Методика тестирования: 

Содержание:

Методика тестирования компьютерных блоков питания

Дополнение №1

Данная методика была разработана нами для тестирования и оценки потребительских свойств современных компьютерных блоков питания АТХ. За последние годы мощность, потребляемая компьютером, возросла несколько раз, следовательно, возросла и значимость правильности выбора блока питания (БП). Но, к сожалению, качество многих источников питания, которые широко распространены на нашем рынке, желает оставлять лучшего, хотя в большинстве случаев заявляется весьма приличная нагрузочная способность. Взглянув в прайс-лист любой компании, вряд ли удастся найти блок питания с заявленной суммарной мощностью ниже 300-350 Вт, таковы реалии сегодняшнего дня. Но на поверку лишь небольшой процент (20-30%) тестируемых источников соответствует жестким требованиям, которые изложены в стандарте ATX12V Power Supply Design Guide Version 2.2 (http://www.formfactors.org/). Кстати, это уже далеко не первая редакция самого стандарта (2.2): требования изменяются соответственно запросам. Еще несколько лет назад основное потребление тока компьютером производилось по шинам +5V и +3.3V, однако этого стало недостаточно, и решено было "перепрофилировать" все изделия на шину +12V. Да и та в скором времени была "виртуально" разделена на несколько шин: как правило, их две, но в мощных блоках питания их количество может доходить до четырех. Такой шаг пришлось применить в соответствии со стандартом IEC-60950, который гласит, что мощность на разъемах, доступных пользователю, не должна превышать 480 Вт. В результате получилось ограничение тока по шине +12V в 20 А. На самом деле сама шина не разделена и является единой, питание просто-напросто разводится к потребителям с помощью системы компараторов.

Однако цель данного материала заключается в описании самой методики, а не в описании устройства современных БП. Возможно, в дальнейшем мы продолжим эту тему и сделаем соответствующий материал. Итак, методика тестирования современных блоков питания АТХ. Версия 1.0. Мы делаем акцент именно на АТХ-источниках, так как они являются наиболее распространенными, однако сама методика позволяет без проблем протестировать любой блок питания, в том числе импульсный или линейный. 

Изучение примененного решения

При тестировании блоков питания мы не будем заострять внимания на их внешности, ограничиваясь кратким описанием. В обязательном порядке проводится оценка металлического корпуса, описывается набор разъемов с указанием длины и сечения проводов. Далее происходит вскрытие корпуса, после чего изучается внутреннее строение и качество монтажа. Производится проверка основных компонентов, например, соответствие выходных диодных сборок заявленным токам. Описывается наличие/отсутствие фильтров, интересных схемных решений, и т.д. 

Построение кросс-нагрузочной характеристики (КНХ)

При выборе критериев тестирования мы решили полностью положиться на действующий стандарт ATX12V Power Supply Design Guide Version 2.2 (http://www.formfactors.org/). Этот официальный документ развернуто описывает, какими тактико-техническими характеристиками должен обладать современный блок питания. Основным параметром любого блока питания является его нагрузочная способность, т.е. соответствие тока заявленному значению и минимальное отклонение выходного напряжения от номинала. В компьютерных блоках питания АТХ все осложнено наличием сразу нескольких шин, которые "зависимы" друг от друга из-за применения группового дросселя. Среди основных силовых шин можно перечислить три:  +5V, +3.3V и +12V. В совокупности они практически полностью обеспечивают заявленную мощность. КНХ характеризует нагрузочную способность блока питания по этим трем шинам. По одной оси откладывается мощность, потребляемая по шине +12V, по другой – суммарная мощность шин +5V и +3.3V. Естественно, что при большой нагрузке одно или несколько напряжений могут выйти за допуски, в таком случае дальнейшее построение КНХ производится путем выравнивая нагрузок или (при невозможности этого) прекращается. В итоге получается фигура, которая в полной мере характеризует блок питания. В дополнение ко всему можно провести сравнение с минимально необходимой фигурой (ATX12V Power Supply Design Guide) и сделать четкий вывод о соответствии конкретного БП стандарту. Стоит учитывать, что для напряжений по шинам +5V и +3.3V определен допуск 10%, а для шины +12V – 5%.

