Некоторые соображения по тестированию БП. Доработка Corsair CMPSU-750TX (страница 2)
реклама
Методика тестирования
Раз уж договорились эмулировать работу реального оборудования, то и тесты должны быть максимально приближены к действительности.
Тест сферического коня в вакууме мы уже имеем, спасибо "Power Supply Design Guide".
Первой мыслью было - взять реальное оборудование и посмотреть статические/динамические характеристики на датчиках тока. Собственно, так и поступил с жесткими дисками. А как быть с процессорами, памятью, видеокартами и прочим? ... разброс очень большой.
Если делать «хорошо», то так и надо поступить, но у меня нет такого ассортимента аппаратуры и, извините, ресурсов. Значит, пока придется ограничиться только первым приближением.
Второй момент - как это разнообразие связать в конкретные конфигурации? Можно перебрать все процессоры, видеокарты, наборы микросхем, память ... и получить весьма большое число вариантов. Конечно, при этом придется учитывать и разогнанные версии устройств.
реклама
С другой стороны, компьютерные компоненты стареют очень быстро, а БП остаются. Как потом сравнить свою конфигурацию с БП, протестированным год-два назад?
Ну что, надо же с чего-то начинать - я использую постепенное повышение класса компьютера, от самого маломощного (по потреблению) до особо мощных конфигураций с несколькими видеокартами. Нагрузка на все каналы БП постепенно повышается, а для 12В CPU каждый шаг тестируется для одинарного и удвоенного тока - этим эмулируется установка одинарной и двойной мощности процессора (по потреблению). Аргумент тут прост - бывают «серверы» с мощным процессором (процессорами) и «декоративной» видеокартой и бывают игровые компьютеры на относительно маломощных (по потреблению) процессорах и 2-3х высокопроизводительных видеокартах.
Процессор, Вт | 25 | 35 | 45 | 65 | 75 | 75 | 75 | 75 | 75 | 75 | 75 |
Процессор х2, Вт | 50 | 70 | 90 | 110 | 130 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 |
+5В, Вт | 20 | 24 | 28 | 32 | 36 | 40 | 44 | 44 | 44 | 44 | 44 |
Видеокарта, Вт | 25 | 40 | 50 | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 |
Мощность по процессору и +5В растет одновременно с ростом мощности видеокарт, но только до определенной границы. На последних позициях их рост заморожен - эти конфигурации нагрузки для эмуляции установки нескольких видеокарт.
Под нагрузкой по +5В понимается потребление набора микросхем, памяти и жестких дисков.
Ну, а как быть с видеокартой? Существует несколько вариантов подачи питания:
- только от внутреннего питания PCI-Express
- от PCI-Express и от одного дополнительного разъема 12V
- от двух разъемов 12V
Для первого варианта все очевидно, а вот второй и третий вызывает проблемы - варианты распределения нагрузки очень обширные. Причем, если для nVidia принято деление как 50% + 50%, то для ATi цифры меняются весьма «судорожно». Особенно выделяется видеокарта 4870x2, где оба конвертера GPU работают от одного источника. Как следствие, деление мощности составляет 60% на GPU и 40% на прочее.
Эх, но как-то дробить придется, потому у себя я принял деление как 50% + 50%.
реклама
Возможно, не все знают о том, как распределяется нагрузка по входам 12V видеокарт, потому остановлюсь подробнее.
В видеокарте несколько преобразователей, которые формируют напряжение питания для различных узлов устройства. Эти узлы могут потреблять разную мощность и больше или меньше реагировать на изменение режимов работы. Например, узлы ввода-вывода и serdes PCI-Express практически всегда потребляют одну и ту же мощность, память может менять потребляемый ток от режима работы, GPU очень энергично изменяет свое потребление от характера работы. Поэтому я ввел два условных понятия при тестировании видеокарт - нагрузка типа 'память' и типа 'GPU'.
