Тестування блоків живлення: аспекти і апаратна реалізація (сторінка 2)

1. тестовий стенд

Наша сеть партнеров Banwar

Крім комутації та можливості створення випробувальних перешкод, блок мережі повинен відображати струм споживання. При роботі блоку живлення через емулятор мережі необхідність в додатковому датчику струму не виникає, прецизійний вимірювальний механізм закладений в самому емуляторі мережі. А що робити, коли БП працює не через емулятор? Для вимірювання струму був виготовлений струмовий трансформатор з коефіцієнтом трансформації 1: 1000 з подвійним статичним і одним магнітним екраном. Екранування покликане знизити проходження нестабільності (імпульсів) напруги з мережі в струмовий обмотку.

Вимірювання показало хорошу придушення перешкод і збереження коефіцієнта трансформації до 100 кГц в частотному діапазоні і до 100 ампер по амплітуді імпульсів струму низької частоти. Насичення датчика струму настає при рівнях струму 200-250 ампер, що забезпечує належний запас до розрахункового максимального струму споживання БП (50-65 А).

З основних елементів контролера мережі залишається лише відзначити установку конденсаторного блоку на вводі мережі для зниження впливу реактивних складових проводки як на процес перемикання, так і на стаціонарну роботу БП. Крім захисту БП це знижує рівень перешкод, що наводяться тестовим стендом в мережу 220 вольт. Блок набраний з конденсаторів, розрахованих на роботу в смузі частот 0-1 Мгц з великим імпульсним струмом (metallized polypropylene). Сумарна ємність блоку 6 мкФ дозволяє пригнічувати високочастотну складову, при цьому зберігаючи незмінним імпеданс мережі в низькочастотної частини спектра.

Зовнішній вигляд блоку:

Дозволив собі вільність позначити деякі елементи пристрою:

1. Пристрій захисту, варто на самому введенні мережі. Номінальний струм захисту 10 А, клас швидкодії «С»;
2. Вхідний конденсаторний блок, 6 мкФ. Набравши з восьми конденсаторів;
3. Синфазних дросель і погоджують елементи;
4. Блок накопичувального конденсатора імпульсного генератора;
5. Імпульсний генератор;
6. Службовий джерело для харчування керуючих вузлів;
7. Датчик струму (в екрані);
8. Радіатор з ключами перемикання мережі.

Можна подивитися з іншого ракурсу:

На початку проектування блок виглядав набагато охайніше, але постійні «заплатки» зробили свою чорну справу.

тестовий стенд

Блок навантажень і емулятор мережі, спільно з контролером мережі, описаним в попередньому розділі, дозволяють виконувати випробування блоку живлення, але існує цілий ряд умов, які є обов'язковими до виконання для отримання адекватних результатів.

По-перше, блок живлення потрібен якось закріпити. Штатне місце кріплення БП досить точно відображено в корпусі, можна лише вибрати його верхнє або нижнє розміщення. Існують і «інші» варіанти установки БП, але це скоріше екзотика. Використаний корпус системного блоку передбачає розміщення блоку живлення вгорі - так навіть краще, простіше забезпечити необхідні теплові режими. Місце кріплення важливо не з естетичних умов, а для забезпечення типового якості проходження ланцюга «земля».

По-друге, блок живлення треба якось підключити. Класичний варіант підключення тут також чітко визначено - материнська плата формату АТХ з одного (декількома) відеокартами PCI Express. Доведеться робити саме так, хоча самі «відеокарти» можна замінити на відповідні заглушки-перехідники. У нашому випадку інтерес представляє розподіл струмів, а не переміщення повітряних мас, тому габарити і емуляцію систем охолодження відеокарт витримувати немає потреби.

Втім, без з'ясування причин важко виконати правильне підключення. І ідея ось у чому - блок живлення є багатоканальним джерелом, що означає обов'язкову тісний взаємозв'язок рівнів при навантаженні окремих виходів. Типова нагрузочная крива при збільшенні струму по ланцюгу 5В:

графіки:

• Зелений (вгорі): 12 В;
• Червоний (в середині): 5 В;
• Світло-коричневий (внизу): 3.3 В.

