффективность и PFC
Блок питания обязан работать во всех допустимых режимах при следующих входных напряжениях:
Наличие напряжений, указанных в таблице ниже, не должно приводить к повреждению схем блока питания. Пропадание сетевого напряжения на любой период времени, в любой момент работы также не должно приводить к неисправности блока. При включении, ток зарядки высоковольтных конденсаторов не должен превышать номинальные значения входных цепей (предохранитель, выпрямительные диоды и схемы ограничения тока).
Существует миф, что более мощный блок питания потребляет больше мощности из розетки, по сравнению с маломощным дешевым собратом. На самом деле, часто в реальности имеет место обратная ситуация. Каждый блок имеет потери энергии при преобразовании сетевого напряжения в низковольтное постоянное, идущее к компонентам компьютера. КПД (эффективность) современного дешевого блока обычно колеблется около величины 65-70%, в то время как более дорогие модели могут обеспечивать эффективность работы до 85%. Например, подключив оба блока к нагрузке 200 Вт (примерно столько потребляет большинство компьютеров), мы получим потери 70 Вт в первом случае и лишь 30 Вт во втором. 40 ватт экономии при ежедневной работе компьютера по 5 часов в сутки и 30-дневном месяце помогут сэкономить 6 кВт на счете за электроэнергию. Конечно, это мизерная цифра для одного ПК, но если взять уже офис на 100 компьютеров, то цифра может оказаться заметной. Также стоит учесть, что эффективность преобразования различна при разной мощности нагрузки. А поскольку пик КПД приходится на 50-70% диапазон нагрузок, практического смысла в приобретении БП с двукратным и более запасом мощности нет.
Эффективность работы должна превышать 70% для полной нагрузки, и 65% для 20%-нагрузки. При этом рекомендуемая эффективность как минимум 75% или лучше. Существует добровольная система сертификации для производителей, известная как Plus 80. Все источники питания, участвующие в этой программе, имеют эффективность преобразования свыше 80%. На текущий момент список участников-производителей в инициативе Plus 80 включает более 60 наименований.
Также нельзя путать КПД блока питания с такой характеристикой как коэффициент мощности (Power Factor). Существует реактивная мощность и активная, и коэффициент мощности отражает отношение реактивной мощности к общей суммарной мощности потребления. Большинство блоков питания без каких-либо схем коррекции обладают 0.6-0.65 фактором мощности. Поэтому импульсные блоки питания в значительной степени создают реактивную мощность, и их потребление выглядит как мощные импульсы во время пиков синусоиды сетевого напряжения. Это создает помехи в электросети, которые могут повлиять на другие устройства, питаемые от той же электросети. Для устранения этой особенности применяются схемы с пассивной коррекцией фактора мощности (Passive PFC) и активной (Active PFC). Активный PFC эффективно справляется с этой задачей, по сути, являясь преобразователем между самим блоком питания и электросетью. Фактор мощности в блоках с использованием APFC легко достигает величины 0.97-0.99, что значит практически полное отсутствие реактивной составляющей в потреблении БП. Пассивная схема коррекции Power Factor представляет собой массивный дроссель, включенный последовательно сетевым проводам блока питания. Однако он значительно менее эффективен и на практике повышает фактор до 0.7-0.75. С точки зрения компьютера и потребителя разницы между блоком с APFC и блоком вообще без коррекции практически нет, использование первых выгодно компаниям электроснабжения.
Сигнальные линии PSON и PWOK
PSON (Power Supply ON) – специальная сигнальная линия для включения\выключения блока питания логикой материнской платы. Когда этот сигнал не подключен к земле, блок питания должен оставаться в выключенном состоянии, за исключением канала +5В (дежурное). При логическом нуле (напряжение ниже 1 В) – логика включает блок питания. PWOK (Power OK) – сигнальная линия, по которой блок питания сообщает материнской плате, что все выходные линии находятся в нормальном состоянии и стабилизация осуществляется в заданных стандартом пределах. Время задержки появления сигнала при нормальной работе блока питания с момента подачи логического нуля по PSON – 900 мс.
