Работа в паре с ИБП К
сожалению, описанные выше A-PFC имеет не только достоинства, но и один
недостаток – некоторые его реализации не могут нормально работать с
блоками бесперебойного питания. В момент перехода ИБП на батареи такие
A-PFC скачком увеличивают своё потребление, в результате чего в ИБП
срабатывает защита от перегрузки и он просто отключается. Для
оценки адекватности реализации A-PFC в каждом конкретном блоке мы
подключаем его к ИБП APC SmartUPS SC 620VA и проверяем их работу в двух
режимах – сначала при питании от сети, а потом при переходе на батареи.
В обоих случаях мощность нагрузки на блок постепенно увеличивается до
того момента, пока на ИБП не включится индикатор перегрузки. Если
данный блок питания совместим с ИБП, то допустимая мощность нагрузки на
блок при питании от сети обычно составляет 340...380 Вт, а при переходе
на батареи – чуть меньше, около 320...340 Вт. При этом, если в момент
перехода на батареи мощность была выше, то ИБП включает индикатор
перегрузки, но не отключается. Если
же у блока есть указанная выше проблема, то максимальная мощность, при
которой ИБП соглашается с ним работать на батареях, падает заметно ниже
300 Вт, а при её превышении ИБП полностью выключается либо прямо в
момент перехода на батареи, либо спустя пять-десять секунд. Если вы
планируете обзаводиться ИБП, такой блок лучше не покупать. К
счастью, в последнее время блоков, несовместимых с ИБП, остаётся всё
меньше. Скажем, если такие проблемы были у блоков серий PLN/PFN
компании FSP Group, то уже в следующих сериях GLN/HLN они были
полностью исправлены. Если
же вы уже являетесь обладателем блока, неспособного нормально работать
с ИБП, то выходов два (помимо доработки самого блока, для чего
требуется хорошее знание электроники) – менять либо блок, либо ИБП.
Первое, как правило, дешевле, так как ИБП потребуется приобретать как
минимум с очень большим запасом по мощности, а то и вовсе –
online-типа, что, мягко говоря, недёшево и в домашних условиях ничем не
оправдано.
Маркетинговый шум
Помимо
технических характеристик, которые можно и нужно проверять в ходе
тестов, производители часто любят снабжать блоки питания массой
красивых надписей, повествующих об использованных в них технологиях.
При этом их смысл иногда искажён, иногда тривиален, иногда эти
технологии вообще относятся лишь к особенностям внутренней схемотехники
блока и не влияют на его "внешние" параметры, а используются по
соображениям технологичности или себестоимости. Иначе говоря, зачастую
красивые ярлыки представляют собой обычный маркетинговый шум, причём –
белый, не содержащий в себе никакой ценной информации. Большинство из
таких заявлений не имеет большого смысла проверять экспериментально,
однако ниже мы постараемся перечислить основные и наиболее часто
встречающиеся, чтобы наши читатели могли более ясно представлять, с чем
имеют дело. Если вы считаете, что мы упустили какой-либо из характерных
пунктов – не стесняйтесь сказать нам об этом, мы обязательно дополним
статью. Dual +12V output circuits В
старые-старые времена блоки питания имели по одной шине на каждое из
выходных напряжений – +5 В, +12 В, +3,3 В и пару отрицательных
напряжений, а максимальная мощность каждой из шин не превышала
150...200 Вт, и лишь в некоторых особо мощных серверных блоках нагрузка
на пятивольтовую шину могла достигать 50 А, то есть 250 Вт. Однако со
временем ситуация менялась – общая потребляемая компьютерами мощность
всё росла, а её распределение между шинами сдвигалось в сторону +12 В. В
стандарте ATX12V 1.3 рекомендуемый ток шины +12 В достиг 18 А... и вот
тут и начались проблемы. Нет, не с повышением тока, с этим никаких
особенных проблем не было, а с безопасностью. Дело в том, что, согласно
стандарту EN-60950, максимальная мощность на свободно доступных
пользователю разъёмах не должна превышать 240 ВА – считается, что
большие мощности в случае замыканий или отказа оборудования уже с
большой вероятностью могут приводить к разным неприятным последствиям,
например, к возгоранию. На 12-вольтовой шине такая мощность достигается
при токе 20 А, при этом выходные разъёмы блока питания, очевидно,
считаются свободно доступными пользователю. В