На зображенні представлені дані блоку живлення з груповою стабілізацією, тому цілком очевидно підвищення напруги на виході 12В в міру збільшення струму 5В. Питання в іншому, чому знижується напруга 3.3В? Цей вихід охоплений власної локальної зворотним зв'язком і стабілізується досить точно. Під час навантажувального тесту ток змінювався тільки по виходу 5В і, взагалі кажучи, вихід 3.3В, незалежно від якості стабілізації, змінюватися не міг. Виходи 12В і 5В пов'язані спільною ланцюгом стабілізації, тому правило незмінності рівня не стосується виходу 12В.

Повертаюся до головного питання - чому змінюється напруга на виході 3.3В, якщо цього бути не повинно? Спробую скромно припустити, що існує деяка спільність у всіх виходах БП, яка їх об'єднує. Дозвольте процитувати початок одного з пунктів EPS:

6.3 Remote Sense

The power supply may have remote sense for the + 3.3V (3.3VS) and return (ReturnS) if the Optional Server Signal connector is implemented. The remote sense return (ReturnS) is used to regulate out ground drops for all output voltages; + 3.3V, +5 V, + 12V1, + 12V2, + 12V3, -12 V, and 5 VSB. The 3.3V remote sense (3.3VS) is used to regulate out drops in the system for the +3.3 V output. The remote sense input impedance to the power supply must be greater than 200 W on 3.3 VS and ReturnS. ...

Багатоканальний джерело живлення, особливо імпульсний, ні в якому разі не можна розглядати як безліч незалежних каналів. У них існує складна взаємозв'язок, причому це стосується як «сигнальних» виходів, так і рівня «землі». Зіставте струми і опір проводів. Якщо вимірювати кожен вихід індивідуальним чином, фактично підключаючись до контрольних точок випрямної частини БП, то можна отримати дуже непогані характеристики. Але чи будуть вони вірними? Ні звичайно.

Блок живлення формує кілька напруг одночасно і кожен вихід впливає на всі інші. Як виходять з цієї проблеми? Для підключення блоку живлення до тестового стенду використовується одна крос-плата, в яку підключаються всі вихідні кабелі БП, після чого «виходить» усереднені ланцюга 12В, 5В, 3.3В із загальною «землею». Правильно? Ні звичайно. Пройдемося по основним з'єднанням:

• 12 В, процесор. Напруга подається через власний роз'єм, ланцюги 12В і gnd йдуть безпосередньо на поруч розташований перетворювач процесора. Ланцюг gnd чи не затікає в загальну землю;
• 12 В, 5 В, 3.3 В, материнська плата. Напруги харчування і gnd подаються через роз'єм материнської плати, при цьому струм навантаження розподілено по площі плати та ток землі протікає як від висновків gnd роз'єму, так з корпусу системного блоку через монтажні точки материнської плати;
• 12 В, відеокарти. Напруга 12 В і gnd подаються через власні роз'єми і найкоротшими сполуками йдуть в силовий перетворювач плати. Ланцюг gnd чи не затікає в загальну землю.

Взагалі-то, для комп'ютера важливо не сам рівень напруги, а тільки та величина, яка приходить на «його» перетворювач. З пристроїв і вузлів лише два типи механізмів використовують безпосереднє напруга 12В, це вентилятори і мотор жорсткого диска. Досить складно оцінити міру важливості стабільності ланцюга 12В на якість їх роботи, адже ці пристрої мають локальні ланцюга стабілізації. Для вентиляторів це загальна стабілізація температури схемою моніторингу, а в HDD застосовується ШІМ стабілізація оборотів по сервометки. У всіх інших випадках пристрої (і вузли) хоч і мають живлення від 12 В, але використовують його лише через перетворювачі - а їм властиво поділ «землі» на «вхідні» і «вихідну».

Такий прийом використовується для відділення «брудної» (вхідний) і «чистої» (вихідний) землі. З точки зору «схеми» перетворювач часто зображують прямокутником з трьома висновками - вхід, вихід, земля, але конструктивно він обов'язково виконується по четирехвиводной топології - два висновки «вхід», два висновки «вихід». Ну а те, що в обох парах «землею» є один і той же провідник нічого не означає - її треба розводити незалежно, вхідні земля не повинна перетинатися з вихідною. В цьому і полягає одна з основних труднощів імпульсних перетворювачів.