Блок питания должен иметь схемы защиты, которые отключат основные выходы при нештатных ситуациях. Защита должна блокировать повторный запуск до повторного появления сигнала включения на проводе PSON. Защита от перегрузки по току (Over Current Protection, OCP) обязательна для линий +3.3, +5, +12, -12, +5 (дежурное), минимальный порог срабатывания – 110%, максимальный 150%. При перегрузке блок должен выключится и не включаться до появления сигнала включения, или до полного обесточивания сетевого напряжения. Защита от перенапряжения (Over Voltage Protection, OVP) также обязательна и должна отслеживаться внутри самого источника питания. Напряжение никогда не должно превышать указанные в таблице 29 в любой момент времени.
Защита от перегрева (Over Temperature Protection, OTP) блоков питания не является обязательной функцией, поэтому весьма важно соблюдать условия эксплуатаций источников питания в тесных корпусах, либо в местах с ухудшенной вентиляцией. Максимальная температура воздуха во время работы не должна превышать +50°С. Некоторые производители рассчитывают и указывают мощность блока питания при пониженной температуре +25, или даже +15°С, и попытка нагрузить указанной мощностью подобное изделие в жаркую погоду может привести к неприятному финалу. Это именно тот случай, когда примечание шестым пунктом снизу имеет значение. Если удается найти допустимый температурный диапазон для конкретной модели блока на тестах, мы указываем это явно в таблице с характеристиками.
Защита от короткого замыкания (Short Curcuit Protection, SCP) – является обязательной для всех блоков питания, проверяется кратковременным подключением силовой шины между каналами и землей блока питания.
Немного о разделении +12В канала на несколько «виртуальных»
Набившее оскомину разделение каналов вызвано требованием стандарта безопасности EN60950, который предписывает ограничить ток на доступных пользователю контактах на уровне 240 ВА. Так как общая суммарная мощность канала +12В в мощных блоках питания может превышать эту величину, было принято решение ввести разделение на несколько отдельных каналов с индивидуальной защитой по току менее чем 20А. Эти раздельные каналы вовсе не обязаны иметь индивидуальную стабилизацию внутри БП. Поэтому на самом деле, почти все блоки питания имеют один сильноточный канал +12В, вне зависимости от количества виртуальных каналов. Хотя на рынке имеется несколько моделей с действительно раздельными стабилизаторами и несколькими независимыми линиями +12В, однако это лишь исключение из общего правила. Для компьютерных комплектующих виртуальное, как и реальное разделение по каналам никоим образом не сказывается, а те из компонент, которые могут потребовать ток более чем 18-20А, имеют возможность подключения двух разделенных каналов. Так 8-контактный разъем питания процессора на материнских платах имеет по два контакта на каждый из двух каналов, а топовые видеокарты NVIDIA и AMD имеют два 6-контактных (либо комбинацию из 6-контактного и 8-контактного, как у Radeon 2900 XT, Radeon HD 3870 X2, GeForce 9800 GX2) разъема.
Кроме электрических характеристик имеются и физические. Каждый блок, претендующий на соответствие форм-фактору ATX должен иметь ширину 150мм, при высоте 86мм. Глубина блока может варьироваться от 140мм до 230мм и более.
Кабельное оснащение блока
Существующие блоки питания оснащаются массой кабелей с разными типами разъемов. Информация об их длинах и количестве позволит еще до покупки определить, подойдет ли конкретная модель под нужный корпус, либо придется докупать переходники и удлинители. Все эти параметры отображаются в виде таблицы для каждого из протестированных блоков. Верхняя часть – несъемные кабели, а ниже, в случае наличия отстегиваемых проводов, с отступом указаны количество и длины всех кабелей с разъемами.
Если на одном проводе имеется несколько разъемов – длины до каждого записываются в ряд. К примеру, общая длина кабеля в примере выше для последнего разъема SATA – 45+15+15 = 75см. Нестандартные разъемы, к примеру, 3-контактный кабель мониторинга оборотов вентилятора, или переходники указываются в нижних строках таблицы. Кроме перечисления кабелей и их видов, определяется толщина проводов, использованных в кабелях, наличие дополнительных проводов для мониторинга и компенсации сопротивления проводов к разъему (так называемые Vsense-провода).
