Напряжения на блоке питания компьютера: устройство, характеристики и тестирование

alexxlabРазное
Как устроен блок питания компьютера. Какие основные характеристики важны для блока питания. Как правильно тестировать блоки питания. Какие напряжения выдает блок питания компьютера.

Содержание

Основные характеристики компьютерных блоков питания

Блок питания является одним из ключевых компонентов компьютера, обеспечивающим стабильное электропитание всех устройств. Рассмотрим основные характеристики, на которые следует обращать внимание при выборе блока питания:

Мощность

Мощность блока питания измеряется в ваттах и указывает, какую максимальную нагрузку он способен выдержать. Как определить необходимую мощность блока питания для конкретной конфигурации компьютера?

  • Суммируйте энергопотребление всех компонентов (процессор, видеокарта, материнская плата, накопители и т.д.)
  • Добавьте 20-30% запаса для стабильной работы и возможности апгрейда
  • Для мощных игровых систем рекомендуется блок питания от 600-750 Вт
  • Для офисных компьютеров обычно достаточно 350-450 Вт

Стабильность напряжения

Блок питания должен поддерживать стабильное напряжение на выходах даже при изменении нагрузки. Согласно стандарту ATX, допустимые отклонения составляют:


  • ±5% для линий +3,3В, +5В и +12В
  • ±10% для линий -12В и +5В Standby

Качественные блоки питания обеспечивают отклонения в пределах 1-3%.

КПД (эффективность)

КПД показывает, какая часть потребляемой из сети энергии преобразуется в полезную мощность. Современные блоки питания имеют КПД 80-92%. Чем выше КПД, тем меньше энергии теряется в виде тепла.

Напряжения, выдаваемые блоком питания компьютера

Стандартный ATX блок питания выдает следующие напряжения:

  • +3,3В — для питания оперативной памяти, чипсетов
  • +5В — для питания жестких дисков, USB-портов
  • +12В — основная линия питания процессора и видеокарты
  • -12В — для питания последовательных портов
  • +5В Standby — дежурное напряжение для функции «спящего режима»

Наиболее важной является линия +12В, потребляющая до 70-80% мощности в современных системах.

Устройство компьютерного блока питания

Типичный ATX блок питания состоит из следующих основных компонентов:

  1. Входной фильтр и выпрямитель
  2. Корректор коэффициента мощности (PFC)
  3. Высоковольтный преобразователь
  4. Трансформатор
  5. Выходные выпрямители и фильтры
  6. Схемы защиты и управления
  7. Вентилятор охлаждения

Рассмотрим подробнее некоторые ключевые узлы.


Корректор коэффициента мощности (PFC)

PFC обеспечивает эффективное потребление энергии из сети, снижая уровень помех. Различают:

  • Пассивный PFC — простой дроссель, повышающий коэффициент мощности до 0,7-0,8
  • Активный PFC — сложная схема, обеспечивающая коэффициент мощности 0,95-0,99

Преобразователь напряжения

Преобразует выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное переменное. Основные типы:

  • Полумостовой — для блоков до 500 Вт
  • Мостовой — для мощных блоков питания

Схемы защиты

Современные блоки питания оснащаются следующими схемами защиты:

  • От перегрузки по току (OCP)
  • От перенапряжения (OVP)
  • От пониженного напряжения (UVP)
  • От короткого замыкания (SCP)
  • От перегрева (OTP)

Методика тестирования блоков питания

Для всесторонней проверки характеристик блока питания необходимо специализированное оборудование. Основные этапы тестирования включают:

  1. Визуальный осмотр и проверка комплектации
  2. Измерение выходных напряжений на холостом ходу
  3. Проверка стабильности напряжений под нагрузкой
  4. Тест эффективности и измерение КПД
  5. Проверка уровня пульсаций и шумов
  6. Тестирование защит
  7. Измерение акустического шума

Нагрузочное тестирование

Важнейшим этапом является проверка стабильности напряжений под различными нагрузками. Для этого используются:


  • Электронные нагрузки — позволяют точно задавать ток потребления
  • Реостаты — для создания нагрузки на низковольтных линиях
  • Специализированные тестовые стенды

При тестировании напряжения измеряются высокоточными мультиметрами, а для контроля пульсаций используется осциллограф.