Кроме нагрузок тестовый стенд состоит из эмулятора питающей сети 220В. Здесь тоже есть варианты - сеть бывает «чистая» и «грязная» (с помехами), иметь низкое и относительно большое сопротивление и индуктивность. Кроме того, существуют различные типы бесперебойных источников питания (UPS). Плодить множество данных не хотелось, потому я использовал некоторые «усредненные» (скорее даже «плохие») параметры первичной сети - у источника 220V установлено выходное сопротивление 1Om и индуктивность 1mH.
Если с вводной частью закончено, то перейдем непосредственно к методике.
Условные сокращения:
AC - первичная сеть,
CPU - характеристики нагрузки по выходу 12V процессора,
VGA:MEM - по выходу подключения к видеокарте типа 'память' (обычно это Ext1), VGA:GPU - аналогично (обычно это Ext2),
+5В – соответственно характеристики нагрузки по +5V.
Тест 1 - измерение на постоянной нагрузке.
AC – 220V синус
CPU, VGA:MEM, VGA:GPU, +5В - повышение тока по таблице.
Измеряется: ток потребления БП, уровень пульсаций и выходное сопротивление каналов.
Тест 2 - измерение на динамической нагрузке.
AC – 220V синус
CPU, VGA:MEM, VGA:GPU, +5В - повышение тока по таблице, при этом ток нагрузки моделируется меандром по таблице:
Цепь | Частота | Мин. | Макс. |
---|---|---|---|
CPU | 100 Hz | 50% | 100% |
VGA: GPU | 200 Hz | 40% | 100% |
VGA: MEM | 400 Hz | 60% | 100% |
+5В | 800 Hz | 80% | 100% |
Измеряется уровень пульсаций каналов.
Величина динамического изменения тока нагрузки выбрано из характеристики типов нагрузки - наборы микросхем не имеют ярко выраженного динамизма в потребляемом токе, а вот GPU и CPU весьма резко меняют свой ток от характера выполняемых задач.
"Power Supply Design Guide" рекомендует делать переключение 50-100%, в чем я солидарен.
В видеокартах при переходе от «спокойного» 2D режима к игровым приложениям потребление VGA:MEM возрастает в 2 раза, а VGA:GPU даже в 3. По процессору цифры где-то аналогичные, в 2-3 раза. Но все эти «2-3 раза» нельзя считать полностью динамической нагрузкой, только часть из этого идет как «динамизм» - сказываются «фоновые» задачи. Например, при обсчете игры процессор выполняет разные процедуры и их программные решения потребляют различную мощность.
По частотам - специально взяты разные частоты, так можно избежать наложения разных каналов. Сама частота в 100Hz - порядка того есть в современных играх. Можно было поставить более 'честную' цифру в 30-50Hz, но для БП частоты 10Hz-1KHz {от 10 Гц до 1 кГц} воспринимаются практически одинаково.
Тест 3 - работа от 220V, синус.
AC – 220V, синус.
CPU, VGA:MEM, VGA:GPU, +5В - сумма нагрузок составляет 2/3 от максимальной мощности БП.
Если не оговорено специально, то - нагрузки выбираются из учета «типовой» загрузки БП. Канал +5V нагружается на 30W, CPU на 50-80W (в зависимости от мощности БП), остальное делится на VGA:MEM и VGA:GPU.
Измеряется: ток потребления БП, КПД, уровень пульсаций каналов.
Тест 4 - работа от 220V, меандр.
AC – 220V, меандр.
Остальное как в тесте 3.
Идея теста в проверке работы от UPS.
Тест 5 - симуляция нестабильности сети 220V.
AC - напряжение меняется в интервале 187-242V (синус) по псевдослучайному закону.
Остальное как в тесте 3, кроме КПД.
Тест проверяет устойчивость БП при нестабильности сети.
реклама
Тест 6 - симуляция кратковременного отключения сети 220V.
AC - выставляется 220V, синус, и на короткое время отключается.
Тест проверяет устойчивость БП при отказе сети, при котором происходит переключение на другой источник. Ситуация вполне обычная и для обычной сети 220V и для UPS.
Тест измеряет время, которое может протянуть БП без сети, дискретность отсчетов 5mS. Более точно измерить представляет большие трудности, ведь изменяемым параметром является синусоидальный сигнал. Если для БП с APFC это не столь важно, то блоки без APFC видят только пики напряжения и фактически отключаются от сети в другие моменты времени.