Отже, «все непросто» з одним перетворювачем, а коли їх кілька? Причому, вхідні «землі» у них частково об'єднуються, як і вихідні. З'єднання саме «часткове» і важко контрольоване на стадії проектування, що ускладнює і так непросту задачу. Комп'ютерний блок живлення повинен поставляти напруга на перетворювачі, а, в основному, це стосується ланцюга 12В. Але що при цьому буде відбуватися з ланцюгом «земля»? Щось сложноемуліруемое. Не зважати на шкоду догляду рівня «землі» не можна, споживання може становити десятки ампер і навіть мізерний шматочок товстого дроту може створити істотне падіння напруги. Емулювати землю не вийде на увазі занадто складних взаємозв'язків, але може існує можливість уникнути цього?

У комп'ютері існує материнська плата, на якій розташований перетворювач процесора, встановлюються відеокарти - що заважає взяти і зібрати такий тестовий стенд? Беремо звичайну якісну материнську плату. «Фірмових» потрібна для гарантії адекватної товщини і кількості міді у внутрішніх шарах по ланцюгу земля. Знімаємо з неї все, залишивши лише її основний і роз'єм живлення CPU. Тепер залишається посадити на неї один «перетворювач процесора» і кілька «відеокарт». Перше означає простий роз'єм на своєму законному місці, а з «відеокартами» справа дещо складніша - зрозуміло, що слід встановити роз'єми підключення живлення PCI Express в ті місця материнської плати, де ці відеокарти встановлюються.

Труднощі в тому, що харчування на відеокарти подається через персональні роз'єми, але це зовсім не виключає затікання струму землі через роз'єм PCI Express материнської плати. «На щастя» цей роз'єм, як і все не силові, орієнтований на стабільне зчленування слабкострумових сигналів, а тому має відносно високу контактний опір. Це «опір» слід емулювати при складанні тестового стенда, що найпростіше виконати з'єднанням роз'єму підключення живлення PCI Express з «землею» материнської плати за допомогою провідників невеликого перерізу.

Розрахунково-вимірювальну частину по визначенню довжини і перерізу провідників я опускаю за непотрібністю. Тут ніби ясно, залишається лише визначити точки вимірювання напруги. Дозволю висловити надію, що ви розумієте - загальному ланцюжку «земля» в комп'ютері не існує. Через вбудованих опорів проводки точки землі в різних частинах материнської плати будуть відрізнятися (і суттєво). Це означає, що ніяк вийде «ткнути» один висновок вимірювального приладу в якусь точку землі і далі просто обійти всі напруги. В системі існують відносно незалежні вузли з живленням від виходів блоку живлення, ось напруги безпосередньо на них і слід вимірювати.

• 12 В, процесор. Напруга-земля вимірюється безпосередньо на роз'ємі;
• 5 В, 3.3 В, материнська плата. Напруги харчування і землі вимірюються безпосередньо на роз'ємі материнської плати;
• 12 В, відеокарти. Напруга-земля вимірюється безпосередньо на роз'ємі.

EPS наполягає на встановленні згладжують конденсаторів по кожній вимірювальної ланцюга, що було виконано. У місці підключення точок вимірювання, поруч з роз'ємів, встановлено по одному конденсатору 220 мкФ 50 В з низьким внутрішнім опором (40 мОм). Установка конденсатора на 50 В замість допустимих 16 В при збереженні номінальної ємності викликана його меншим внутрішнім опором. Якщо не помічали, то простежується досить чіткий взаємозв'язок - конденсатори однакового геометричного розміру при приблизно однаковому робочому напрузі, мають однакове внутрішній опір.

Це означає, що установка 220 мкФ 50 В еквівалентна 820 мкФ на 16 В з опору втрат, але в другому випадку сумарна ємність конденсаторів ланцюга вище, і це вже погано. Імпульсний блок живлення зобов'язаний швидко включатися, що означає підвищену чутливість до повної ємності конденсаторів ланцюгів навантаження. Крім того, сучасні перетворювачі дуже рідко використовують конденсатори істотної величини - наслідки переходу на SMD технологію з «твердотільними» конденсаторами.

