Для любого тестирования нужна методика, описывающая задачи, цели, средства и этапы измерения. Другой вопрос, что иногда методика не излагается напрямую, а подразумевается или, как вариант, находится исключительно в голове автора, и нигде в явном виде не изложена, такое тоже бывает. Мы же постараемся изложить нашу методику тестирования блоков питания достаточно популярно и в тоже время без излишних технологических подробностей.
Перед изложением непосредственно методики тестирования и оценки блоков питания хотелось бы привести основные теоретические сведения на основе которых мы, собственно, и основывались при ее создании. Начать стоит с основных определений и вводных данных.
Мощность — скорость поступления энергии от источника к потребителю.
Активная мощность (P) в цепи переменного тока характеризует необратимое преобразование электрической энергии в другой вид или род энергии, например, в тепловую, световую и механическую энергию. Единица измерения — ватт (Вт).
Реактивная мощность (Q) в цепи переменного тока является энергией, которой обменивается генератор и приемник и непосредственно в процессе преобразования она не участвует. Единица измерения — вольтампер реактивный (ВАР)
Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение активной мощности Рвых, отбираемой от преобразователя (в данном случае блока питания), к активной мощности Рвх, подводимой к преобразователю.
Полная мощность (S) в сети переменного тока представляет собой произведение действующих значений напряжения и силы тока в цепи или находится как геометрическая сумма активной и реактивной мощности. Для источников электрической энергии переменного тока (генераторов, источников бесперебойного питания) указывается полная мощность, которая соответствует активной мощности (S=P, Q=0) в случае нагрузки, представляющей собой чисто активное сопротивление, при этом PF=1. Единица измерения — вольтампер (ВА)
Коэффициент мощности (КМ) (PF) представляет собой отношение активной мощности, потребленной преобразователем, к полной мощности подведенной к нему посредством электрической сети переменного тока и показывает эффективность использования энергоресурсов электрической сети (источника переменного тока) потребителем (преобразователем).
Корректор коэффициента мощности (ККМ) (PFC) — функциональный модуль блока питания, предназначенный для повышения коэффициента мощности с целью снижения паразитной нагрузки на источник переменного тока (электрическую сеть общего пользования) за счет уменьшения реактивной мощности путем повышения линейности формы потребляемого тока.
В компьютерных блоках питания встречаются две разновидности ККМ. Пассивный корректор коэффициента мощности (PPFC) представляет собой дроссель (трансформатор), при этом является чисто пассивным, но зато очень увесистым, элементом. Эффективность применения подобного корректора невысокая, хотя некоторый эффект он и дает.
Активный корректор коэффициента мощности (APFC) имеет в своем составе накопительный дроссель, ключевые транзисторы и управляющую микросхему. АККМ по сути является импульсным преобразователем, имеющем на выходе напряжение около 400 В. При этом за счет высокой частоты работы преобразователя, составляющей от десятков до сотен килогерц (в схеме без APFC частота 50 Гц) на входе блока питания форма тока представляет собой практически правильную синусоиду, то есть для электросети общего пользования блок питания, оснащенный модулем APFC представляется в виде обычного активного сопротивления. При использовании APFC коэффициент мощности блоков питания находится, как правило, в диапазоне 0,95—0,99 (95—99%).
Дополнительным преимуществом применения APFC в блоке питания является возможность использования более энергоемких конденсаторов во входном выпрямителе. Дело в том, что энергоемкость конденсатора пропорциональна квадрату напряжения, поэтому энергоемкость конденсаторов на 400 В и 160 В отличаются примерно в шесть раз при прочих равных условиях. Данный факт позволяет использовать меньшее количество конденсаторов во входном выпрямителе (один вместо двух), а также снижать их емкость без ущерба для энергетических возможностей блока питания.
Основные сведения по компьютерным блокам питания содержатся в документе Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factor, последняя ревизия 1,1 датирована мартом 2007 года. Данный документ включает в себя спецификации ATX 12V текущей версии 2,3, которые раньше содержались в отдельном документе PSDG ATX12V, имеющем последнюю версию 2,2.
В спецификациях рекомендуемая мощность блоков питания представлена в двух видах: как таблица с максимальными и пиковыми токами по соответствующим линиям, так и в графическом виде с указанием мощности по шинам в ваттах.