Для ориентировки - один период частоты 50Hz (а в сети именно такая частота) составляет 20mS.
Тест 7 - эмуляция HDD.
Все настройки обычные (как в тесте 3), но к выходу 12V MOLEX подключается эмулятор тока потребления HDD. Это импульсная нагрузка с током 1-6А (в зависимости от мощности БП), длительностью 0.5mS и периодом 10mS.
Измеряется уровень пульсаций по каналам.
У меня в тестовом стенде канал VGA:MEM и 12V MOLEX соединены - увы, малое число блоков нагрузки и чем-то пришлось жертвовать.
Тест 8 - измерение КПД по выходам.
Эффективность вычисляется последовательным переключением токов нагрузки и изменением мощности потребления БП.
Как «начальная» принято 1/3 от полной мощности БП.
Тест 9 - качество работы дежурного источника.
а) подключить к 5Vsb разряженный конденсатор 220uF и замерить провал напряжения.
б) провести подобный тест с самовосстанавливающимся предохранителем.
Тестирование
Для примера возьмем пару «китайских» БП и пару фирменных. Чтоб увидеть разницу, я возьму БП построенные по схожей схемотехнике.
China1 и China2 - два безродных блока питания неизвестной мощности. Судя по экстерьеру можно посчитать их за 200W.
FSP - FSP OPS550-80GLN - блок питания с довольно высоким КПД и APFC.
Corsair - Corsair CMPSU-750TX - по схемным решениям очень напоминает FSP, но имеет раздельную стабилизацию каналов +12V и +5V.
Увы, China2 не смог пройти теста на помехи в сети 220V, потому прилагается два файла.
Результаты тестов: China1.rar, China2_a.rar, China2_b.rar, FSP.rar, Corsair.rar.
Блок питания |
Импеданс CPU |
Импеданс VGA:GPU |
Импеданс VGA:MEM |
Импеданс +5В |
Средний КПД |
КПД 12В |
КПД 5В |
КПД 3.3В |
КПД 5Vsb |
Макс. время провала сети |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
China1 | 25mOm | 67mOm | 34mOm | 2.4mOm* | 75.9% | 85.1% | 81.5% | 56.7% | 68% | 45mS |
China2 | 50mOm | 102mOm | 132mOm | - | 75.1% | 84.3% | 77.2% | 55.5% | 75.9% | 25mS |
FSP | 23mOm | 20mOm | 20mOm | 1.7mOm* | 85.1% | 89.1% | 91.9% | 66% | 73% | 30mS |
Corsair | 4.6mOm | 4.9mOm | 4mOm | 2.6mOm* | 84.7% | 89.5% | 92% | 66.9% | 67.3% | 30mS |
Corsair+ | 3.7mOm | 4.8mOm | 2.6mOm | 1.5mOm* | 84.7% | 88.7% | 92.4% | 66.9% | 72.3% | 25mS |
* - может быть неточным.
Цифры и осциллограммы Вы посмотрите сами, краткие замечания:
China1 - обратная связь возбудилась на звуковой частоте (xx кГц). Собственно, с этим БП всё. Что интересно, совсем без емкости в нагрузке или наоборот, при большой емкости, этот БП работает нормально. Очередной низкий поклон "Power Supply Design Guide"! (сарказм).
China2 не мог вынести сильных помех в сети 220V. Эх.
Оба БП, и China1 и China2, резко увеличивали уровень помех при работе от «ненормального» напряжения сети. С другой стороны, China1 показал достаточно высокое время по отсутствию сети, 45mS. Зато 5Vsb не смог выдать даже 10W.
China2 явно старого стандарта, выходное сопротивление канала 12V просто ужасающее. Еще одно отличие этого БП - в нем установлен синхронный выпрямитель по каналу +5V. И как это отразилось на качестве его работы?..
Теперь по «элитным» блокам питания.
FSP и Corsair показали очень похожие характеристики, если не учитывать эффект от раздельной стабилизации в Corsair. Гм.