Якщо зі способом підключення тестованого блоку живлення все зрозуміло, то ще більш зрозуміло його розміщення і спосіб кріплення. Звичайний корпус системного блоку виготовляється з металу. Навіть такий «поганий» провідник електрики, як залізний корпус, має менший опір, ніж мідні дроти землі в кабелях підключення блоку живлення. Якщо БП не поставити на його законне місце з надійним електричним з'єднанням, то про коректне вимірі характеристик краще забути відразу. Що означає - тестовий блок живлення слід встановлювати туди, де він і повинен бути, з закручуванням всіх чотирьох кріпильних гвинтів. Питання правильності підключення є одним з найважливіших в технології тестування блоків живлення і після його обговорення можна перейти до допоміжних особливостям стенду.

Методика випробувань зобов'язує до застосування не тільки звичайного «навантажувального» обладнання, але ряду спеціалізованого. Для цього стенд обладнаний генератором перешкод в блоці управління мережевим живленням і «замикач» ланцюгів 12В і 5В на землю в платі підключення. Блок живлення повинен мати захист від перевантаження і короткого замикання і це властивість необхідно перевіряти. З питання перевантаження в вимогах EPS зазначено лише, що БП повинен відключатися при перевищенні струму вище 110-150%. Якщо блок живлення містить групову стабілізацію (іншими словами, не має роздільну стабілізацію і захист по каналах 12В і 5В), то «потужності» характеристики каналу 5В часто збігаються або перевищують канал 12В.

Візьмемо типовий блок живлення бюджетного цінового діапазону - 400 Вт, з яких 250 Вт по 12В і 200 Вт по 5В. Вимоги по «240ВА» не поширюється на канал 5В, що «дозволяє» блоку живлення «гальмувати тілом» при перевищенні струму навантаження (точніше потужності). Тобто, такий БП дуже спокійно може видати більше 500 Вт по каналу 5В, що має на увазі рівні струму вище 100 ампер до тих пір, поки не спрацює загальний захист БП по потужності і він відключиться. «Загальний захист» блоку живлення відрізняється повільністю, так вона і не може бути швидкодіючої - інакше БП буде вимкнутися кидках струму в перехідних процесах.

Тепер розберемося, чи багато це «100 ампер»? Зараз швидше рідкість, а раніше типовим способом підключення периферії всередині системного блоку було використання перехідників і подовжувачів. Як правило, «фірмових» серед них було небагато - дешева продукція серйозні фірми не цікавить. Що до «китайської» продукції, то наявність в перехідниках досить товстих провідників є скоріше нонсенсом. Замір втрат в декількох примірниках подібної продукції показав середній опір 26 мОм. При додаванні опору проводів кабелю живлення периферії БП і пари роз'ємів загальний опір кола зросте до цифри близько 50 мОм. Якщо БП може забезпечити 100 ампер по ланцюгу 5В, то коротке замикання на 50 мОм буде для такого джерела цілком робочим режимом (5 / 0.05 = 100) і відключення БП не відбудеться.

При проведенні логічних розрахунків я не оцінював опір втрат в точці короткого замикання, а воно дуже далеко від нульового - якщо в цьому місці виділяється величезна енергія, то на ньому має падати досить багато напруги. Ефект зварювання. Тому в представлених розрахунках скоріше варто підставляти «більше 50 мОм». Отже, БП міг би не відключитися, і, знаєте, в Конференції відзначаються подібні випадки. Втім, навіть якщо БП і відключиться, фактор часу припинення подачі енергії не менш важливий. Нагрівання провідників і елементів на платі, провідниках - все це пропорційно виділеної потужності на них з урахуванням теплової інерції. Якщо струм високий (див. Вище, 100 ампер зовсім не унікальна цифра), а розміри елементів / трас не великі, то і «незначна» затримка відключення призведе до вкрай неприємних наслідків.

