ОГЛАВЛЕНИЕ:

• Вступление
• Упаковка и комплектация
• Спецификация
• Блок питания изнутри
• Тестирование
• PF или COS()
• Уровень помех
• Проверка на генераторе помех сети 220 В
• Ток короткого замыкания
• Доработки и изыскания
• Выводы

Для начала, стоит перечислить те недостатки, которые были обнаружены в блоке питания «Thunderbolt PLUS 800W Gold».

1. Повышенный уровень пульсаций на канале 5 вольт;
2. Большое падение напряжения на канале 12 вольт при импульсной нагрузке;
3. Время работы при отсутствии сети порядка 0.015 секунды при любой мощности нагрузки блока питания;
4. Низкая устойчивость к помехам в сети 220 вольт.

Не является недостатком, но хорошо бы рассмотреть удаление «Y» конденсаторов в входном фильтре. Подобная доработка, проведенная в блоке питания «Aerocool Strike-X 800», привела к уменьшению уровню синфазной помехи в два раза.

Повышенный уровень пульсаций на канале 5 вольт

Уровень пульсаций на выходе 5 В действительно слишком высок. Был бы это какой-нибудь "безродный" блок питания, то "ладно", но для элитной продукции подобное не приемлемо. Взглянем на уровень пульсаций и его частоту:

 

По выходу 12 В есть отдельные всплески небольшой амплитуды с периодом около 25 мкс (40кГц). На выходе 5 В положение дел хуже, пульсации большой амплитуды, явно выражены. По данной картинке трудно вычислить частоту колебаний, где-то 5-6 периодов в делении 10 мкс (500-600 кГц). Наиболее частыми причинами высокого уровня помех являются неудачная разводка шины «земля» (малая ширина или неудачная трассировка трасс) или повышенная индуктивность в цепи к фильтрующим конденсаторам. Вряд ли причина в трассировке, осмотр платы не выявил явных огрехов. Да и сам уровень помех слишком велик для такого вида дефекта. Давайте попробуем разобраться с конденсаторами. На выходе преобразователя канала 5 В (как и в канале 3.3 В) установлены три конденсатора 1500 мкФ 6.3 В серии SEPC. Из технической документации следует, что их ESR составляет 10 мОм. Импульсный ток дросселя вряд ли превышает 5 ампер, поэтому уровень пульсаций на выходе не должен превысить 5А*10мОм/3=16 мВ. На картинке уровень помех порядка 50 мВ. Цифры не совпадают, в чем же загвоздка? Поддельные конденсаторы? Давайте выпаяем один конденсатор и исследуем его импеданс в полосе частот 20 кГц – 1 МГц. Впрочем, зачем себя ограничивать только этим конденсатором?

 

Данные по электролитическим конденсаторам Sanyo и Teapo снимались не особо тщательно, поэтому их графики показаны пунктирной линией.

Что за ерунда, в документации OS-CON тщательно доказывается, будто их конденсаторы настолько хороши, что не требуют блокировочных керамических конденсаторов. Это клевета или нам попались поддельные конденсаторы? Почитаем рекламную продукцию OS-CON очень внимательно.

 

 

Про пунктирные графики следует сразу забыть, ESR никакого смысла не несет, главное импеданс. Все графики имеют форму буквы V – в низкочастотной части импеданс определяется номинальной емкостью конденсатора, потом следует насыщение, импеданс определяется только ESR (последовательным внутренним сопротивлением конденсатора). Если частота превышает критическую точку, то импеданс начинает возрастать и всё больше сказывается встроенная индуктивность конденсатора.

Это означает, что никакой ошибки нет, конденсаторы с "твердотельным" наполнителем вовсе не так хороши, как нам пытаются представить PR компании. Существует негласное правило – конденсатор маленького размера хорошим быть не может, что мы и получили. Попытка сделать небольшой элемент с низким сопротивлением привел к концентрации свойств и появлению явной встроенной индуктивности.  В обычном конденсаторе тоже присутствует индуктивность обкладок и выводов, но из-за распределения по большой поверхности ленты вместо четкой индуктивности получается комбинация множества LRC различных участков, которые снижают добротность и как бы "размазывают" величину индуктивности по частотному спектру. Поэтому графики (обычных) электролитических конденсаторов весьма пологи, посмотрите пунктирные графики на моем рисунке.

Итак, причина высоких пульсаций ясна, конденсаторы 1500 мкФ 6.3 В серии SEPC в полосе частот около 500-600 кГц повышают импеданс до 50 мОм. Если воспользоваться той же формулой расчета, что использовалась ранее, то уровень пульсаций должен составить 5А*50мОм/3=83 мВ. Примерно то же и наблюдается осциллографом.

