• Введение
• Номер раз - конденсаторы с низким ESR. Так ли они хороши?
• Номер два - входные индуктивности по входам питания
• Тестовый стенд
• Методика тестирования
• Тестирование
• Доработка БП
• Доработка под UPS
• Обратная связь

Введение

Странная история происходит с блоками питания (БП) персональных компьютеров. С одной стороны, их мощность неукротимо растет, с другой - произрастает культ «кукурузных» ватт. Бывает еще веселее, когда качественный БП при смене видеокарты или процессора неожиданно дает сбой. Мощности явно достаточно, по обзорам и отзывам он должен работать нормально, но нормально не работает. Когда на арену вышли видеокарты класса GTX280, массовым порядком посыпались жалобы на блоки питания. Причина?

Ну, вряд ли дело в цвете корпуса этих БП. Проблема находится не на поверхности - большая часть таких БП проходили тестирование и получили положительные отзывы. Значит придется копать вглубь.

Факторы, которые не отражены в стандарте ATX.

Методику тестирования блоков питания смотрите здесь.

К самой методике замечаний нет, просто надо внести поправки за прошедшее время.

1. Повсеместно распространились малогабаритные конденсаторы с низким последовательным сопротивлением (low ESR). Кроме снижения внутреннего сопротивления они могут пропускать через себя значительно бОльший ток, по сравнению с традиционными конденсаторами.
2. Во всех устройствах по входу питания ставят дроссель. Что удивительно, его номинал почти всегда один и тот же, 1.2uH.
3. Современные видеокарты не используют цепь питания 3.3V. То, что потребляется материнской платой под свои нужды, условно говоря, можно признать незначительным.
4. Напряжение +5V используется преобразователями на материнской плате, от него может запитываться северный/южный мост и память, PCI-устройства и устройства, подключаемые к разъемам USB или PS/2. Также +5V используется для питания накопителей.

В среднем на один жесткий диск уходит 0.5А и этот ток потребления практически не меняется во времени – эта нагрузка несущественна. Конечно, мощность потребления разных наборов логики не может быть одинаковой, но, условно говоря, она укладывается в диапазон 20-40W. Потребление памяти несколько меньше, 5-15W.

На первый взгляд, эти изменения не столь революционны и что-то менять нет смысла.... ан нет!

У Вас не пищит БП, при работе в 3D-приложениях не появляется ошибок, компьютер работает абсолютно стабильно? Ну если так, то Вам крупно повезло с БП и всё остальное можете не читать. Увы, везет не всем и давайте попробуем разобраться с причинами.

Номер раз - конденсаторы с низким ESR. Так ли они хороши?

Немножко теории, вдруг Вы подзабыли. Конденсатор должен иметь емкость, это его основное предназначение. Но, увы, ничего не бывает идеального, конденсатор кроме емкости имеет и паразитные параметры - индуктивность и сопротивление. Обычные, не твердотельные, конденсаторы представляют собой две ленты, скрученные в цилиндр. От каждой ленты есть проволочный вывод. Для подобного конденсатора емкость определяется исходя из всей рабочей поверхности лент. Но сами ленты и провода имеют какое-то сопротивление и индуктивность.

В результате, с повышением частоты 'эффективная' емкость уменьшается. Хотя, в данном случае стоит говорить не о емкости, а о эквивалентном сопротивлении (импедансе). С повышением частоты импеданс будет уменьшаться, и его минимальное значение будет зависеть от эквивалентного последовательного сопротивления(ESR). На еще бОльших частотах импеданс начнет снова расти и причина во втором паразитном параметре - индуктивности. Из-за ESR и индуктивности в конденсаторе с повышением частоты работает все меньшая часть ленты вплоть до относительно небольшого участка около выводов. Т.о., эквивалентной схемой обычного электролитического конденсатора будет последовательно-параллельное соединение конденсаторов, индуктивностей и сопротивлений. Важный момент, к нему вернемся чуть позже.

В low ESR конденсаторах стремятся сократить расстояние от рабочей поверхности конденсатора до его выводов. Самыми распространенными способами являются - очень много отводов от лент и применение вместо лент пористых материалов. В таком случае уменьшается расстояние от всех точек рабочей поверхности конденсатора до его выводов и, как следствие, снижение сопротивления цепи на этом пути. Вполне очевидно, что при этом снижается и паразитная индуктивность. Кроме того, раз в этом конденсаторе маленькое сопротивление, то он может выдержать бОльшие токи. Если несколько упростить, то - нагрев в конденсаторе вызывается потерями на том самом ESR. Раз ESR меньше, то и токи можно давать больше без ущерба для конденсатора. Опять же, если немного утрировать, эквивалентная схема low ESR конденсатора состоит из простой цепочки последовательно соединенных конденсатора, резистора и индуктивности.

Сами конденсаторы имеют гораздо меньший размер и, часто, исполнение SMD. Это тоже важно - SMD исполнение упрощает и удешевляет производство. Кроме того, в последнее время идет замена электролитических конденсаторов на керамические. Технологии разные, но суть остается прежней - очень маленькое внутренне сопротивление и индуктивность. Но и емкость тоже.