Основной задачей при построении КНХ является вопрос создания универсального эквивалента нагрузки, т.к. необходимо иметь возможность плавно изменять ток каждой шины с минимальным дисретом. При этом нагрузка должна рассеивать долговременную мощность в сотни (300-600) Ватт. Применение классических резистивных нагрузок здесь оказывается не уместным, требуется более "тонкое" устройство. Для решения этой задачи в нашей тестовой лаборатории был собран макет активной эквивалентной нагрузки, построенный с применением мощных полевых транзисторов. По сути он представляет собой источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Каждый транзистор способен рассеивать максимальную мощность вплоть до 200 Вт. В канале +12V установлено три транзистора IRFP064N, в остальных двух каналах установлено по два транзистора IRF3205. Все транзисторы закреплены на мощных ребристых радиаторах, для охлаждения применяется несколько вентиляторов. Управление реализовано с помощью операционных усилителей LM358M, нагрузка по каналам задается вращением переменных резисторов. В настоящее время перед нами стоит задача построения цифровой части управления, которая будет соединяться с ПК, чтобы установка работала в автоматическом режиме.

При тестировании каждый блок питания подключается к силовой сети через ЛАТР (лабораторный автотрансформатор регулируемый) для поддержания на входе постоянного напряжения 220 В. Мощность трансформатора порядка 2 кВт, что более чем в два раза превышает мощность потребления даже ультрамощного БП. Перед началом проведения измерений источники прогреваются около 30 минут с 40%-ной нагрузкой для установления режима. Для контроля переменного напряжения на входе блока питания и постоянного на выходе, а также для измерения невысоких токов мы используем несколько довольно точных мультиметров. Это BeeTech 33N и UNI-T UT60F. Сразу дадим оговорку, что все приборы, которые мы используем, периодически проверяются с помощью прецизионного калибратора Н4-7.

 

Прецизионный калибратор Н4-7

Поэтому, если какой-либо из наших приборов показывает неудовлетворительный результат, он сразу заменяется другим. Однако оба мультиметра имеют высокую точность, которая полностью соответствует уровню проведения теста. Кроме того, BeeTech 33N является цифровым осциллографом с каналом до 200 кГц. Некоторые особо интересные эпюры напряжения можно сохранить и передать в виде изображения на компьютер при помощи порта RS-232.

 

Мультиметр-осциллограф BeeTech 33N

 

Мультиметр UNI-T UT60F

Для измерения выходных токов мы предпочитаем использовать токовые клещи Mastech MS2138. Использование мультиметров здесь невозможно из-за слишком большой величины самих токов, клещи намного удобнее и позволяют производить измерения бесконтактным способом. Кроме того, в самой установке есть несколько мощных шунтов. О протекающем токе можно судить и по ним. MS2138 – прибор, не обладающий высокой точностью, но погрешность в несколько процентов допустима.

 

Токовые клещи Mastech MS2138

Ниже приведены две КНХ различных блоков питания, для большей информативности они совмещены с требуемой КНХ. Очевидно, что источник FSP ATX-350PN обладает хорошей нагрузочной способностью и при заявленной мощности он полностью соответствует стандарту АТХ. Источник Linkworld LW6-350W не соответствует стандарту, т.к. шина +12V обеспечивает слишком малый ток с сохранением выходного напряжения в допуске. В наших материалах мы всегда будем предоставлять этот график и делать вывод (соответствует/не соответствует стандарту АТХ новой версии).

 

КНХ блока питания FSP ATX-350PN

 

КНХ блока питания Linkworld LW6-350W 

Измерение пульсаций переменной составляющей 

 

Осциллограф цифровой запоминающий С8-36 

Пульсации переменной составляющей присутствуют на выходе любого блока питания. Важно, какова их величина и частота. Пульсации на выходе импульсных блоков питания можно разделить на два вида – низкочастотные и высокочастотные. Низкочастотные обусловлены частотой тока питающей сети, высокочастотные обусловлены частотой работы ШИМ. Стандарт АТХ четко описывает уровень по всем шинам: 120 мВ – по шине +12V, 50 мВ – по шинам +5V и +3.3V. Для измерения уровня пульсаций мы используем поверенный цифровой запоминающий осциллограф С8-36. Естественно, что пульсации сильно зависят от нагрузки по шинам и изменяются при ее изменении. Поэтому мы будем указывать самое большое (худшее) значение в цифровом виде. Эпюры напряжения приводить не будем, т.к. они малоинформативны. 

Изучение температурного режима

В ходе тестирования температура основных компонентов блока питания подвергается постоянному мониторингу. Как правило, мы устанавливаем два температурных датчика внутрь корпуса: на радиатор входных ключевых транзисторов и на радиатор выходных диодных сборок. Температурный режим сильно зависит от температуры окружающей среды, поэтому мы всегда будем указывать параметры помещения, в котором происходил тест.

