ОГЛАВЛЕНИЕ:

• Вступление, Комплектация, Внешний вид, Тестовый стенд и методика измерений
• Тестирование
• Особенности функционирования, Программное обеспечение, Заключение

Тестирование

Цель испытаний - получить количественный и качественный ответ по соответствию исследуемого БП спецификаций и требований ГОСТ'ов по необходимому качеству функционирования. Если говорить кратко, БП должен соответствовать тому, что указано в спецификациях. Процесс исследования состоит из определенного набора тестов, описанных в «методике тестирования».

Включение

При установке сигнала PSON в активное состояние блок питания обязан включиться за небольшой интервал времени, при этом выходные напряжения должны появиться максимально быстро и достаточно синхронно. Не допускается каких-либо перенапряжений и провалов. Дабы не загружать статью множеством численных данных, все желающие ознакомиться с параметрами включения/выключения могут изучить описание пункта 6.9. EPS12V Power Supply Design Guide любой редакции V2.9х.

Включение/выключение:

На данной диаграмме отображены три режима блока питания:

• Включение - состояние до момента перехода БП в рабочее состояние. Индикатором является установка сигнала PSOK;
• Нагрузка - после перехода PSOK в рабочее состояние (‘1’) выставляется низкая величина мощности нагрузки, затем уровень потребления повышается до 50% номинальной мощности БП;
• Выключение – после установки 50 процентной нагрузки на БП снимается сигнал управления PSON, что обязывает его выключиться. При этом блок питания должен проработать еще небольшое время, а сигнал PSOK обязан сброситься до момента снижения выходных напряжений БП.

Полученные характеристики:

Блок питания демонстрирует «типичные» временные характеристики, без отклонений. Однако стоит отметить существенный «провал» уровня 12 вольт при «набросе» нагрузки.

Рассмотрим  процесс появления напряжений более подробно:

По очередности появления напряжений явно просматривается топология с отдельными преобразователями «5 В» и «3.3 В», причем они запускаются только после прихода в норму канала «12 В».

У блока питания не удачно настроена частотная коррекция канала «12 В», что выражается в замедленном выходе уровня к номинальному значению.

Нагрузочная характеристика

Процесс испытания состоит в последовательном изменении тока нагрузки по каждому выходу блока питания с измерением отклика. При этом по другим каналам устанавливается «типичная» минимальная и максимальная величина тока нагрузки. Данный прием позволяет оценить нагрузочную кривую блока питания в типичных условиях работы и представить результаты измерения на обычных «плоских» графиках.

Нагрузка по выходу 12 вольт

При повышении нагрузки по «12 В» его уровень почти не меняется, что является отличным результатом. Но я бы не стал особо восхищаться, данный тест показывает лишь статическую нагрузку, которая не является чем-то особо важным. Впрочем, стоит отдельно подчеркнуть отсутствие влияние нагрузки по «12 В» на выходы «5 В» и «3.3 В», сдвиг составил лишь 10 мВ.

Нагрузка по выходу 5 вольт

Нагрузка по каналу «5 В» снижает уровень на его выходе, но никаких «особенностей» не наблюдается.

Нагрузка по выходу 3.3 вольта

Выход «3.3 В» содержит в себе некоторую скрытую проблему – по мере повышения тока нагрузки его уровень вначале повышается, затем начинает снижаться. Эта особенность может говорить о сниженной стабильности выхода.

Если не возражаете, пара определений:

• Выходное сопротивление R(a) = отношение уменьшения напряжения на выходе к приращению тока на нем же;
• Переходное сопротивление R(a)(b) = отношение уменьшения напряжения на выходе (а) к приращению тока на выходе (b).

Нагрузочные характеристики:

Самое большое выходное сопротивление (2.6 мОм) на канале «5 В», не имеющим обратную связь с конца кабеля, остальные два выхода показывают лучшие результаты. Впрочем, и это «большое» значение явно лучше 10-20 мОм, часто демонстрируемое обычными блоками питания с групповой стабилизацией.

Комплексная нагрузочная характеристика

Выход 12 вольт

Блок питания демонстрирует крайне незначительное снижение уровня на выходе «12 В» по мере увеличения нагрузки, достигая оптимального значения 12 вольт на 2/3 максимальной мощности.

Выход 5 вольт

Нагрузочная характеристика обычная, по мере повышения тока уровень слегка снижается, какие-либо «особенности» отсутствуют.

Комплексная нагрузочная характеристика по выходу «3.3 В» не снимается в виду малой величины нагрузки по данному выходу и его реальной не востребованности для работы  внешних устройств. Впрочем, для данного БП его свойства хорошо повторяют канал «5 В» и выводы можно сделать и без дополнительного исследования.

Время удержания сети

Блок питания работает от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Но не существует ничего идеального, в сети может происходить различного рода нарушения - от кратковременных дефектов (искажения формы, помехи) до более длительных снижений/повышения уровня, вплоть до непродолжительных отключений. Блок питания обязан (и это обязательство закреплено ГОСТ'ом) сохранить свое функционирование в течении пропуска одного периода. Для сетей бывшего СССР задана частота сети 50 Гц, что означает 20 мс.

Требования стандартов:

Стандарт	Время удержания сети, мс
ATX v2.4	16 (1/60 Гц)
EPS v2.9x	18
ГОСТ Р 50628	20 (1/50 Гц)

Повторюсь – интерес представляет только требование ГОСТ'а, остальные стандарты не имеют законной силы.

Исследование выполняется двумя способами - «классическим» (и неправильным), по измерению времени удержания после отключения сети, и вторым - с перебором времени отсутствия сети до факта выхода БП из рабочего режима (отключения). Последний вариант корректнее отображает реальные условия работы и предоставляет много дополнительной информации, полезной для подключения БП к слабой сети или бесперебойному источнику. Вначале «классика», отключение сети:

Уровень выходного напряжения канала «12 В» начал уменьшаться через 15 мс с отключением в 21 мс, а сигнал PSOK был снят на отметке 14 мс. Последовательность формирования сигналов правильная, вот только время удержания слишком мало.

Требования ГОСТ'а оговаривает, что БП обязан вначале снять PSOK и лишь после этого могут снижаться выходные напряжения (не менее 1 мс) и это выполняется.

Второй вариант испытания.

По мере увеличения времени провала сети возрастает импульсный ток потребления, но обратите внимание на графики выхода 12 вольт. Выходы отдельных преобразователей «3.3 В » и «5 В» сохраняет хорошую стабильность, а силовой выход «12 В» демонстрируют нечто невообразимое. При исследовании процесса включения отмечалась «заторможенная» реакция обратной связи и на данном тесте она проявилась особенно 'красочно' – канал «12 В» демонстрирует резкие всплески уровня, пропорциональные степени разряда сетевого накопительного конденсатора. Хоть и неприятно, но стоит отметить, что величина пульсаций не выходит за  5% границу, а потому явным «недостатком» не является.

Последний тестовый цикл:

Блок питания отключился снятием PS_OK до момента снижения напряжений, что является правильным режимом работы.

В виде таблицы:

Ток почти нормальный, 57 ампер. К сожалению, время удержания сети существенно меньше требуемого значения, а это «провал».

Импульсная нагрузка

Блок питания обеспечивает работу сложной системы с весьма непостоянным уровнем потребления, причем без какой либо явной привязки к выходным каналам. Ранее приводилась нагрузочная характеристика, но этот тест показывает лишь выходное сопротивление на постоянном токе, а по «переменной составляющей» могут происходить самые причудливые превращения. Впрочем, я выразился слишком мудрено, исправлюсь - нагрузочная характеристика покажет вам лишь то, как «проседает» напряжение под нагрузкой. Но есть и другая характеристика - как будет реагировать блок питания на кратковременные броски (или сброс) тока. В данном случае обратная связь уже не справляется со стабилизацией и все неприятные особенности будут в большей степени зависеть от качества выходного фильтра канала - параметров выходного конденсатора и индуктивности фильтра.

Исследование заключается в попеременной подаче короткого импульса тока поочередно на каждый выход («12 В», «5 В», «3.3 В») для двух мер нагрузки всего блока питания - 10% и 80%.

Нагрузка по «12 В» приводит к аналогичной реакции по каналам «5 В» и «3.3 В» из-за общей цепи «земля». Импульс тока по выходу «5 В» влияет только сам на себя (остальные два выхода сами отслеживают напряжения на нагрузке).

Предыдущие испытания показывают очень хорошие нагрузочные характеристики канала «12 В», практически идеальные. Данный тест  информирует, что ситуация не столь радужна, канал имеет весьма существенное сопротивление по переменной составляющей.

Перегрузка по току

К сожалению, не так уж редок случай, когда какой-нибудь провод или разъем случайно попадает на землю, что вызывает отключение БП. Если не эта небрежность (а кто от нее застрахован?), то может «помочь» сгорание преобразователя на материнской плате или периферийном устройстве. От такой неприятности никто не застрахован, поэтому БП проектируются с защитой от перегрузки и его испытание должно содержать пункт по исследованию работы в данном стрессовом режиме. При этом интерес представляет как время выключения, так и характер изменения выходных напряжений в момент перегрузки. Вряд ли кому-нибудь понравится, если БП при коротком замыкании по «5 В» выдаст по «12 В» что-то вроде 20 вольт - периферия будет уничтожена. Тест заключается в поочередном замыкании цепей «5 В» и «12 В» на землю через резисторы 20 и 30 мОм соответственно.

Выход 5 вольт

Перегрузка по выходу «5 В» вызвала быстрое отключение всего БП, что является хорошим результатом.

Выход 12 вольт

Перегрузка по «12 В» вызвала отключение всего БП, но сам сигнал «PSOK» был сброшен только через 0.5 мс.

Время реакции хорошая, а вот сигнализация «PSOK» немного запаздывает. Впрочем, условия работы слишком экстремальные и требовать правильной сигнализации явно не стоит.

Устойчивость к помехам в сети 220 вольт

Сеть питания не идеальной источник, в ней могут быть помехи. Данный способ тестирования востребован ГОСТ'ом, а потому включен в общее исследование.

По способу распространения, помехи делятся на два типа - дифференциальные (между двумя проводами питания) и синфазные (относительно земли). Для их имитации используется импульсный генератор 500 вольт по формуле «1/50».

Дифференциальные

 

Синфазные

Выход «3.3 В» демонстрирует повышенный уровень пульсаций, что портит картину тестирования. В остальном, тест пройден «очень хорошо».

Нестабильная сеть

Кроме помех, в сети довольно часто происходит другая неприятность - длительное снижение уровня. Нормы на сеть ограничивают ее диапазон границами 220В +10/-15%, но ничего не «мешает» получить у потребителя и большее и меньшее значение. Требования ГОСТ'а обязывают БП способным функционировать как в нормальном диапазоне (+10/-15%), так и выдерживать кратковременное снижение и завышение уровня.

Блок питания демонстрирует полное отсутствие влияния величины сети на выходные напряжения.

К работе узла APFC особых нареканий нет - резкая смена напряжения сети вызывает лишь кратковременные, «спокойные» и весьма небольшие изменения уровня тока потребления в переходных процессах. Однако обратите внимание на переход  напряжения 220->154. Во время резкого снижения уровня питающей сети повысился ток потребления блока питания от сети, что и должно было случиться, но в сам момент перехода на канале «12 В» отмечается небольшой импульс. Величина нестабильности не велика и вряд-ли  окажет влияние на функционирование компьютера, но подобные взаимосвязи вызывают настороженность.

Второй тест данного типа - монотонное снижение напряжения сети.

Снижение уровня сети не вызвала каких-либо неудобств, пока напряжение не снизилось до 177 вольт, при котором блок APFC сделал нечто ‘странное’. Мне кажется, производителю стоит пересмотреть работу узла APFC, его поведение не-«правильно». В остальном - БП не отключился во всем представленном диапазоне напряжений сети, что говорит о его исполнении «Full range» (110-220 В).

Эффективность работы

Во время измерения эффективности во время испытания приводятся напряжения на выходах 3.3/5/12, а само тестирование будет проводиться «до железки», пока блок питания не выключится. Это позволит оценить перегрузочную способность блока питания. Данный тест обязан проводиться быстро, иначе можно нарушить условие кратковременности перегрузки, оговариваемой на блоки питания.

Выход 12 вольт

Напряжение не так стабильно, как демонстрировало предыдущее тестирование, но к этому есть весомая причина – одновременно с повышением нагрузки на выход «12 В», аналогичное повышение тока происходит и по выходу «5 В». В результате взаимного влияния по цепи «земля» уровень выхода 12 вольт тихо «уплывает» вниз, чего не будет в реальной работе блока питания. Так что, никаких противоречий с предыдущими измерениями не наблюдается. При приближении к максимальной величине нагрузки на выходе возрастает уровень пульсаций. Интересно, что на 1100 Вт все приходит в норму, а далее следует еще один рост нестабильности, заканчивающийся отключением БП. При этом стоит учесть, что второй повышенный уровень помех приходится на режим перегрузки, а потому ‘требовать’ от БП высокой стабильности было бы излишне оптимистичным.

Выход 5 вольт

 Выход 3.3 вольта

Никаких аномалий, отдельные преобразователи каналов «3.3 В» и «5 В» работают достаточно корректно, уровень пульсаций низок.

Ток потребления сети

Форма тока потребления приближается к синусоидальной уже после первой трети графика, что несколько лучше типичных  для компьютерных блоков питания «половины» диаграммы. Подробнее форма тока будет рассмотрена в следующем пункте испытаний.

КПД

Эффективность в табличном представлении, все численные данные представлены в процентах:

Данный блок питания номинирован производителем как «80PLUS Gold», что подтверждается.

При прохождении сертификации 80plus на блоке питания создаются исключительно «рафинированные» условия загрузки выходов – по всем выходам подключается строго оптимальная (равномерная) нагрузка. При выполнении данного исследования эмулируется реальная ситуация у конечного пользователя, поэтому отличия в результатах 0.3-0.5% вполне ожидаемы.

Перегрузочная способность.

Блок питания показывает высокую перегрузочной способность, почти в 1.5 раза. Наибольшая эффективность демонстрируется блоком питания на величине нагрузки 41% (410 Вт).

Фоновое потребление

Компьютерный блок питания не идеальный источник и потребляет некоторую мощность под собственные нужды. Во включенном состоянии основная часть тратится на обеспечение активной системы охлаждения, а в выключенном, дежурном режиме, на сохранение устойчивости работы преобразователя. Чем ниже фоновое потребление, тем меньше электроэнергии будет расходовать компьютер.

В отключенном состоянии БП потребляет 0.2 Вт, что несколько меньше типичного значению для качественных блоков питания (0.3 Вт).

Коэффициент мощности

Не сказал бы, что существует какая-то особая польза в исследовании данной характеристики блока питания. При достаточно высоком значении коэффициента мощности его дальнейшее улучшение представляет совсем низкую ценность. Сертификация 80+ характеризует коэффициент мощности величиной не менее 0.9 (0.95) только при половинной мощности нагрузки, что и выполнятся при исследовании:

От полноценной синусоиды данный сигнал отличает лишь небольшая «шероховатость» из-за помех преобразования, наводимая обратно в сеть и некоторое искажение формы тока в момент перехода через «0», обусловленного работой выпрямительного моста. Впрочем, это уже придирки, PF = 0.991 и этого более чем сверх достаточно.

Дежурный источник

В компьютерном блоке питания два преобразователя. Основной, формирующий все напряжения питания, хорошо известен и его качество работы измерено. Но второй преобразователь, «дежурный источник» не менее важен. Он обеспечивает функционирование некоторых узлов компьютера при отключении основного преобразователя в выключенном состоянии или режиме сна. Кроме того, качество  его работы может оказывать влияние на процесс включения блока питания и работу съемных внешних устройств через интерфейс USB. А потому он должен подвергаться не менее тщательному анализу, чем силовая часть БП.

При измерении КПД в зачет идет только эффективность работы этого источника, фоновое потребление в блоке питания не учитывается.

Нагрузочная характеристика

Стабильность выхода хорошая, уровень пульсаций низок.

КПД

Данный источник демонстрирует неплохие данные, общий КПД порядка 78%.

Импульсная нагрузка

Выход дежурного источника показывает «спокойную» реакцию на импульсную нагрузку, без каких либо замечаний.

Численные данные очень хорошие.

Высокоэффективный процессор

Процессоры совсем недавно получили возможность эффективно уходить в режим сна с крайне малым уровнем потребления. Обычный блок питания не рассчитан на столь значительный диапазон мощностей нагрузки и может не обеспечить должное качество стабилизации выходных напряжений. Поэтому в тестирование введено ряд испытаний для проверки на совместимость с такими компьютерными системами.

Одна из «неприятностей», которая может произойти с БП - его отключение при сверхнизком токе потребления. В стандартах на блоки питания крайне низкое или полное отсутствие тока нагрузки объявляется нештатной ситуацией и разрешают блоку питания отключаться. Но добавление новых процессорных систем сдвинуло рамки нижней границы тока потребления и ряд БП оказался не в состоянии их обеспечить. Иначе говоря, на данный момент пока существуют блоки питания двух классов - способных работать с низким током потребления и не способных, отключающихся при снижении тока ниже порогового.  Первый тест состоит с постепенном уменьшении тока нагрузки на БП с «низких» (соответствует старым стандартам) до сверхнизких (новые редакции стандартов):

По мере сброса нагрузки напряжение на выходах не изменяется, как и амплитуда тока потребления из сети 220 вольт, что является очень хорошим результатом.