Что касается табличного представления, то в данном случае приводятся максимальные токи, которые достигаются по каждой линии отдельно, но при этом нагрузка по остальным линиям подразумевается немаксимальной. Также нельзя просто просуммировать полученные произведения максимальных токов и номинальных напряжений, точнее просуммировать конечно можно, но при этом получаем число никакого отношения к реальной выходной мощности блока питания не имеющее. Разница между максимальным и пиковым током заключается в том, что первый — блок питания обязан обеспечивать продолжительное время в течение, как минимум часа, а второй — кратковременно в течение 17 секунд. В своих измерениях мы используем только значения максимальных токов, то есть блоки питания тестируются в номинальном режиме работы.
Отличие шины питания от линии питания достаточно условное, схематично шину можно представить себе, как участок цепи от вторичной обмотки основного трансформатора до выходных разъемов на проводах со стороны комплектующих, линия же представляет собой участок шины либо от диодной сборки выходного каскада, либо от точки разделения шины на несколько линий. В блоке питания, как правило, всегда присутствуют две основные шины — это 12V и 3,3&5V. При это линий может быть достаточно большое количество.
В характеристиках блока питания, помимо общей выходной мощности, как правило, указывается мощность по отдельным шинам, хотя, в существующих условиях, мощность по шине 3,3&5V абсолютно не критична, так потребление системного блока по данной шине крайне редко превышает 50 Вт, а все современные блоки питания способны отдать в нагрузку по ней минимум 100 Вт, а чаще всего 140-200 Вт. Поэтому основное внимание нужно уделять прежде всего шине 12V, так как основное энергопотребление в современном системном блоке производится именно по данной шине. Для получения максимального значения допустимого тока нагрузки по шине 12V необходимо поделить указанную на БП максимальную мощность 12V на значение номинального напряжения, то есть на 12 В, полученное значение и будет являть силой тока в амперах, характеризующее реальную выходную мощность данной шины БП, реальную — с точки зрения заявленных характеристик конечно.
Как было сказано ранее, графическое представление характеристик оперирует уже мощностью по каналам, что, собственно говоря, нам только на руку. С помощью вышеупомянутых диаграм была составлена более развернутая таблица характеристик.
Наименование блока питания | Максимальный ток, А | Максимальная мощность, Вт | |||||||
3,3V | 5V | 12V1 | 12V2 | 12V3 | 12V4 | 3,3&5V | 12V | Общая | |
ATX12V ver, 2,3 180W | 13 | 14 | 10 | — | — | — | 80 | 120 | 175 |
ATX12V ver, 2,3 220W | 13 | 14 | 14 | — | — | — | 80 | 168 | 215 |
ATX12V ver, 2,3 270W | 19 | 15 | 17 | — | — | — | 97 | 204 | 265 |
ATX12V ver, 2,3 300W | 21 | 15 | 11 | 8 | — | — | 103 | 216 | 295 |
ATX12V ver, 2,3 350W | 21 | 15 | 11 | 14 | — | — | 103 | 264 | 345 |
ATX12V ver, 2,3 400W | 24 | 15 | 17 | 14 | — | — | 120 | 300 | 395 |
ATX12V ver, 2,3 450W | 24 | 15 | 17 | 16 | — | — | 120 | 360 | 445 |
Параметры БП приводятся в виде кросс-нагрузочной характеристики, при этом по оси абсцисс изображается мощность по шине 12V, по оси ординат — мощность по шине 3,3&5V, а замкнутая кривая охватывает минимальную область допустимых значений напряжений.
Для обозначения внешних разъемов БП и указания их количества мы будем использовать следующую форму:
| Наименование разъема | Количество коннекторов |
|---|---|
| 24 pin Main Power Connector | 1 |
| 4 pin 12V Power Connector | 1 |
| 8 pin SSI Processor Connector | 1 |
| 6 pin PCI-E 1.0 VGA Power Connector | 1 |
| 8 pin PCI-E 2.0 VGA Power Connector | 1 |
| 4 pin Peripheral Connector | 1 |
| 15 pin Serial ATA Connector | 1 |
| 4 pin Floppy Drive Connector | 1 |
6 pin PCI-E 1.0 VGA Power Connector
Описание блока питания
Начинать каждый обзор мы будем с краткого описания упаковки и комплекта поставки тестируемого блока питания. После чего мы проанализируем его заявленные характеристики на предмет соответствия максимальной заявленной мощности БП и нормативной мощности шины 12V по таблицам PSDG.