результате, когда потребовалось ещё больше увеличить допустимый ток
нагрузки на +12 В, разработчиками стандарта ATX12V (то есть компанией
Intel) было решено разделить эту шину на несколько, с током по 18 А
каждая (разница в 2 А закладывалась как небольшой запас). Исключительно
из требований безопасности, абсолютно никаких других причин у этого
решения нет. Немедленным следствием из этого является то, что блоку
питания на самом деле совсем не требуется иметь более одной шины +12 В
– ему лишь требуется, чтобы при попытке нагрузить любой его
12-вольтовый разъём током более 18 А срабатывала защита. И всё. Самый
простой способ реализации этого заключается в установке внутри блока
питания нескольких шунтов, к каждому из которых подключена своя группа
разъёмов. Если ток через один из шунтов превышает 18 А – срабатывает
защита. В результате, с одной стороны, ни на одном из разъёмов по
отдельности мощность не может превысить 18 А * 12 В = 216 ВА, с другой
же стороны, суммарная мощность, снимаемая с разных разъёмов, может быть
и больше этой цифры. И волки сыты, и овцы целы. Поэтому
– на самом деле – блоков питания с двумя, тремя или четырьмя шинами +12
В в природе практически не встречается. Просто потому, что это не надо
– зачем городить внутри блока, где и так весьма тесно, кучу
дополнительных деталей, когда можно обойтись парой-тройкой шунтов да
простенькой микросхемой, которая будет контролировать напряжение на них
(а так как сопротивление шунтов нам известно, то из напряжения
немедленно и однозначно следует величина протекающего через шунт тока)? Однако
маркетинговые отделы производителей блоков питания не могли пройти мимо
такого подарка – и вот уже на коробках блоков питания красуются
изречения о том, как две линии +12 В помогают увеличить мощность и
стабильность. А уж если линий три... Но
ладно, если бы этим дело ограничилось. Последнее веяние моды – это
блоки питания, в которых разделение линий как бы есть, а как бы и нет.
Как это? Очень просто: как только ток на одной из линий достигает
заветных 18 А, защита от перегрузки... отключается. В результате, с
одной стороны, и сакральная надпись "Triple 12V Rails for unprecedented
power and stability" с коробки никуда не исчезает, а с другой, можно
ещё рядом таким же шрифтом добавить какую-нибудь чушь о том, что при
необходимости все три линии в одну объединяются. Чушь – потому что, как
сказано выше, они никогда и не разъединялись. Постичь же всю глубину
"новой технологии" с технической точки зрения вообще решительно
невозможно: по сути, отсутствие одной технологии нам пытаются
преподнести как наличие другой. Из
известных нам случаев пока что на ниве продвижения в массы
"самоотключающейся защиты" отметились компании Topower и Seasonic, а
также, соответственно, брэнды, продающие их блоки под своей маркой. Short circuit protection (SCP) Защита от короткого замыкания выхода блока. Является обязательной согласно документу ATX12V Power Supply Design Guide – а значит, присутствует во всех блоках, претендующих на соответствие стандарту. Даже в тех, где на коробке нет надписи "SCP". Overpower (overload) protection (OPP) Защита от перегрузки блока по суммарной мощности по всем выходам. Является обязательной. Overcurrent protection (OCP) Защита
от перегрузки (но ещё не короткого замыкания) любого из выходов блока
по отдельности. Присутствует на многих, но не на всех блоках – и не для
всех выходов. Обязательной не является. Overtemperature protection (OTP) Защита от перегрева блока. Встречается не столь часто и обязательной не является. Overvoltage protection (OVP) Защита
от превышения выходных напряжений. Является обязательной, но, по сути,
рассчитана на случай серьёзной неисправности блока – защита срабатывает
лишь при 20...25 % превышении любого из выходных напряжений над
номиналом. Иначе говоря, если Ваш блок выдаёт 13 В вместо 12 В – его
желательно как можно быстрее заменить, но вот его защита при этом
срабатывать не обязана, потому как рассчитана на более критические
ситуации, грозящие немедленным выходом подключённого к блоку
оборудования из строя. Undervoltage protection (UVP) Защита
от занижения выходных напряжений. Разумеется, слишком низкое