Все безоблачно, у low ESR конденсаторов только достоинства? Отнюдь.

Обычные конденсаторы ... конечно, речь о хороших обычных конденсаторах, при том же ESR имеют гораздо бОльшую емкость и сложную эквивалентную схему. Это означает две вещи:

• они работают и на более низких частотах тока нагрузки. Это здорово облегчает жизнь преобразователю.
• в схеме всегда есть индуктивность и распределенные параметры «обычных» конденсаторов сильно снижают добротность резонансного контура. Грубо говоря, «множественные» R-C цепочки {RC-цепочки} выполняют функцию демпфирующих цепочек. В low ESR конденсаторах паразитные параметры имеют весьма четкие параметры и добротность контура получается высокой. "Добротность контура" это просто слова, в реальной работе это приводит к неустойчивости обратной связи (шум, шуршание, свист) и «звону» напряжения на конденсаторе.

Как Вы понимаете, помехи на шине питания устройств вряд ли поспособствуют их устойчивой работе. Это вовсе не значит, что схемы на low ESR конденсаторах менее надежны и их следует избегать. Просто к проектированию подобных устройств надо подходить очень ответственно.

В результате имеем тенденцию уменьшения номинальной емкости конденсаторов на материнской плате. Если раньше по питанию {чего именно?} стояли конденсаторы емкостью в тысячи микрофарад, то теперь может не набраться и 500uF.

Номер два - входные индуктивности по входам питания

Я понимаю разработчиков аппаратуры, помехи из БП никому не нужны. Входные фильтры вещь очень полезная. Но что будет с БП, если все его потребители «начинаются» с индуктивности? В лучшем «ничего необычного», в худшем - эта суммарная индуктивность замечательно резонирует и система начнет «пищать». Сюда плюсуем "номер раз" - наличие low ESR конденсаторов вкупе с индуктивностями входного фильтра и получаем резонанс в звуковой полосе частот {диапазон поконкретней, плюс уменьшение емкости (раз уж тенденция) сдвигает резонансную частоту выше по сравнению с прежними решениями}. А т.к. это много ниже (в N1-N2 раза ниже) рабочей частоты преобразователя БП, то «резонансный» характер нагрузки легко и непринужденно сбивает устойчивость обратной связи БП. Это приводит или к писку или БП просто выключается как бы «непонятно почему».

«Почему», это понятно - возбуждение означает повышенные пульсаций, выход напряжений за границы и срабатывание защиты в БП.

Были бы конденсаторы обычными, то этих проблем наверняка не возникло.... ан нет, "прогресс!" {"прогресс"!}

Номер три - USB. Из-за установки low ESR конденсаторов банально не хватает номинальной емкости для демпфирования коммутируемой нагрузки.

В компьютере только одно напряжение, которое претерпевает коммутацию во время работы - дежурный источник 5 вольт (5Vsb). Мышки и Flash «на ходу» подключали к компьютеру? Страдает то самое 5Vsb. Емкости конденсаторов в БП делают, исходя из обеспечения необходимого уровня пульсаций, а на материнской плате вместо обычных конденсаторов начали ставить low ESR маленькой емкости. Если при подключении USB устройства компьютер «валится», то это означает слишком маленькую емкость по цепи 5Vsb. В USB устройстве всегда есть какая-то емкость и при подключении к USB на шине 5Vsb происходит кратковременное уменьшение напряжения пропорционально соотношению емкостей в USB устройстве и цепи 5Vsb (материнская плата и БП). Например, обычные офисные мышки Logitech имеют входной фильтрующий конденсатор 100uF. Предположим, что суммарная емкость по цепи 5Vsb в материнской плате и БП составляет 1000uF. В результате подключения USB устройства на шине 5Vsb напряжение кратковременно уменьшиться до 4.5V. А если USB устройство потребляет бОльший ток и, соответственно, имеет бОльшую входную емкость, а в БП съэкономили на конденсаторе?... Результат очевиден.

У Вас на новой материнской плате проблема с подключением USB устройств и Вы грешите на «отстойную матплату»? Обратите свой взор на другое устройство. Кстати, у меня есть такая «удачная» смесь в компьютере - при подключении Flash с вероятностью 1 к 10 компьютер повиснет.

Знаете, очень удобно работать на таком компьютере - если забыл всунуть Flash в выключенный компьютер, то - жди, пока можно будет его выключить. Добавление конденсатора 1000uF на провод 5Vsb от БП устранило сей «радостный момент» в работе.

Дотошный читатель сразу скажет, что по каждому выходу USB есть защитный элемент, и ток не может быть чрезмерно большим. На первый взгляд – «Да», но это только на первый. Функцию ограничения тока обычно возлагают на самовосстанавливающиеся предохранители. Они называются «предохранителями», но, по сути, являются терморезисторами и очень резким положительным тепловым коэффициентом. Такой элемент в холодном состоянии имеет небольшое сопротивление, но при нагреве (от протекающего тока) это сопротивление резко возрастает.

Цепь включения - последовательная, поэтому с увеличением сопротивления возрастает и падение напряжения на нем, т.е. мощность. Следует лавинообразный процесс увеличения напряжения и нагрева с одновременным уменьшением тока. Фактически, в режиме ограничения тока, на этом сопротивлении падает одна и та же мощность. Для тех 'предохранителей', которые ставят по цепям USB эта мощность составляет порядка 0.3Вт. Все было бы красиво, но для разогрева элемента нужно время, поэтому при подключении USB на короткое время ток практически не ограничен.

С дежурным напряжением есть и вторая беда. Если в старых («китайских») БП дежурный преобразователь формировал два напряжения - 5Vsb и примерно 20В для питания схемы управления, то в новых БП формируется только 5В {+5 В}, от которого запитывается 5Vsb и внутренние схемы БП. Т.о., помехи по 5Vsb от USB для старых БП не влияли на работу самого БП, а вот в 'новых' эффект может быть интересным.

Тестовый стенд

Различные источники, в том числе и "Power Supply Design Guide" рекомендуют трактовать БП как автономное устройство с некоторым набором параметров. Отчасти это верно, но, простите, почему в реальном компьютере вроде бы одинаковые БП ведут себя по-разному? И, кроме того, почему БП всегда надо брать «с запасом» в 1.5-2 раза? Я бы понял, если б речь шла о «noname» БП китайского производства, но когда ту же «арифметику» вынуждают применять для известных фирм - просто опускаются руки. А как же тесты этих БП независимыми тестерами уважаемых сайтов? Что-то здесь не чисто, надо очень внимательно присмотреться к этой общепринятой методике тестирования.

Кроме вполне очевидных и понятных тестов на максимальную мощность и способность работать на ней продолжительное время, измерения уровня пульсаций и коэффициента полезного действия (КПД), времени включения и порогов защиты, существуют и весьма неочевидные тесты.

Вот на этом и остановлюсь подробнее. Впрочем, перед самими тестами надо сделать тестовый стенд как эмуляцию современного компьютера.

Эмулировать, так по полной программе!

• Стандартный компьютер всегда собирается в корпусе. Хоть этот корпус сделан из материала с не слишком хорошей проводимости, но зато его много и он тонкий (т.е. работает во всей полосе частот с одинаковой эффективностью). Короче говоря, тестовый стенд обязан собираться на базе шасси корпуса ATX, а БП крепиться на свое законное место всеми четырьмя винтами.
• Глобально, нагрузками БП выступают три устройства - материнская плата, видеокарта и приводы DVD, HDD. Тестовый стенд должен учитывать эти особенности - в корпусе (см. пункт "а") надо установить настоящую материнскую плату, с которой удалены все детали, кроме разъемов питания.

  Это надо для получения адекватной (термин надо продумать) земли.

  Для эмуляции видеокарты на место разъема PCI-Express надо установить разъемы подключения внешнего питания видеокарт. Т.к. сам разъем PCI-Express имеет достаточно длинные выводы (внутри самого разъема), то между устанавливаемым разъемом и платой надо сделать соответствующий промежуток и использовать провод соответствующего диаметра и их количества. Конечно, речь идет только об одной цепи - gnd. Я использовал 10 проводников диаметром 0.6мм м и длиной 15мм. (Вариант - так же как и для матплаты нужно учитывать соединение задней панели видеокарты с корпусом - "надо установить настоящую видеокарту, с которой удалены все детали, кроме разъемов питания").

  Дисковые устройства имеют одну особенность - их корпус соединяется с землей питания. Это означает, что в тестовом стенде надо делать так же - нагрузка должна подключаться не только к выводам земли разъема MOLEX, но и непосредственно к корпусу.

  И, крайне желательно, это делать в том месте корпуса, где устанавливаются эти устройства.

• Можно много рассуждать о способе подключения нагрузки, особенно это касается цепи gnd. Но, как мне кажется, наиболее верный тот спосов, который есть в действительности - так, как подключается потребители этих напряжений, преобразователи на материнской плате.

  По +12V CPU и +5V надо подключаться прямо на разъем. По жестким дискам и DVD-приводам - использовать разъемы с таких устройств с оставленными фильтрами и подключаться к ним. Найти б/у или 'убитый' HDD и DVD не составляет проблемы.

  По видеокарте - нагрузка должна подключаться прямо на выводы разъемов, а не на материнскую плату. Аргумент - преобразователь видеокарты находится на самой видеокарте и через разъем PCI-Express протекает только в одну сторону, от БП к видеокарте.

• Нагрузка подключается через L-C фильтр. С индуктивностью все более-менее ясно, а вот с конденсаторами придется разбираться.

  Я просмотрел некоторое количество новых моделей материнских плат и видеокарт и в них прослеживается явная тенденция - по 12В CPU суммарная емкость фильтрующих конденсаторов имеет диапазон 200-600uF, для видеокарт еще меньше, 50-300uF.

  В своем тестовом стенде я использовал конденсаторы 330uF с ESR 30mOm и дроссель индуктивностью 1.2uH на ферритовом сердечнике по каждому каналу нагрузки цепей 12 вольт.