Оба БП обеспечивают время по отсутствию сети всего в 25-30mS, это очень мало. Откуда взялась эта цифра в 30mS? Если открыть application по микросхеме CM6800, то все станет на свои места - там расчеты ведутся именно от 30mS. Причем, в Corsair емкость конденсатора явно занижена, всего 390uF для 750W БП. Плохая сеть и хотите стабильности - ставьте UPS.
Доработка БП
Тратить время на «noname» смысла нет, БП от FSP был временно вынут из работающего компьютера и в него лезть нельзя. Остается Corsair 750TX, вот им и займемся. Схемные решения у Corsair весьма типичны, поэтому их можно применить и на другие БП.
Блок питания Corsair CMPSU-750TX построен по уже обычной схеме - APFC и однотактный прямоходовой преобразователь на двух IGBT.
Часто подобные БП строятся на контроллере CM6800 или ML4800, что является аналогами.
Доработка под UPS
Проблема совместимости с UPS кроется в работе узла APFC - при старте или «набросе тока» от переключения на батареи UPS несколько занижает напряжение. На снизившееся напряжение узел APFC отвечает возрастанием тока, что также понижает напряжение UPS и так до полного срабатывания токовой защиты UPS и его выключения. Вторая проблема UPS - не синусоидальное напряжение при работе от аккумуляторов. Соответственно, доработки будет две - затягивание фронта нарастания тока для уменьшения броска тока при переключении полярности и сужение диапазона работы APFC с full range (110-242) на обычный диапазон 187-242.
1) Замедление скорости нарастания тока.
Схемно это может быть реализовано различными способами, я пошел по пути формирования задержки тока Iac контроллера CM6800. Этот ток является образцовым для формирования тока потребления от сети 220В и изменение его формы прямо сказывается по форме тока потребления.
В документации на контроллер рекомендуется брать Iac прямо из выпрямленного напряжения сети ... это подходит для синусоидального напряжения, а вот меандр вызывает проблемы - не все UPS создают прямоугольное напряжение с достаточно большой паузой.
Для исключения этой проблемы Iac формируется из обоих входов 220В до выпрямителя. Кроме решения «проблемы» это позволяет отфильтровать высокочастотные помехи и улучшить форму сигнала Iac, ведь после выпрямителя напряжение более повреждено. Действие фильтра заметно невооруженным взглядом - для синусоидального напряжения сети при переходе через ноль меньше искажений. Дело не в эстетике, это означает меньший уровень помех. В своей доработке я поставил RC-фильтр с постоянной времени 0.5mS.
2) Уменьшение диапазона APFC.
Интересная штука, этот APFC. Iac задает форму тока, а Vrms определяет максимальный ток, причем это делает «наоборот». Логично рассуждая, при снижении входного напряжения узел APFC обязан увеличивать максимальный ток, для этого и служит вход управления Vrms - он подключен к выпрямленному напряжению сети (конечно, через делитель), как и Iac. В результате, при понижении напряжения сети уменьшается Vrms и блок APFC увеличивает ток. Т.о., Vrms является схемой прямого регулирования APFC. Сразу один момент - если на выводе Vrms будет нестабильное напряжение, то это отразится на токе, а т.к. регулирование осуществляется обратно пропорционально не напряжению, а квадрату напряжения на выводе Vrms, то любые нестабильности вызовут сильное искажение формы тока. Присмотритесь к форме тока потребления БП на большой мощности - форма тока потребления скорее похожа на треугольную, чем на синус. Причина все в том же, Vrms получается путем двойной фильтрации напряжения сети. Первая RC цепочка имеет постоянную времени 20mS, вторая еще меньше. Для справки - у частоты 100Hz после выпрямителя частота удваивается) период составляет 10mS. Интересно, что в примере применения CM6800 нарисован узел активного уменьшения Vrms при уменьшении напряжения сети. С одной стороны, это немного повышает работоспособность БП на частичных провалах напряжения сети и, как обратная сторона медали, здорово бьет по голове UPS. К чести Corsair, эти компоненты не распаяны.