напряжение, в отличие от слишком высокого, к фатальным последствиям для
компьютера не приводит, но может вызвать сбои, скажем, в работе
жёсткого диска. Опять же, защита срабатывает при проседании напряжений
на 20...25 %. Nylon sleeve Мягкие
плетёные нейлоновые трубочки, в которые убраны выходные провода блока
питания – они немного облегчают укладку проводов внутри системного
блока, не давая им перепутываться. К
сожалению, многие производители от безусловно хорошей идеи
использования нейлоновых трубочек перешли к толстым пластиковым
трубкам, зачастую дополненным экранированием и светящимся в
ультрафиолете слоем краски. Светящаяся краска – это, конечно, дело
вкуса, а вот экранирование проводам блока питания нужно не более, чем
рыбе зонтик. Зато толстые трубки делают шлейфы упругими и негнущимися,
что не только мешает их укладывать в корпусе, но попросту представляет
опасность для разъёмов питания, на которые приходится немалая сила
сопротивляющихся сгибанию шлейфов. Зачастую
подаётся это якобы ради улучшения охлаждения системного блока – но,
уверяю вас, упаковка проводов блока питания в трубки на потоки воздуха
внутри корпуса влияет крайне слабо. Dual core CPU support По сути, не более чем красивая этикетка. Двуядерные процессоры не требуют от блока питания никакой специальной поддержки. SLI and CrossFire support Ещё
одна красивая этикетка, означающая наличие достаточного количества
разъёмов питания видеокарт и способности выдавать мощность, считающуюся
достаточной для питания SLI-системы. Ничего более. Иногда
производитель блока получает от производителя видеокарт какой-нибудь
соответствующий сертификат, но и он не означает ничего, кроме
вышеупомянутого наличия разъёмов и большой мощности – при этом зачастую
последняя значительно превышает потребности типичной SLI- или
CrossFire-системы. Ведь надо же производителю как-то обосновать перед
покупателями необходимость приобретения блока безумно большой мощности,
так почему бы и не сделать этого, наклеив этикетку "SLI Certified"
только на него?.. Industrial class components И
снова красивая этикетка! Как правило, под компонентами промышленного
класса подразумеваются детали, работающие в широком диапазоне
температур – но, право слово, зачем в блок питания ставить микросхему,
способную работать при температуре от -45 °C, если побывать на морозе
этому блоку всё равно не доведётся?.. Иногда
под промышленными компонентами понимаются конденсаторы, рассчитанные на
работу при температуре до 105 °C, но тут, в общем, тоже всё банально:
конденсаторы в выходных цепях блока питания, греющиеся сами по себе, да
ещё и расположенные рядом с горячими дросселями, всегда рассчитаны на
105 °C максимальной температуры. В противном случае срок их работы
оказывается слишком маленьким (конечно, температура в блоке питания
много ниже 105 °C, однако проблема заключается в том, что любое
повышение температуры снижает срок службы конденсаторов – но чем выше
максимально допустимая рабочая температура конденсатора, тем меньше
будет влияние нагрева на его срок службы). Входные
же высоковольтные конденсаторы работают практически при температуре
окружающего воздуха, поэтому использование немного более дешёвых
85-градусных конденсаторов никак на срок жизни блока питания не влияет. Advanced double forward switching design Заманивать покупателя красивыми, но совершенно непонятными ему словами – любимое занятие маркетинговых отделов. В
данном случае речь идёт о топологии блока питания, то есть общему
принципу построения его схемы. Существует достаточно большое количество
различных топологий – так, помимо собственно двухтранзисторного
однотактного прямоходового преобразователя (double forward converter),
в компьютерных блоках можно также встретить однотранзисторные
однотактные прямоходовые преобразователи (forward converter), а также
полумостовые двухтактные прямоходовые преобразователи (half-bridge
converter). Все эти термины интересны лишь специалистам-электронщикам,
для обычного же пользователя они по сути ничего не означают. Выбор
конкретной топологии блока питания определяется многими причинами –
ассортиментом и ценой транзисторов с необходимыми характеристиками (а