Шумность системы охлаждения
Почти все блоки питания оснащаются вентилятором для активного охлаждения компонентов внутри корпуса. Кроме этого, вентилятор также выбрасывает подогретый воздух внутри корпуса компьютера наружу в окружающую среду. Большинство современных источников питания имеют вентилятор типоразмера 120 мм, расположенный на нижней стенке. Все чаще встречаются модели с вентилятором 135 или даже 140 мм, благодаря чему можно добиться снижения уровня шума при сохранении эффективности охлаждения. Однако в старших мощных моделях по-прежнему применяется 80 мм вентилятор в задней торцевой стенке, который выбрасывает воздух из БП наружу. Возможны также вариации с использованием разного расположения вентилятора, либо применением нескольких вентиляторов. Почти все блоки оснащены схемой динамического управления оборотами вентиляторов, в зависимости от температуры внутри БП (чаще всего температуры радиатора с диодами стабилизатора).
Наибольшая доля потребляемой мощности приходится на центральный процессор и видеокарты. В Internet имеется масса различных калькуляторов потребления компьютера. Довольно достоверные результаты выдает eXtreme Power Supply Calculator Pro. Наша тестовая система на базе процессора Intel Xeon 3050, мат.платы Intel DP35DP, четырех модулей памяти DDR2, видеокарты NVIDIA GeForce 6600GT и трех винчестеров Seagate ST3320620AS, согласно расчетам калькулятора, требует блока питания с мощностью 244 Вт. Замеренное реальное потребление системы под нагрузкой достигло величины 205 Вт. Цифры схожие, да и наличие некоторого запаса по мощности не помешает, ведь конфигурация ПК со временем может меняться, например, добавится еще один винчестер, или видеокарта будет заменена на более производительную. Будет неприятно менять и блок питания при каждой такой замене. Современные 4-ядерные процессоры на базе 65-нм ядер Intel и AMD требуют до 100-140Вт мощности (без разгона), а 45-нм Intel Core 2 Extreme QX9650 довольствуется 75-80Вт при полной нагрузке. Куда более прожорливы старшие видеокарты NVIDIA и ATI, а тандем из двух видеокарт GeForce 8800 Ultra либо ATI Radeon HD 3870 X2 может потребовать до 350-450 Вт на одну только графическую подсистему. В таких конфигурациях логично и необходимо использовать соответствующие блоки питания, с мощностью 500-600Вт. Остальные компоненты потребляют немного, один винчестер едва дотягивает до отметки 15-25Вт во время старта и позиционирования головок, модуль памяти в среднем требует 4-10Вт, периферийные платы – 5-25Вт. Системы охлаждения за исключением комплексов с использованием термоэлектрических элементов также потребляют немного: 10-40Вт.
Теперь немного понятно, что для полноценного тестирования блока питания недостаточно просто измерить вольтметром напряжение на выходах. Это лишь может показать отсутствие явных и серьезных проблем в работе блока питания, но не более того. Основная проблема обеспечения качественного питания обычно заключается в неспособности блока питания выдавать нужный ток для каждой компоненты компьютера, либо чрезмерном отклонении напряжений от номинала. Всевозможные вариации тестирования «методом вольтметра» могут лишь показать, что компьютер способен работать на конкретно взятой нагрузке, в конкретный момент времени, но абсолютно не показывает, насколько большую мощность в реальности может выдать блок питания, и не показывает, что случится с блоком питания, если нагрузка превысит допустимую мощность.
Для проведения тестирования и выяснения технических характеристик каждой блок питания подключается к специальному стенду, который позволяет одновременно измерять уровни напряжения и тока на всех выходных каналах в автоматическом режиме. Перед тестированием на стенде все блоки питания разбираются, фотографируются, проверяется качество пайки и монтажа, осматриваются компоненты на платах на предмет дефектов. В случае наличия, оные описываются в статье, со ссылкой на тот факт, что один конкретно взятый блок может оказаться бракованным, как и любое другое сложное электронное оборудование. Также всегда приводится фотография наклейки блока питания, с допустимыми величинами мощности по всем каналам. Если плотность монтажа позволяет, проводится обзор примененной элементной базы и особенности схематических решений. Часто встречается ситуация, когда компании сами не разрабатывают, а только продают блоки питания сторонней разработки OEM-компаний. Это обычно можно определить по коду сертификата UL, он редко скрывается и наносится на наклейке с основными параметрами, и выглядит как “E123456”. Примером использования данного принципа является OCZ, Tagan, ThermalTake и другие. Определить принадлежность кода к названию производителя можно на сайте UL Online Certifications Directory, задав поиск по коду с наклейки в графе UL File Number.