 

Цифровой термометр Mastech MS6501

Температурный режим блока питания контролируется с помощью цифрового термометра Mastech MS6501. Нередки случаи, когда источник отличается хорошей стабилизацией и выходной мощностью, но сгорает через 15 минут работы из-за недостаточного охлаждения. Исходя из личного опыта, можно разделить температуры на несколько режимов: 50-65 С0 – благоприятный тепловой режим, 65-75 С0 – тяжелый тепловой режим, 75-90 С0 – критический тепловой режим. Как показывает практика, если температура радиатора достигает 90-100 С0, происходит тепловой пробой силовых компонентов, ведь 100 С0 на радиаторе указывает на температуру полупроводникового кристалла не менее 150 С0, что для транзисторов и диодов широкого применения является верхней планкой. Как правило, мы указываем значение температуры радиатора, которое установилось после продолжительной работы на большой мощности. Если блок питания явно входит в критический режим, мы останавливаем тестирование, т.к. становится понятно, что со временем источник сгорит, а выход его из строя не есть наша цель. 

Изучение системы охлаждения

Сделать предварительные выводы об эффективности системы охлаждения можно непосредственно на первом этапе при разборке блока питания. Сразу становятся видны радиаторы охлаждения и вентиляторы. Однако, как показывает практика, предугадать поведение системы получается не всегда. На вид радиаторы могут быть массивными, но разогреваться будут быстро, и наоборот. Поэтому при тестировании мы будем не только замерять температуру, но и строить зависимость частоты вращения вентилятора от выходной мощности (температуры). Однако этот тест стоит воспринимать с пониманием того, что в конечном итоге частота вращения зависит от температуры радиатора выходных диодных сборок, т.к. управление осуществляется с помощью терморезистора (реже диода или транзистора), установленного на нем. И здесь обороты будут зависеть не только от выдаваемой мощности, но и от иных факторов, как, например, температура окружающего воздуха и степень вентиляции. Согласитесь, при нагрузке в 50% температура радиатора будет сильно зависеть от того, эксплуатируется ли блок питания жарким летним днем (Тк=30 С0) или зимой, когда температура в комнате не превышает 22 С0. С вентиляцией все понятно – при тесте блок кладется на стол. Поэтому на приведенном графике всегда будет указываться температура окружающего воздуха в помещении. Строиться он будет по 10 точкам, мощность изменяется от 10% до 100% номинала, на каждой точке блок работает продолжительное время для установки режима. Полученная зависимость дает возможность анализа эффективности системы охлаждения. Для измерения частоты вращения будем использовать цифровой тахометр Mastech DT-2234А, он обеспечивает высокую точность и не создает трудностей при измерении. Достаточно наклеить на лопасть вентилятора кусочек специального световозвращающего скотча и направить на него луч фототахометра. В памяти прибора сохраняются минимальное и максимальное значение последнего измерения.

 

Фототахометр Mastech DT-2234A

Для примера рассмотрим зависимость частоты вращения вентилятора блока питания FSP ATX-400PAF. Обороты вентилятора изменяются в пределах 1300-2600 об/мин. Зависимость четко показывает, что при низких мощностях (до 30% от номинала) обороты вентилятора низки, т.к. не происходит значительного нагрева радиаторов. Однако при повышении мощности, уже после 50-60% нагрузки, обороты достигают максимума. Это и понятно, ведь для эффективного охлаждения 80-мм вентилятор должен использовать весь свой потенциал, в то время как 120-мм вентилятор может раскручиваться до максимальных значений лишь при больших мощностях.

 

Зависимость частоты вращения вентилятора от мощности блока питания FSP ATX-400PAF 

Измерение КПД и коррекции фактора мощности 

В целом, для нахождения этих значений никаких дополнительных измерений не требуется и руководствоваться можно уже имеющимися значениями, а сами зависимости строить в процессе измерения других характеристик. Например, зависимость КПД удобно строить при построении зависимости частоты вращения вентилятора от выходной мощности. По сути КПД есть отношение выходной мощности к мощности, потребляемой от сети. Здесь только следует помнить, что при вычислении потребляемой мощности перемножать надо RMS (среднеквадратические значения) напряжения и тока.

Коррекция фактора мощности (PFC) есть отношение активной мощности к полной. Заметим, что КПД и PFC, как правило, принимают стандартные значения. Коэффициент полезного действия четко описан в стандарте АТХ и очень редко оказывается ниже требуемого значения. Значение PFC зависит от используемой схемы, для пассивной – 0.70-0.75, для активной – 0.80-0.95. 