они серьёзно отличаются в зависимости от топологии), трансформаторов,
управляющих микросхем... Скажем, однотранзисторный прямоходовый вариант
прост и дёшев, но требует использования высоковольтного транзистора и
высоковольтных диодов на выходе блока, поэтому используется он только в
недорогих маломощных блоках (стоимость высоковольтных диодов и
транзисторов большой мощности слишком велика). Полумостовый двухтактный
вариант немного сложнее, зато и напряжение на транзисторах в нём вдвое
меньше... В общем, в основном это вопрос наличия и стоимости
необходимых компонентов. Например, можно с уверенностью прогнозировать,
что рано или поздно во вторичных цепях компьютерных блоков питания
начнут использоваться синхронные выпрямители – ничего особенно нового в
этой технологии нет, известна она давно, просто пока что слишком дорога
и обеспечиваемые ею преимущества не покрывают затраты. Double transformer design Использование
двух силовых трансформаторов, которое встречается в блоках питания
большой мощности (как правило, от киловатта) – как и в предыдущем
пункте, чисто инженерное решение, которое само по себе в общем-то не
влияет на характеристики блока сколь-нибудь заметным образом – просто в
некоторых случаях удобнее распределить немалую мощность современных
блоков по двум трансформаторам. Например, если один трансформатор
полной мощности не удаётся втиснуть в габариты блока по высоте. Тем не
менее, некоторые производители подают двухтрансформаторную топологию
как позволяющую добиться большей стабильности, надёжности и так далее,
что не совсем верно. RoHS (Reduction of Hazardous Substances) Новая
директива Евросоюза, ограничивающая использование ряда вредных веществ
в электронном оборудовании начиная с 1 июля 2006 года. Под запрет
попали свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный хром и два бромидных
соединения – для блоков питания это означает, в первую очередь, переход
на бессвинцовые припои. С одной стороны, конечно, мы все за экологию и
против тяжёлых металлов – но, с другой стороны, резкий переход на
использование новых материалов может иметь в будущем весьма неприятные
последствия. Так, многие хорошо знают историю с жёсткими дисками
Fujitsu MPG, в которых массовый выход из строя контроллеров Cirrus
Logic был вызван упаковкой их в корпуса из нового "экологичного"
компаунда компании Sumitomo Bakelite: входящие в него компоненты
способствовали миграции меди и серебра и образованию перемычек между
дорожками внутри корпуса микросхемы, что приводило к практически
гарантированному отказу чипа через год-два эксплуатации. Компаунд сняли
с производства, участники истории обменялись пачкой судебных исков, ну
а владельцам данных, погибших вместе с винчестерами, оставалось лишь
наблюдать за происходящим.
Используемое оборудование
Разумеется,
первоочередной задачей при тестировании блока питания является проверка
его работы на различных мощностях нагрузки, вплоть до максимальной.
Долгое время в различных обзорах авторы использовали для этой цели
обычные компьютеры, в которые устанавливался проверяемый блок. Такая
схема имела два основных недостатка: во-первых, нет возможности
сколь-нибудь гибко контролировать потребляемую от блока мощность,
во-вторых, трудно адекватно нагрузить блоки, имеющие большой запас
мощности. Вторая проблема особенно ярко стала проявляться в последние
годы, когда производители блоков питания устроили настоящую гонку за
максимальной мощностью, в результате чего возможности их изделий
намного превзошли потребности типичного компьютера. Конечно, можно
говорить о том, раз для компьютера не требуется мощность более 500 Вт,
то и нет большого смысла тестировать блоки на большей нагрузки – с
другой стороны, раз уж мы вообще взялись испытывать изделия с большей
паспортной мощностью, то было бы странно хотя бы формально не проверить
их работоспособность во всём допустимом диапазоне нагрузок. Для
тестирования блоков питания в нашей лаборатории используется
регулируемая нагрузка с программным управлением. Работа системы
построена на одном хорошо известном свойстве полевых транзисторов с
изолированным затвором (MOSFET): они ограничивают протекающий через
цепь сток-исток ток в зависимости от напряжения на затворе.