Для коробочных изделий обозревается комплектация и дополнительные аксессуары. На этом же этапе данные о мощности блока и каналов с наклейки блока питания заносятся в программу управления стендом, и подключаются все необходимые разъемы, в соответствии с распределением каналов. Проверяется работа схем защиты от короткого замыкания (каждая линия последовательно подключается на земляную шину), а также защита от перегрузки по каналам. Блок измерения входных параметров сети на данный момент находится в разработке, поэтому замеры КПД, коэффициента мощности и работа БП при различном диапазоне входных напряжений временно не проводятся. После проведения базовой проверки функционирования блока питания проводится снятие графиков кросс-нагрузочной характеристики (КНХ). Обычно для стабилизации напряжений +12В и +5В в блоках питания используется групповая схема включения, которая выравнивает среднеарифметическую величину между этими двумя напряжениями. Такое устройство легко видно при обзоре внутреннего строения блока питания, для группового стабилизатора используется один дроссель большего и один меньшего диаметра для канала +3.3В, который стабилизируется отдельно. Эти дроссели обычно расположены возле места подключения проводов выходных каналов блока питания.
Недостаток такой схемы включения – напряжения +12В и +5В сильно зависят друг от друга. При сильной нагрузке на +12В напряжение на ненагруженном канале +5В начинает завышаться. Равнозначна и обратная ситуация, действует своеобразный принцип «качелей». В современных же компьютерах вся мощная нагрузка приходится именно на +12В, четырехъядерный CPU и несколько видеокарт могут легко создать нагрузку около 30А, при почти нулевой нагрузке по +5 и +3.3В.
Более предпочтителен подход с использованием раздельных дросселей для стабилизации каждого из напряжений независимо. Однако это требует дополнительного места на печатной плате, да и сами дроссели денег стоят, поэтому подобное решение используется только в довольно дорогих блоках питания. Кроме этого, в блоках могут применяться дополнительные цепи для стабилизации напряжений, а эффективность их работы и призвано наглядным образом показать на графике КНХ.
В качестве нагрузки, а также для упрощения и автоматизации тестирования был разработан и изготовлен стенд на базе RISC-микроконтроллера ATMEL AT91SAM7A3. Для нагрузки используется шесть независимых идентичных каналов. Характеристики каждого из них приведены ниже в таблице.
Физически электроника и платы стенда с помощью стоек смонтированы на алюминиевом радиаторе с размерами 750х122х38 мм. Непосредственно сами силовые ключи установлены на стенку радиатора. Для охлаждения радиатора используются мощные вентиляторы Nidec Beta V и Delta DFB1212SHE типоразмера 120х38, а крыльчатка каждого вращается со скоростью свыше 4000 оборотов\минуту.
Возможности стенда довольно широки и включают на данный момент:
- Включение\отключение БП при помощи управления сигналом PSON
- Непрерывное слежение за состоянием сигнала PWOK
- Измерение токов и напряжений по каждому из основных каналов
- Установка заданной нагрузки по любому из каналов
- Калибровка стенда для получения точных измерений
Сам стенд имеет индикацию состояния всех линий блока питания, а именно: PWON, PSON, +3.3V, +5V, +12V1, +12V2, +12V3, +12V4, +5standy (дежурное), -12, -5 (для старых БП). Также имеется несколько других контрольных светодиодов. Для подключения тестируемого блока питания к стенду имеется один 24-контактный разъем ATX, четыре 8-контактных разъема питания PCI-Express, один 8-контактный разъем для процессорного кабеля и восемь 4-контактных периферийных разъемов.
Для управления работой стенда, его настройки и контроля используется специальное программное обеспечение, работающее под управлением ОС Windows, которое постоянно обменивается данными с микроконтроллером стенда. Связь осуществляется при помощи интерфейса USB, который имеется на любом современном ПК.