Основные производители блоков питания

На рынке представлено множество производителей блоков питания. Среди наиболее известных и качественных брендов можно выделить:

  • Seasonic — один из лидеров индустрии, производит блоки питания премиум-класса
  • Corsair — широкий ассортимент от бюджетных до топовых моделей
  • be quiet! — блоки питания с низким уровнем шума
  • EVGA — качественные блоки питания для игровых систем
  • Chieftec — надежные блоки питания среднего ценового диапазона

При выборе стоит ориентироваться на модели от проверенных производителей, имеющие сертификацию 80 PLUS.

Рекомендации по выбору блока питания

При подборе блока питания для компьютера учитывайте следующие факторы:

  1. Рассчитайте необходимую мощность с запасом 20-30%
  2. Выбирайте блоки с сертификацией 80 PLUS (желательно Gold и выше)
  3. Обратите внимание на количество и тип разъемов питания
  4. Для мощных систем рекомендуются модели с активным PFC
  5. Изучите результаты независимых тестов выбранной модели
  6. Отдавайте предпочтение проверенным производителям

Качественный блок питания — залог стабильной работы компьютера и долговечности его компонентов.


Современные тенденции в производстве блоков питания

Индустрия блоков питания постоянно развивается. Рассмотрим некоторые актуальные тренды:

Повышение эффективности

Производители стремятся повысить КПД блоков питания. Уже появились модели с сертификацией 80 PLUS Titanium, имеющие эффективность более 94% при нагрузке 50%.

Цифровое управление

Внедряются цифровые схемы управления, позволяющие точнее контролировать напряжения и токи. Это обеспечивает:

  • Более стабильное выходное напряжение
  • Возможность мониторинга параметров через ПО
  • Гибкую настройку защит и режимов работы

Модульная конструкция

Все большее распространение получают блоки питания с отстегиваемыми кабелями. Преимущества модульной конструкции:

  • Улучшенная циркуляция воздуха в корпусе
  • Упрощенная прокладка кабелей
  • Возможность использовать только необходимые кабели

Снижение уровня шума

Для уменьшения шума в современных блоках питания применяются:

  • Вентиляторы увеличенного диаметра (135-140 мм)
  • Гидродинамические подшипники
  • Интеллектуальные системы управления оборотами
  • Специальные шумопоглощающие материалы

Некоторые производители выпускают даже полностью пассивные модели без вентиляторов для абсолютно бесшумной работы.



Методика тестирования блоков питания стандарта ATX

  • Введение
  • Характеристики блока питания
    • Допустимая мощность нагрузки
    • Допустимый уровень отклонения напряжений
    • Уровень пульсаций
    • Входное напряжение, эффективность и PFC
    • Сигнальные линии PSON и PWOK
    • Схемы защиты
    • Немного о разделении +12В канала на несколько «виртуальных»
    • Кабельное оснащение блока
    • Шумность системы охлаждения
  • Мощность, потребляемая различными комплектующими
  • Методика и стенд для тестирования
  • Итоги и дальнейшие пути развития

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.

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.

рекомендации

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.

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.

PSON (Power Supply ON) – специальная сигнальная линия для включения\выключения блока питания логикой материнской платы. Когда этот сигнал не подключен к земле, блок питания должен оставаться в выключенном состоянии, за исключением канала +5В (дежурное). При логическом нуле (напряжение ниже 1 В) – логика включает блок питания. PWOK (Power OK) – сигнальная линия, по которой блок питания сообщает материнской плате, что все выходные линии находятся в нормальном состоянии и стабилизация осуществляется в заданных стандартом пределах. Время задержки появления сигнала при нормальной работе блока питания с момента подачи логического нуля по PSON – 900 мс.

  • Схемы защиты

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.

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.

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).

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:

  • ATX12V Power Supply Design Guide, version 2.2
  • SSI EPS Power Supply Design Guide, version 2.91
  • UL Online Certifications Directory
  • eXtreme Power Supply Calculator Pro — калькулятор потребляемой мощности для различных конфигураций
  • Plus80.org — сайт программы сертификации Plus 80

Выражаю благодарности за помощь в создании стенда

J-34, izerg, MAXakaWIZARD, cyclone.