Рекомендації EPS взагалі ніяк не описують умови випробувань на коротке замикання. Мається на увазі, що «перевантаження по току» еквівалентна «короткого замикання». Маючи спільні корені, це різні режими. Перед перевантаженням, як правило, слід підвищене споживання і ситуація, коли на слабозагруженном БП раптово виникає струм споживання вкрай високою величини практично виключені. Це можна оцінити хоча б по тому, що в умовах тестування EPS вказана максимальна швидкість наростання струму. Режим «коротке замикання» може настати при будь-якої потужності навантаження БП і швидкість підвищення струму нічим не обмежена. Саме замикання можливе у випадках між будь-якими ланцюгами, в тому числі і 12В - 5В, але частіше за все воно складається в замиканні 12В або 5В на землю.

Джерелом проблеми зазвічай Виступає або вільно висить Роз'єм кабелю живлення периферії або згоряння елемента перетворювач на матерінській платі або періферійному пристрої. Досить часта ситуація, коли при короткому замиканні 12 або 5 вольт на землю блок живлення вимикається, що нормально, але повторне включення комп'ютера або стає неможливим або супроводжується димом і смородом. При цьому часто виходить з ладу підключений HDD - тому, що це єдиний пристрій в системі, яке має вбудований захист від перенапруг по ланцюгах 12В і 5В. Вихід з ладу HDD говорить про те, що в момент короткого замикання сталося різке і значне підвищення напруги.

Саме різке і значне - suppressor може поглинути досить потужний імпульс, для цієї мети він спроектований. Якщо сталося його руйнування, значить енергія підвищеної напруги була занадто великою. Сучасні жорсткі диски коштують не особливо дешево, та й прикро втратити дані, що знаходяться на них. Причому, системи резервування RAID1 (5 і інші) і висновок дисків із системи можуть виявитися марними - імпульс перенапруги впливає на всі підключені диски. Вартість даних зазвичай перевищує грошові витрати на дисковий сховище, тому «дешевий» блок живлення може обернутися не самим вигідним придбанням. Випадкове коротке замикання або згоряння ключа в перетворювачі - подія не часте, але ніхто від нього не застрахований. Тому методика випробувань БП включає окремий тест такого типу.

Для його виконання встановлено два ключа, по одному на замикання ланцюга 12В і 5В. Це дозволить емулювати найбільш ймовірні варіанти короткого замикання. Монтаж і прокладка ланцюгів виконується з умов проходження високого струму (100-200 А) з внесенням мінімуму реактивної (індуктивної) складової, тому з цього боку якихось нюансів чекати не доводиться і залишається лише визначитися з номінальним опір кола замикання. Перша думка, яка виникає з цього приводу - зробити опір мінімально можливим (1-5 мОм), що виключить будь-які сумніви в спрацьовуванні захисту. Сучасні блоки живлення здатні видавати до 1.5 кВт в номінальному режимі роботи і що буде при перевантаженні - не хочеться навіть думати. Наднизьке опір кола замикання гарантує, що перевантаження по струму (потужності) обов'язково настане. Але чи буде коректним дане випробування? На жаль немає.

Чим менше опір кола замикання, тим вище струм перевантаження, що означає «легкість» визначення схемою захисту і прискорене відключення БП. В ідеалі, струм короткого замикання повинен лише в 2-4 рази перевищувати номінальний режим роботи БП з даного виходу. Тестовий стенд обслуговує блоки живлення різної потужності, від 200 Вт до 1.5 кВт, з різним балансом струму по виходах 5В і 12В, що означає досить протяжний список постійних резисторів з підвищеною пікової потужністю і масу ключів.

Можна спробувати виготовити активний регулятор струму, ось тільки умови його роботи зовсім не прості - час стабілізації не довше 0.1 мс; точність підтримки струму не гірше 10% при діапазоні 50-300 ампер; робоча напруга 12 ... 1 В. Особливо неприємний останній пункт - 300 ампер при напрузі 1 вольт означає застосування резистивного датчика струму номіналом не вище 2 мОм і секції транзисторів з робочою потужністю 2-3 кВт. Завдання здійсненне, але непроста. До того ж, при невдало виставленому струмі короткого замикання блок живлення може не відключитися і дорога іграшка за частки секунди перетворитися в сплавлений грудку проводів. Не варто шалено ускладнювати стенд, загубиться надійність.