Далее следует внешний осмотр БП, подсчет количества разъемов различных типов и измерение длины провода до них от корпуса БП.
Завершает данную часть обзора внутренний осмотр БП с указанием модели, производителя и известных характеристик вентилятора. Указание номиналов конденсаторов входного выпрямителя и выходного каскада. Указание типа схемы коррекции коэффициента мощности. Указание физических размеров радиатора (высота, толщина основания, форма).
Тестовые испытания
Первый этап данной части обзора — это экспериментальное определение реальной системной мощности блока питания посредством подключения к нему нагрузки с максимальной заявленной мощностью потребления по шине 12V и 42 Вт по шине 3,3&5V.
В случае, если значения напряжений выходят из допустимых пределов при указанной нагрузке значение тока по шине 12V уменьшается с шагом в 1 А до момента нормализации всех выходных напряжений.
В случае, если максимальная мощность по шине 12V явно не указана, она определяется экспериментально начиная с максимальной мощности одного канала 12V в сторону увеличения до момента наступления одного из следующих событий:
- выхода значений напряжений за допустимые пределы
- достижения значения мощности, соответствующего сумме максимальных токов всех указанных линий 12V в характеристиках БП
- достижения значения мощности по шине 12V
- соответствующей аналогичному типовому БП из спецификаций ATX 12V ver. 2.3
- выход БП из строя
Тестирование электрических параметров
Первым этапом инструментального тестирования является построение кросснагрузочной характеристики (КНХ) и представление ее на полуплоскости ограниченной максимальной мощностью по шине 3,3&5V с одной стороны (по оси ординат) и максимальной мощностью по шине 12V с другой стороны — по оси абсцисс. В каждой точке измеренное значение напряжение обозначается цветовым маркером в зависимости от отклонения от номинального значения:
- насыщенный зеленый — 1% (отлично, 5 баллов)
- светло-зеленый — 2% (очень хорошо, 4 балла)
- желтый — 3% (хорошо — 3 балла)
- оранжевый — 4% (удовлетворительно — 2 балла)
- красный — 5% (плохо, но в пределах нормы — 1 балл)
- белый — более 5% (неудовлетворительно — 0 баллов)
По результатам теста выставляется оценка за качество электропитания, как на полуплоскости в целом, так и в наиболее актуальном рабочем диапазоне, за который мы приняли прямоугольник левый нижний угол которого имеет координаты (0;0), а верхний правый угол координаты (200;50). Данный диапазон представляется наиболее актуальным для домашнего пользователя.
Оценка выставляется по худшему цвету (отклонению), при условии что массив точек данного цвета имеет размер минимум 3х3.
Для выставления интегральной оценки, полученные баллы сумируются с использованием дополнительных коэффициентов, отражающих актуальность каждого напряжения в современном системном блоке:
- коэффициент для 12V — 4х
- коэффициент для 5V — 2х
- коэффициент для 3,3V — 1х
Формула расчета выглядит следующим образом: INTRATING=(O12xK12+O5xK5+O3xK3)/(K12+K5+K3), где:
- O3,O5,O12 — оценки для линий 5, 12 и 3,3 В
- К3, К5, К12 — вышеуказанные коэффициенты.
Очередной этап тестирования заключается и измерений полной мощности, подведенной к блоку питания, активной мощности, потребленной им и расчете коэффициента действия и коэффициента мощности.
Расстояние по оси ординат (по вертикали) между кривыми «Активная мощность» и «Выходная мощность» характеризует потери на преобразование энергии блоком питания, которые выделяются в виде тепла.
Расстояние по оси ординат (по вертикали) между кривыми «Активная мощность» и «Полная мощность» характеризует потери энергии в электросети общего пользования на «нагрев проводов» и непосредственно на выходные параметры блока питания влияния не имеет. Фактически данное расстояние показывает уровень реактивной энергии. Данный параметр влияет прежде всего на различное питающее энергооборудование, например, трансформаторы и источники бесперебойного питания. Влияет в том смысле, что увеличивает паразитную нагрузку на последние.