Выше
показана простейшая схема стабилизатора тока на полевом транзисторе:
подключив схему к блоку питания с выходным напряжением +V и вращая
ручку переменного резистора R1, мы меняем напряжение на затворе
транзистора VT1, тем самым меняя и текущий через него ток I – от нуля
до максимального (определяемого характеристиками транзистора и/или
тестируемого блока питания). Впрочем,
такая схема не слишком совершенна: при нагреве транзистора его
характеристики "поплывут", а значит, будет меняться и ток I, хотя
управляющее напряжение на затворе останется постоянным. Для борьбы с
этой проблемой необходимо добавить в схему второй резистор R2 и
операционный усилитель DA1:
Когда
транзистор открыт, ток I протекает через его цепь сток-исток и резистор
R2. Напряжение на последнем равно, согласно закону Ома, U=R2*I. С
резистора это напряжение поступает на инвертирующий вход операционного
усилителя DA1; на неинвертирующий вход этого же ОУ поступает
управляющее напряжение U1 с переменного резистора R1. Свойства любого
операционного усилителя таковы, что при таком включении он старается
поддерживать напряжение на своих входах одинаковым; делает он это
посредством изменения своего выходного напряжения, которое в нашей
схеме поступает на затвор полевого транзистора и, соответственно,
регулирует протекающий через него ток. Допустим,
сопротивление R2 = 1 Ом, а на резисторе R1 мы установили напряжение 1
В: тогда ОУ так изменит своё выходное напряжение, чтобы на резисторе R2
также падал 1 вольт – соответственно, ток I установится равным 1 В / 1
Ом = 1 А. Если мы установим R1 на напряжение 2 В – ОУ отреагирует
установкой тока I = 2 А, и так далее. Если ток I и, соответственно,
напряжение на резисторе R2 изменятся из-за разогрева транзистора, ОУ
тут же скорректирует своё выходное напряжение так, чтобы вернуть их
обратно. Как
видите, мы получили отличную управляемую нагрузку, которая позволяет
плавно, поворотом одной ручки, менять ток в диапазоне от нуля до
максимума, а единожды установленное его значение автоматически
поддерживает сколь угодно долго, да при этом ещё и весьма компактна.
Такая схема, разумеется, на порядок удобнее громоздкого набора
низкоомных резисторов, группами подключаемых к тестируемому блоку
питания. Максимальная
мощность, рассеиваемая на транзисторе, определяется его тепловым
сопротивлением, предельно допустимой температурой кристалла и
температурой радиатора, на котором он установлен. В нашей установке
используются транзисторы International Rectifier IRFP264N (PDF,
168 кбайт) с допустимой температурой кристалла 175 °C и тепловым
сопротивлением кристалл-радиатор 0,63 °C/Вт, а система охлаждения
установки позволяет удерживать температуру радиатора под транзистором в
пределах 80 °C (да, требующиеся для этого вентиляторы – весьма
шумны...). Таким образом, максимальная рассеиваемая на одном
транзисторе мощность равна (175-80)/0,63 = 150 Вт. Для достижения
нужной мощности используется параллельное включение нескольких
описанных выше нагрузок, управляющий сигнал на которые подаётся с
одного и того же ЦАПа; можно также использовать параллельное включение
двух транзисторов при одном ОУ, в таком случае предельная рассеиваемая
мощность увеличивается в полтора раза по сравнению с одним транзистором. До
полностью автоматизированного тестового стенда остаётся один шаг:
заменить переменный резистор на ЦАП, управляемый компьютером – и мы
сможем регулировать нагрузку программно. Подключив же несколько таких
нагрузок к многоканальному ЦАП и установив тут же многоканальный АЦП,
измеряющий выходные напряжения тестируемого блока в реальном времени,
мы получим полноценную тестовую систему для проверки компьютерных
блоков питания во всём диапазоне допустимых нагрузок при любых их
комбинациях:
Выше
на фотографии представлена наша тестовая система в её текущем виде. На
верхних двух блоках радиаторов, охлаждаемых мощными вентиляторами
типоразмера 120x120x38 мм, расположены транзисторы нагрузки
12-вольтовых каналов; более скромный радиатор охлаждает транзисторы
нагрузки каналов +5 В и +3,3 В, а в сером блоке, подключаемом шлейфом к
LPT-порту управляющего компьютера, расположены вышеупомянутые ЦАП, АЦП
и сопутствующая электроника. При габаритах 290х270х200 мм она поволяет
испытывать блоки питания мощностью до 1350 Вт (до 1100 Вт по шине +12 В
и до 250 Вт по шинам +5 В и +3,3 В).