Вместо заключения

В итоге, после довольно длительных измерений мы получаем возможность дать полную характеристику конкретного блока питания. По КНХ мы можем судить о нагрузочной способности, т.е. можно вполне уверенно говорить, подходит ли конкретный БП для питания определенной системы или нет. Становятся известны и другие, не менее интересные качественные показатели, например, уровень пульсаций или КПД. Исследование теплового режима в сумме с изучением системы охлаждения дают представление о "живучести" той или иной модели. Например, если уже на тестовом столе при нормальной комнатной температуре блок питания работает в тяжелом тепловом режиме, то при установке внутрь корпуса, где только воздух разогревается до 40-50 С0 , вероятность его выхода из строя значительно повышается. Такой источник лучше вообще не использовать или использовать с минимальной нагрузкой. Мы принципиально отказываемся от проведения синтетических или неоднозначных тестов, которые дают спорный или малоинформативный результат. Главной задачей мы считаем изучение реальных возможностей блоков питания, а также их описание в краткой и доступной форме. На этом первая часть нашей методики тестирования современных компьютерных блоков питания может быть закончена. Продолжение следует...

Дополнение №1.

Стенд для построения КНХ с интерфейсом для ПК 

 

 

Новый стенд по сути своей ничем не отличается от того, что использовался нами ранее, но в данном случае он управляется непосредственно с компьютера при помощи специально разработанного программного обеспечения. Благодаря этому читатели могут увидеть не только очертания кросс-нагрузочной характеристики, но и отклонение напряжений от номинала в любой точке. Точность построения довольно высокая, т.к. применяются качественные АЦП.  Канал +12V разбивается на два подканала +12V1 и +12V2, это согласуется с новыми методами построения блоков питания и позволяет избегать подачи чрезмерной мощности на силовые транзисторы стенда. Суммарный ток данной шины достигает 40А, на сегодняшний день этого достаточно для тестирования практически всех современных БП, естественно, за исключением серверных и ультра-мощных. Все основные параметры, как, например, границы построения, способ распределения мощности, задержка снятия значений тока и напряжения после установления заданной нагрузки, могут задаваться пользователем при подготовке к автоматическому построению КНХ. 

Все это позволяет создать оптимальные параметры для получения достоверного результата. Наряду в полным автоматом есть возможность ручной установки нагрузки по всем шинам с небольшим дискретом. Данная функция необходима при первоначальном прогреве блока питания, а также для изучения характера работы на полной мощности.

 

Последнее обновление 15.11.2006

Методика 

Меню раздела

Рекомендуем

Карта сайта1 . Карта сайта2 . Карта сайта3 . Карта сайта4 . Карта сайта5 . Карта сайта6 . Карта сайта7 . Карта сайта8 . Карта сайта9 . Карта сайта10 . Карта сайта11 . Карта сайта12 . Карта сайта13 . Карта сайта14 . Карта сайта15 . Карта сайта16 . Карта сайта17 . Карта сайта18 . Карта сайта19 . Карта сайта20 . Карта сайта21 . Карта сайта22 . Карта сайта23 . Карта сайта24 . Карта сайта25 . Карта сайта26 . Карта сайта27 . Карта сайта28 . Карта сайта29 . Карта сайта30 . Карта сайта31 . Карта сайта32 . Карта сайта33 . Карта сайта34 . Карта сайта35 . Карта сайта36 . Карта сайта37 . Карта сайта38 . Карта сайта39 . Карта сайта40 . Карта сайта41 . Карта сайта42 . Карта сайта43 . Карта сайта44 . Карта сайта45 . Карта сайта46 . Карта сайта47 . Карта сайта48 . Карта сайта49 . Карта сайта50 . Карта сайта51 . Карта сайта52 . Карта сайта53 . Карта сайта54 . Карта сайта55 . Карта сайта56 . Карта сайта57 . Карта сайта58 . Карта сайта59 . Карта сайта60 . Карта сайта61 . Карта сайта62 . Карта сайта63 . Карта сайта64 . Карта сайта65 . Карта сайта66 . Карта сайта67 . Карта сайта68 . Карта сайта69 . Карта сайта70 . Карта сайта71 . Карта сайта72 . Карта сайта73 . Карта сайта74 . Карта сайта75 . Карта сайта76 . Карта сайта77 . Карта сайта78 . Карта сайта79 . Карта сайта80 . Карта сайта81 .