Для повышения устойчивости перехода на UPS можно или отключить регулирование по входу регулирования Vrms или сделать его очень спокойным.
Первый вариант получается путем подачи фиксированного напряжения на Vrms, например с Vref через делитель. Вначале я несколько увлекся и поставил делитель 2/3, что привело к сваливанию APFC на предельной мощности.
Интересны следующее моменты:
- максимальный ток во всех режимах не превысил 6А;
- при максимальной мощности APFC выдавал синусоидальный ток. Пики тока на верхушках синусоиды вызваны прямой зарядкой сглаживающего конденсатора, т.е. напряжение на нем стало меньше напряжения сети.
- на выходных напряжениях появилась сильная помеха с частотой сети, и уменьшилось напряжение - т.е. этот БП в принципе не может работать без APFC.
Вторым вариантом доработки является сильное увеличение постоянной времени RC фильтра напряжения Vrms - это можно осуществить подключением электролитического конденсатора на вывод Vrms. Обычно, делитель формирования этого напряжения имеет в нижнем плече резистор 13.2К, пересчитать емкость конденсатора под нужное время не составляет труда.
Обратная связь
В этом БП применена независимая стабилизация выходных напряжений. Основной преобразователь стабилизирует только выход +12V, а по +5V и +3.3V стоят дополнительные стабилизаторы на насыщающемся дросселе. Всё хорошо? ... не совсем - цепь +12V имеет несколько выходов с противоречивыми характеристиками:
- Выход для дисковых устройств. Низкий ток потребления, требуется высокая стабильность.
- Выход для конвертеров процессора и видеокарт.
В этом БП обратная связь ведется через специальный провод в кабеле питания к материнской плате (смотрите внимательнее, из одного вывода разъема выходит два провода). Правильно или нет?
В основном это касается мощных видеокарт, поэтому на них и стоит обратить внимание. Если в видеокарте нет входа дополнительного питания или этот вход только один, то это означает активное использование напряжения 12V из PCI-Express. Но при двух входах ситуация меняется, основная нагрузка идет по дополнительным кабелям питания. В БП Corsair все сделали правильно, как мне кажется, но не для этого исполнения БП - он позиционируется для работы с несколькими мощными видеокартами и обратную связь стоило взять с кабеля питания PCI-E.
Хорошо, проверим - перенесем цепь обратной связи на кабель питания видеокарты, для чего в кабель добавляется еще один провод. Результат тестирования логичен, выходное сопротивление по 12V уменьшилось в 1.5-2 раза. Стабилизация 12V общая, поэтому на ненагруженном канале напряжение будет возрастать при увеличении тока нагрузки по выходам 12V CPU и прочим. В основном, это касается стабильности напряжения 12V питания жестких дисков. Если до доработки обратной связи по этому выходу напряжение менялось на 60mV, то после доработки цифра возросла до 90mV. Если принять во внимание, что при тестировании мощность нагрузки менялась в гораздо бОльшем диапазоне, чем есть в реальном компьютере, то приведенную цифру можно смело поделить на два. Напряжение смещения в 40-50mV не должно сколь-нибудь заметно сказаться на надежности работы жестких дисков и DVD-приводов.
Хочу обратить внимание на изменение формы тока потребления от 220V - сигнал стал больше похож на синус, уменьшились дефекты и броски тока при нестабильном напряжении первичной сети. Прибор эмулятора сети 6812B позволяет измерять косинус с точностью до трех знаков и для БП после доработки он выдал цифру 0.999 на максимальной мощности. Хех.
Честно говоря, я ожидал некоторый вред задержки нарастания Iac на косинус, но, как говорится, 'добавить нечего'. Хоть и смысла не много.
Использованные приборы и оборудование:
- Вольтметр B7-38
- Digital oscilloscope Rigol DS1102
- AC Power source/Analyzer Agilent 6812B
- System DC load Agilent N3300A
Благодарности.
Автор благодарит фирму Corsair, а также всех тех, благодаря кому несмотря ни на что получение БП стало реальностью.
реклама
Страницы материала
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила