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 стабильность уровня 12 вольт вызывает серьезные опасения.

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 какая-то беда с частотной коррекцией обратной связи. Тест хоть и пройден, но с оценкой «посредственно».

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

Что это было? Откуда «волны» на статической нагрузочной кривой? Здесь должна быть «линия». Что-то тут не чисто со стабилизатором.

Нагрузка по выходу 3.3 вольта

Опять «волны», теперь уже на выходе «3.3 В». Вообще-то, это логично – преобразователи «5 В» и «3.3 В» обычно строят по одной и той же схемотехнике, а значит и «болячки» у них могут быть общими.

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 (1.7 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 максимальной мощности.

Выход 5 вольт

Выход «5 В» … что это было? Впрочем, «статическая нагрузка» предыдущего теста демонстрировала схожие результаты. Если бы нагрузка по выходу «5 В» была бы действительно важна, то данный БП заслужил бы крайне неприятную оценку. Но, в обычном компьютере нагрузки выше 5 А практически не бывает, а потому в существенные недостатки результат тестирования записывать не стоит. Но «ой…». Господа, разберитесь со своим изделием.

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 25 мс с отключением в 29 мс, а сигнал PSOK был снят на отметке 24 мс. Последовательность формирования сигналов правильная, как и сами цифры. Все хорошо, требования выполняются.

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 выходов 12/5/3.3 вольта. Выход «5 В» сохраняет хорошую стабильность, а выходы «12 В» и «3.3 В» демонстрируют нечто невообразимое. Если с «12 В» всё ясно – не отстроенное (замедленное) поведение обратной связи, то повышенные пульсации канала «3.3 В» явились неожиданностью. Хоть и неприятно, но стоит отметить, что их величина не превышает 1.2 % (40 мВ), что укладывается в допуски и 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 нормальный, менее 50 ампер. Время удержания сети так же нормально (23 мс), что соответствует требованиям.

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» практически сразу вызвала отключение всего БП, что является хорошим результатом.

Выход 12 вольт

Перегрузка по «12 В» вызвала отключение всего БП с сбросом сигнала «PSOK», и это правильно.

Результаты отличные, никаких замечаний.

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

Блок питания демонстрирует примерно одинаковый уровень помех по всем выходам без каких-либо аномалий. Очень хороший результат.

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 нет никаких нареканий - резкая смена напряжения сети вызывает лишь кратковременные, «спокойные» и весьма небольшие изменения уровня тока потребления в переходных процессах.

Второй тест данного типа - монотонное снижение напряжения сети.

Снижение уровня сети не вызвала каких-либо неудобств, 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.

Выход 5 вольт

Выход 3.3 вольта

Гм, на средней нагрузке канал «3.3 В» демонстрирует очевидную нелинейность работы. Я затрудняюсь представить разумное объяснение данного «феномена» без вскрытия и изучения изделия, но эффект неприятный. Ранее отмечались «странности» в работе преобразователей «5 В» и «3.3 В», вот еще одно подтверждение.

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 работы устройства весьма неплоха.

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

Данный блок питания номинирован производителем как «80PLUS Platinum», 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 хоть и достаточную степень перегрузочной способности, но 20 процентов всё же маловато. 

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 = 0.985 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

Хорошая перегрузочная способность, малое изменение уровня, низкие пульсации.

КПД

Данный источник демонстрирует неплохие данные, перегрузочная способность в 2 раза при общем КПД порядка 80%.

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 выходе «12 В» повышается, причем существенно. На функционирование компьютера это не скажется, но симптом не слишком приятный.  Импульсная характеристика:

Блок питания очень хорошо реагирует на импульсное воздействие, какой-либо дополнительной нестабильности не возникает. Однако предыдущее исследование, особенно самый первый тест, демонстрировали «шероховатости» в стабильности выходных уровней в пограничных условиях работы БП.

Система охлаждения

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

Скорость вращения вентилятора

До 420 Вт вентилятор не крутится вовсе, затем он запускается на 520 об/мин с последующим монотонным повышением скорости работы по мере повышения мощности нагрузки на БП. Хочется обратить внимание на наличие явной «лестницы» в изменении скорости вращения. Обычная следящая схема управления вентилятором такого регулирования осуществить не может, что подразумевает использование в БП какой-то интеллектуальной цифровой регулировки. Причем, в виду очевидной линейной пропорциональности скорости вращения от мощности нагрузки, можно предположить их взаимно-однозначную зависимость. К слову, повышение мощности нагрузки до предельной (900 Вт) привело к продолжению монотонного ступенчатого повышения скорости работы вентилятора.  Решение интересное, но тут могут быть подводные камни с резким сбросом/набросом нагрузки. Можно провести дополнительное исследование данного вопроса, но, для данного БП, это не имеет смысла.

Уровень шума

Для проведения исследования блоков питания используется профессиональное тестовое оборудование, которое не является обладает сверх тихим, поэтому при измерении уровня шума не удается получить цифр менее 27 дБА. Попытка получить акустические характеристики обсуждаемого БП показала, что измерить ничего не получится – шум БП не выше фонового шума помещения. Что же, пришлось предпринимать соответствующие меры по снижению влияния аппаратуры на блок питания, в результате удалось отыграть 3 дБА, и это позволило хоть как-то оценить шум БП. Это первый блок питания, который потребовал вносить изменения в условия измерения шума. 

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» на 300 Гц и 2 кГц от тестовой аппаратуры. Но здесь важно оценить другое – наличие каких-либо «аномалий», а вот они-то и отсутствуют. При мощности нагрузки 420 Вт включился вентилятор, но это место на диаграмме не имеет сколь-нибудь значимого всплеска интенсивности, что говорит о весьма «спокойном»  и плавном запуске вентилятора. Выше мощности 600 Вт интенсивность помех несколько возрастает, при этом шум равномерно распределен по спектру без выделения каких-либо частот. Это означает равномерный шум без металлического призвука.

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

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

Из нового хочется отметить едва заметный след на отметке «420 Вт» от включения вентилятора. Что до уровня шума вентилятора, то он едва ощутим на уровне фонового в помещении. Впрочем, при некотором напряжении, можно определить, включен ли вентилятор, но в обычной обстановке это заметно не будет.

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. Единственное дополнение – небольшой всплеск активности на мощности 600 Вт – под окном проехал автомобиль, что и вызвало помеху. Хотя окна оборудованы двойным стеклопакетом, но используемые приемы измерения шума обладают высокой чувствительностью и полностью защититься от внешней среды не удается.

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%.

Работа вентилятора начинает быть заметной лишь на полной мощности, а до того практически исчезает на уровне фонового шума.