Для
управления стендом и автоматизации некоторых тестов была написана
специальная программа, снимок экрана которой представлен выше. Она
позволяет:
вручную устанавливать нагрузку на каждый из четырёх имеющихся каналов:
первый канал +12 В, от 0 до 44 А; второй канал +12 В, от 0 до 48 А; канал +5 В, от 0 до 35 А; канал +3,3 В, от 0 до 25 А;
в реальном времени контролировать напряжения тестируемого блока питания на указанных шинах; автоматически измерять и строить графики кросс-нагрузочных характеристик (КНХ) для указанного блока питания; автоматически измерять и строить графики зависимости КПД и коэффициента мощности блока в зависимости от нагрузки; в полуавтоматическом режиме строить графики зависимости скоростей вентиляторов блока от нагрузки; в полуавтоматическом режиме калибровать установку с целью получения максимально точных результатов.
Особенную
ценность, конечно, представляет собой автоматическое построение
графиков КНХ: для них требуется провести измерения выходных напряжений
блока при всех допустимых для него комбинациях нагрузок, что означает
очень большое количество измерений – для проведения такого теста
вручную потребовалась бы изрядная усидчивость и избыток свободного
времени. Программа же на основе введённых в неё паспортных
характеристик блока строит карту допустимых для него нагрузок и далее
проходит по ней с заданным интервалом, на каждом шаге измеряя
выдаваемые блоком напряжения и нанося их на график; весь процесс
занимает от 15 до 30 минут, в зависимости от мощности блока и шага
измерений – и, главное, не требует вмешательства человека.
Измерение КПД и коэффициента мощности
Для
измерения КПД блока и его коэффициента мощности используется
дополнительное оборудование: тестируемый блок включается в сеть 220 В
через шунт, к шунту же подключается осциллограф Velleman PCSU1000.
Соответственно, на его экране мы видим осциллограмму потребляемого
блоком тока, а значит, можем рассчитать потребляемую им от сети
мощность, а зная установленную нами же мощность нагрузки на блок – и
его КПД. Измерения проводятся в полностью автоматическом режиме:
описанная выше программа PSUCheck умеет получать все нужные данные
напрямую из ПО осциллографа, подключаемого к компьютеру по
USB-интерфейсу. Для
обеспечения максимальной точности результата выходная мощность блока
измеряется с учётом колебаний его напряжений: скажем, если при нагрузке
10 А выходное напряжение шины +12 В просело до 11,7 В, то
соответствующее слагаемое при расчёте КПД будет равно 10 А * 11,7 В =
117 Вт.
Осциллограф Velleman PCSU1000
Этот
же осциллограф используется и для измерения размаха пульсаций выходных
напряжений блока питания. Измерения производятся на
К
сожалению, описанные выше A-PFC имеет не только достоинства, но и один
недостаток – некоторые его реализации не могут нормально работать с
блоками бесперебойного питания. В момент перехода ИБП на батареи такие
A-PFC скачком увеличивают своё потребление, в результате чего в ИБП
срабатывает защита от перегрузки и он просто отключается.