Надо отметить, что я измерял характеристики некоторых "твердотельных" конденсаторов других фирм примерно такого же размера – их параметры в полосе частот выше 200 кГц удивительно точно совпали с протестированными ранее 1500 мкФ 6.3 В SEPC. Причем, при одинаковом размере корпуса получаются одинаковые характеристики, вне зависимости от номинальной емкости. Например, 470 мкФ 16 В имеет те же свойства, что и 1500 мкФ 6.3 В (оба снимались с одной и той же платы блока питания «Thunderbolt»). Скорее всего, это ограничение технологии и длительные поиски чуда не принесут.

Каким способом можно обойти проблему? Увы, вариантов не так уж и много, плата ограничена по высоте выходными разъемами, а потому установка более высоких конденсаторов невозможна. С обратной стороны проходит масса проводников и место под высокий конденсатор отсутствует вовсе. Остается только обычный вариант – установка большого количества керамических конденсаторов 10-22 мкФ типоразмера 1210. Для надежного устранения пульсаций надо установить их в два-три раза больше, чем имеющихся 1500 мкФ 6.3 В (т.е. 6-9 штук).

Эта доработка была опробована, но нужных конденсаторов найти не удалось, пришлось воспользоваться кучкой керамических конденсаторов 4.7 мкФ в корпусе 1206. Увы, не знаю, что сказалось – или неудачная трассировка или конденсаторы оказались слишком посредственными (скорее всего), но уровень пульсаций снизился всего лишь на треть. Осциллограмма будет приведена чуть ниже, в конце следующего раздела.

 Большое падение напряжения на канале 12 вольт при импульсной  нагрузке

Повторю картинку, вызвавшую конфликт:

 

На рисунке плохо видно, длительность импульса примерно 1 мкс (500 кГц). Если обратиться к предыдущему разделу, то прослеживаются общие черты, особенно с учетом того, что выходной конденсатор по каналу 12 В - 470 мкФ 16 В SEPC имеет схожие характеристики с рассмотренным ранее 1500 мкФ 6.3 В.

Давайте прикинем, так ли это. Бросок тока 2 ампера, предполагаемый импеданс конденсатора 50 мОм – величина скачка напряжения должна составить 2А*50мОм=0.1 В. По осциллографу вышло 0.14 вольта, что примерно правильно – импульс тока весьма четкий и захватывает спектр частот выше 500 кГц, на котором импеданс конденсатора монотонно возрастает.

Выход четырех каналов 12 вольт реализован через LC фильтры, в качестве «L» выступает дроссель 1.5 мкГн, выполненный на ферритовом стержне. Выходной конденсатор - 470 мкФ 16 В, серия SEPC. Решить проблему можно следующими способами:

1. Дополнить схему несколькими керамическими конденсаторами 10-22 мкФ 16 В, корпус 1210; 
2. Заменить "твердотельный" конденсатор на обычный, хорошего качества; 
3. Удалить или закоротить дроссель.

Первый вариант, установка керамических конденсаторов, была выполнен припаиванием десяти конденсаторов 4.7 мкФ в корпусе 1206. В результате несколько уменьшился высокочастотный шум на выходе, но переходной процесс практически не изменился. Причина – явно недостаточная емкость и повышенное внутреннее сопротивление добавленных конденсаторов. Довольно странно, что производитель не установил по паре конденсаторов 22 мкФ 16 В параллельно выходным электролитическим конденсаторам – высокочастотные составляющие режутся очень хорошо, что позволяет еще повысить класс устройства.

Второй вариант выполнялся заменой конденсатора 470 мкФ 16 В, серия SEPC на не "твердотельный" не слишком высокий и с таким же диаметром. У меня нашлись следующие модели:

Фирма	Емкость, мкФ	Серия	ESR, мОм
Nippon	1500	KZG	~15
Nippon	1800	KZG	~15
Nippon	1200	KZE	22
Rubycon	1200	ZL	22
Sanyo	470	SEPC	10

Все конденсаторы показали примерно одинаковый результат, кроме последнего. В блоке питания не так много места, поэтому в качестве замены выбран первый вариант. Посмотрим, что выйдет:

 

На фронтах отчетливо виден резонансный всплеск, от которого принципиально нельзя избавиться – перед конденсатором стоит дроссель и он образует с ним резонансный контур. Можно влиять на добротность контура,  а полностью избавиться от "колебательности" невозможно. Конечно, можно удалить дроссель вовсе, но это уже будет третий вариант доработки. Какими же средствами можно уменьшить "колебательность" контура? Либо шунтированием индуктивности постоянным резистором, либо увеличением номинальной емкости конденсатора с одновременным ухудшением его ESR. В первоначальном варианте дроссель 1.5 мкГн и конденсатор 470 мкФ образовывали резонансный контур с рабочей частотой около 5 кГц и волновым сопротивлением около 50 мОм. Для снижения добротности, по первому варианту, придется устанавливать резистор 50 мОм параллельно дросселю. Мало того, что это сразу снизит качество фильтрации пульсаций, так еще и весьма проблематично осуществить в домашних условиях. Во втором случае можно поставить электролитический конденсатор с повышенным внутренним сопротивлением, которое будет выполнять функции демпфера резонансного контура. Такой прием хорошо работает при установке двух конденсаторов разного типа параллельно – первый гасит ВЧ составляющие из-за низкого ESR, второй работает в среднечастотном диапазоне и снижает добротность контура.  Увы, в блоке питания есть место только под один конденсатор, поэтому придется идти на компромисс и  устанавливать только один конденсатор. При этом он должен иметь не самое низкое внутреннее сопротивление и большую номинальную емкость. Обычный качественный, не "твердотельный", электролитический конденсатор вполне подойдет.

Третий вариант – закоротить или удалить дроссели. Осциллограммы снимались уже после замены конденсаторов на 1500 мкФ 16 В, серии KZG. Один из дросселей был закорочен и на этот выход создавалась импульсная нагрузка. Интерес представляет как это выход (картинка слева), так и другой (справа):

 

На левой картинке идет обычное уменьшение напряжения из-за нагрузочного тока, а вот на правой наблюдаются следы резонансного выброса на фронтах установки/сброса тока. И это при том, что "другой" выход никуда не подключен, на нём нет нагрузки. Это эффект вызван тем, что резкая смена напряжения вызывает резонансный всплеск на всех выходах, ведь они подключены через L-C цепочки.  Создается глупая ситуация, для подавления распространения помех между каналами поставили фильтры из дросселей и конденсаторов, но они сами начинают наводить "звон". Увы, но так. Кроме того, дроссели расположены очень компактно, а потому наводят электромагнитные помехи друг на друга.  Для исключения этого дефекта можно попробовать удалить (закоротить) дроссели. Были опробованы три варианта – с имеющимся дросселем 1.5 мкГн, с уменьшенным до 0.2 мкГн и без него вовсе. Промежуточный вариант выбран из тех предположений, что добротность контура будет низкой, а свойство подавления пульсаций блока питания останется, в какой-то степени. При смене номинала дросселя они заменялись по всем четырем выходам одновременно.

 

С дросселем 1.5 мкГн:

С дросселем 0.2 мкГн:

С закороченным дросселем: 

Уменьшение номинала дросселя, как и его закорачивание, приводит к уменьшению амплитуды колебательного процесса, но уровень пульсаций возрастает в несколько раз. Конечно, их величина укладывается в допуск, но вовсе не такого хочется получить от качественного блока питания. Так что – закорачивание дросселей делать не стоит, лучше поменять конденсаторы на не "твердотельные".

В результате доработки, заключающейся в замене существующих конденсаторов на 1500 мкФ 16 В KZG, картинка эмуляции работы жесткого диска стала выглядеть следующим образом:

 

 В блоке питания «Thunderbolt PLUS 800W Gold» использованы конденсаторы фирмы NIPPON CHEMI-CON, что мешало поставить на выходы каналов 12 вольт конденсаторы той же фирмы? Они же показывают лучшие рабочие характеристики, чем OS-CON. Загадка!

Есть еще один момент, который не рассмотрен ранее, но оказывает влияние на высокочастотные импульсные помехи. Основное соединение цепи «земля»  осуществляется через корпус системного блока и для уменьшения помех БП должен обеспечивать надежный контакт цепи «земля» платы с корпусом блока питания. Понятно, что это делается через винт в углу печатной платы, но качество выполнения этого соединения плохо соотносится с высоким классом блока питания. После дублирования соединения через медную ленту уровень высокочастотных импульсных помех уменьшился примерно на 25 процентов.

Повторная проверка блока питания с помощью программы тестирования показала уменьшение уровня пульсаций в тесте «HDD emulation» примерно в 1.5 раза. Для сравнения, картинки из этого тест до доработки (слева) и после (справа).

 

По конденсатору TEAPO, использованному с тесте с измерением импеданса приключилась довольно интересная история, наверно стоит о ней рассказать. Как-то мне принесли некоторое количество серверных 1U блоков питания, умерших от перегрева. В них останавливался вентилятор, в результате чего вспухли все конденсаторы. Понятное дело, что восстанавливать такие БП себе дороже, они же серверные, а потому а-бы-как не ремонтируются.  Интересный момент в том, что в БП все конденсаторы высохли до состояния "обрыва", кроме одного – который участвовал в тестировании. Мало того, что он не деградировал от температуры, так еще и внутренне сопротивление его сохранило меньшее значение, чем декларировано производителем (17 мОм вместо декларированных производителем максимальных 26 мОм). Для справки, в блоке питания «Aerocool Strike-X 800» используются электролитические конденсаторы только фирмы TEAPO, для низкого напряжения серия SC.