У першій редакції тесту буде застосовуватися проста конструкція - резистор і ключ. Резистор є витратним матеріалом і при ексцес його неважко замінити, а ключ можна відразу вибрати з належним запасом по величині струму і це забезпечить деяку надійність його функціонування. Залишається визначитися з номіналом резистора. У EPS не міститься будь-яких корисних вказівок з цього питання, допомога приходить від старанно призабутих рекомендацій ATX - в його тексті фігурує число 0.1 Ом. Ця цифра можливо була оптимальною на той момент часу, але сучасні БП таке замикання «їдять на сніданок», 12 В 120 А - це номінальний режим роботи для блоку живлення 1.5 кВт, я вже промовчу про ланцюг 5В, де 50 ампер буде лише на 67 % вище звичайного номінального струму 30 А.

Доведеться проявити здоровий глузд і виробити величину опору з сучасних реалій. Раніше озвучувалася цифра 26 мОм, але це величина була отримана від застосування подовжувача, які використовуються не так часто. Якщо не коротке замикання проводів, то перевантаження такого типу викликає згоряння ключа в перетворювачі. Для подібного випадку є трохи більше конкретики, опір ключів знаходиться в діапазоні 5-20 мОм. Найчастіше згорає тільки один транзистор, причому повного включеного опору зазвичай не відбувається, транзистор «сплавляється» в резистор з опором в 1-5 разів більше номінальної величини включеного стану.

Справа в тому, що будь-який транзистор середньої-великої потужності не є монолітним елементом і складається з безлічі повторюваних малопотужних структур. «Від згоряння» транзистора відбувається через фізичного руйнування (сплаву) кількох структур. Чим більше елементів в транзисторі сплавилося, тим нижче опір. Фізичне з'єднання ланцюгів «стік» і «витік» відбувається вкрай рідко і, в основному, в мережевих джерелах - для пропалювання кремнієвої пластини потрібно дуже велика енергія, яку важко отримати від низьковольтного джерела. Якщо шкодити спеціально, то можна домогтися чого завгодно, але в грамотно спроектованих схемах спостерігаються подібні закономірності. Отже, 0.1 Ом гарантовано багато, 50 мОм вже краще, але теж може привести до провалу. Ще навпіл?

В результаті медитації і обстеження стелі були обрані наступні номінальні величини:

• 12 В, 30 мОм;
• 5 В, 20 мОм.

Для зниження частоти ремонту стенду, схема випробування на коротке замикання доповнена апаратним таймером, розмикальним ключ через 100 мс.

Переходимо від часткового до загального. Основна плата виглядає наступним чином:

Основні складові частини:

1. Радіатор з регулюючим транзистором навантаження 3.3 В;
2. Блок управління пристроєм;
3. Прецизійні датчики струму і схема управління навантаженням 3.3 В;
4. Службовий джерело 12 В для живлення реле і схеми управління;
5. Гніздо кабелів 12 В живлення процесора;
6. Оригінальний роз'єм живлення материнської плати, спочатку був присутній на платі;
7. Два роз'єму підключення кабелів живлення периферії (висновки взаємно з'єднані);
8. Перший роз'єм підключення кабелів живлення PCI Express;
9. Другий роз'єм ...

На зображенні відзначені основні елементи, пропущеним виявився лише модуль «короткого замикання», його погано видно зверху.

На друкованій платі встановлено кілька транзисторів, які з'єднуються шлейфами до контрольних ланцюгів. В даній схемі з'єднання проблемним може виявитися лише ланцюг «землі» - в результаті величезного струму можлива поява імпульсу закривання транзисторів або порушення роботи мікросхеми управління транзисторами.

Для зниження паразитного опору і індуктивності ланцюг землі виконана широкої мідної стрічкою, що з'єднується з двома гвинтовими кріпленнями з корпусом і ланцюгами «земля» роз'єму 12В процесора і 5В периферії. В результаті імпульсний струм замикання в значній мірі тече тільки по замикаються ланцюгах без значного затікання в загальну «землю».

Загальний вигляд тестового стенда в зборі:

Тестований блок живлення ставиться на «законне» місце вгорі корпусу.

Робота над системою вимірювання рівня шуму не завершена, тому в корпусі не закрита перфорація під вентилятор під блоком живлення і відсутні лампи прогріву простору тестового блоку.

Serj

Далі буде ...