Импульсная характеристика:

Блок питания хорошо переносит сброс мощности нагрузки до минимально-допустимого уровня, но полный сброс тока приводит к резкому ухудшению свойств (на правой части графика отмечается высокий уровень нестабильности по «12 В»). Подобное поведение хоть и не радует, но не может быть отнесено к явному «недостатку» - данный режим практически недостижим в работе системного блока.

Система охлаждения

В этом разделе будет измеряться скорость вращения вентилятора, уровень шума и анализироваться его спектр.

Скорость вращения вентилятора

До 480 Вт вентилятор не крутится вовсе, затем он запустился на 1090 об/мин с последующим снижением, сменившимся монотонным повышением скорости работы по мере повышения мощности нагрузки на БП. Повторение теста на повышенной температуре в «системном блоке» не изменила пороговой мощности включения вентилятора, она так и осталась на отметке 480 Вт, повысились лишь скорость вращения вентилятора в момент включения и время до снижения скорости. Это говорит о том, что в блок питания используется два критерия управления системой охлаждения – включение вентилятора происходит при превышении мощности нагрузки свыше 480 Вт, а в дальнейшем его скорость работы зависит лишь от температуры в самом БП.

Способ интересный, но он содержит неприятное следствие – в момент включения вентилятора его скорость работы достаточно высока, что сопровождается заметным уровнем шума. И это особенно неприятно по той причине, что до этого момента вентилятор был выключен и система имела минимальный уровень шума. Человек спокойнее относится к неизменному уровню шума, даже повышенному, и кратковременные изменения уровня воспринимаются негативно.

Уровень шума

Для проведения исследования блоков питания используется профессиональное тестовое оборудование, которое не является особо тихим, поэтому при измерении уровня шума не удается получить значения менее 26 дБА.

Данные с микрофонов характеризуют блок питания как очень тихий, остается лишь убедиться в отсутствии «писка» и других аномалий.

Внутренний датчик

Помещение нельзя назвать «беззвучным», присутствуют «следы» от тестовой аппаратуры. Но здесь важно оценить другое – наличие каких-либо «аномалий», а вот здесь они есть. При мощности нагрузки свыше 140 Вт появляется постоянный «сигнал» высокой частоты. По мере повышения нагрузки частота сигнала снижается с 12 кГц до 3 кГц (800 Вт) с дальнейшим ростом до 5 кГц на максимальной мощности нагрузки.

На пороге нагрузки 480 Вт включается вентилятор, что отчетливо отображается на диаграмме, при этом на диапазоне 480-550 Вт следует снижение вклада вентилятора в общую картину шума.

Внутренний датчик, нормированный к чувствительности уха (кривая А).

Данная диаграмма повторяет предыдущую, с учетом пересчета к мере заметности ухом.

На диаграмме так же устойчиво наблюдается постоянный сигнал из блока питания.

Внешний датчик

Внешний датчик более чувствителен к шуму в помещении и звукам, создаваемым «электроникой» блока питания. Впрочем, эта спектрограмма повторяет данные внутреннего датчика, а потому рассуждать особо не о чем.

Внешний датчик, нормированный к чувствительности уха (кривая А).

Картинка повторяет внутренний датчик. Здесь так же имеется след от сигнала из блока питания, причем его интенсивность не более того, что демонстрирует внутренний датчик. Это говорит о том, что источник сигнала находится в блоке питания, а не приходит снаружи.

Характер шума, как таковой.

Во время всего цикла измерения уровня шума снималась фонограмма, но из-за большой продолжительности процесса вряд ли имеет смысл выкладывать весь файл. В результате прореживания  длительность звукового фрагмента сократилась до 15 секунд, что соответствует монотонному повышению мощности нагрузки от минимальных значений до 100%.

Момент включения вентилятора достаточно заметен, как и постоянный сигнал из блока питания. Его можно было бы охарактеризовать «треском», хотя он может превратиться и в «писки» при переменой нагрузке на БП. Впрочем, сам уровень шума и помех крайне низок, а потому не должен вызвать негативной реакции у большинства пользователей.