В ручном режиме каждый канал стенда может независимо настраиваться, а контроль напряжений и токов проводится непрерывно, что позволяет быстро выяснить пороги стабильной работы блока. Программа позволяет также генерировать импульсы с различной величиной тока, для проверки устойчивости блока к импульсным нагрузкам (например, одновременный старт нескольких винчестеров, либо работа видеокарт в SLI/CF).
В автоматическом режиме программа строит 6 графиков (для каждого канала отдельный график). По оси Х суммарная величина потребляемой стендом мощности по каналу +12В, а по Y – суммарная мощность от каналов +3.3 и +5В. Может быть задан любой предел по мощности нагрузки, в рамках допустимой мощности стенда. Каждая точка графика на пересечении осей обозначает величину напряжения по каналу при суммарной нагрузке на каналы +3.3, +5 и +12В. То есть, на графике напряжения +3.3В все поле графика – это величина напряжения при всех возможных комбинациях нагрузок. Зная заявленные в стандарте и описанные нами ранее в статье допустимые отклонения по каждому напряжению – мы можем достоверно утверждать, на сколько процентов блок питания снизил, либо превысил напряжение относительно идеальных 3.300В, 5.000В и 12.000В. Но приводить в статье этот огромный массив цифр не имеет практического смысла, и все величины отклонений удобнее отобразить на графике цветовыми маркерами. Легенда с отклонениями прилагается на каждом графике и позволяет легко определять, где вложился блок питания в требования стандарта, а где нет. Пониженное напряжение отображается оттенками синего, повышенное относительно номинала – красными. Уровни за пределами стандарта (+\-5%) отображены темно-синим и темно-красными цветами. Шаг между каждой из точек составляет 0.2-0.5 А в зависимости от заданных условий тестирования. Типичный блок питания с мощностью 500Вт в автоматическом режиме тестируется около часа, при этом производится около 10000 измерений, и такое же количество ступеней управления нагрузкой. Провести вручную аналогичный тест заняло бы массу времени. Для блоков с типичной мощностью КНХ может сниматься в соответствии с нагрузочными моделями, описанными для типичных нагрузок в стандартах ATX PSDG 2.2 и EPS PSDG 2.91.
После проведения замеров, графики компонуются в один анимированный GIF-файл и публикуются в статье. Итоговый вид приблизительно таков:
Грубо говоря – чем больше зеленого цвета на графике – тем меньше отклонение напряжений от идеала. Напомним, что основное потребление современных ПК приходится на +12В канал, поэтому важно минимально возможное отклонение именно в горизонтальной плоскости графика.
Кроме КНХ замеряются уровни пульсаций на каждом из основных каналов. Для этого используется 4-канальный осциллограф Tektronix 2246-1Y, с максимальной частотой 100 МГц, чего с большим запасом достаточно для обнаружения и измерения всех возможных пульсаций блока питания. Пульсации замеряются при 100% нагрузке на блок питания, именно в этих условиях их величины максимальны. Чем ниже пульсации – тем меньше наводок и помех создает блок питания в питаемых им устройствах. Это особенно важно для чувствительных звуковых карт, тюнеров и подобных устройств. В дальнейшем замер пульсаций также будет автоматизирован.
На текущий момент использованная методика и стенд позволяют с хорошей точностью определить основные нагрузочные возможности, уровень пульсаций и соответствие допускам стандарта по всем основным питающим каналам блока питания. Однако всегда есть возможность внести улучшения, поэтому в скором времени планируется реализация блока для автоматического замера эффективности преобразования (КПД) блока питания, замеры фактора мощности, оптические датчики для замеров скорости вращения вентиляторов блока и температурные измерения в условиях, приближенных к реальным средам использования. Данная статья будет периодически обновляться, с учетом вносимых изменений. Также все пожелания и дополнения читателей будут внимательно рассмотрены и приняты во внимание.
Версия 1.01b от 2.02.2008. Начальная версия.
Использованные материалы и ссылки:
Выражаю благодарности за помощь в создании стенда
J-34, izerg, MAXakaWIZARD, cyclone.
overclockers.ru