В более привычном виде представления — в виде коэффициентов, эти данные мы также приводим для возможности числовой оценки.
КПД — коэффициент полезного действия, он отвечает за эффективность преобразования энергии блоком питания. Измеряется в долях от единицы или в процентах. Значение КПД 0,80 и более считается для компьютерных блоков питания хорошим,а 0,85 и выше — отличным показателем.
КМ — коэффициент мощность, он отвечает за эффективность использования энергоресурсов. Измеряется он также в долях от единицы или в процентах. Значение КМ выше 0,9 можно считать отличным.
Проведение измерений значений пульсаций напряжений на выходе блока питания было признано не целесообразным в существующих условиях, так как в первую очередь данный параметр важен для линий связи и других сигнальных линий, так как от него зависит качество передачи информации, для компьютерного же блока питания, несмотря на то что данный параметр регламентирован и имеет определенные пределы, даже в случае превышения норматива каких-либо последствия обнаружить будет затруднительно, правда только в случае, если не было превышено нормативное значение действующего напряжения, так как большинство микросхем питаются через собственные преобразователи. К тому же детальное исследование пульсаций требует, помимо специального помещения с низким уровнем фоновых наводок, либо автоматического стенда, либо дополнительное и весьма немалое количество времени, так как необходимо измерять пульсации на нескольких частотах. Что итоге приводит к тому, что измерения проводятся, но реального влияния на комплектующие или пользователя исследуемый параметр не оказывает.
Тестирование системы вентиляции
В ходе данного этапа тестирования мы изучим возможности системы охлаждения блока питания посредством его эксплуатации со статичной нагрузкой в течение часа. Для сравнения тестирование проводится на двух различных номиналах мощности.
Одновременно мы измеряем температуру выдуваемой вентилятором воздушной смеси. В данном случае мы приводим не абсолютные, а относительные температуры, то есть фактически — это разница между измеренным значение температуры воздушной смеси и температурой окружающей среды в момент проведения измерений. В основном это сделано для исключения влияния колебаний температуры на результат измерения и повышения удобства сравнения результатов различных блоков питания.
Субъективное тестирование шумовых характеристик блока питания
Данный этап тестирования проводится в комнате, площадью 18 кв. метров, все имеющиеся в ней электроприборы отключаются, время суток выбирается из расчета минимального уличного фонового шума.
В ходе тестирования используется системный блок с комплектующими, имеющими только пассивные системы охлаждения и самостоятельно шум практически не издающие.
Конфигурация тестового стенда:
- Процессор Pentium D 805 2.66 GHz
- Кулер Thermaltake Sonic Tower Rev. 2
- Системная плата Biostar TForce P965
- Видеокарта Gigabyte GV-NX86S256H
- Оперативная память Samsung DDR2 667 MHz, 512 Мб
Полученная система тестируется режиме минимального энергопотребления без загрузки операционной системы, мощность нагрузки при этом составляет 84 ватта.
Длительность этапа составляет 30 минут. В ходе тестирования субъективно оценивается уровень и спектр шума, наличие паразитных призвуков. Оценка за каждый режим выставляется по пятибалльной шкале:
- 0 баллов (очень шумно) — уровень шума крайне высокий, находится рядом с работающей системой даже короткое время некомфортно
- 1 балл (шумно) — уровень шума достаточно высокий, но тем менее находиться рядом с системой можно какое то время, при длительном нахождении рядом с работающей системой возникает чувство дискомфорта
- 2 балла (средне) — уровень шума средний, то есть спать рядом невозможно, но работать, сделав музыку погромче, уже можно
- 3 балла (тихо) — уровень шума низкий, шум есть, но каких-либо отрицательных эмоций он не вызывают, как пример — качественный вентилятор 120 мм на 1200 оборотов в минуту.
- 4 балла (практически бесшумно) — уровень шума неразличим на общем фоне
Рейтинги и коэффициенты
Для удобства сравнения и оценки протестированных моделей БП мы решили ввести систему рейтингов и коэффициентов.
Рейтинг мощности рассчитывается исходя из реальной максимальной мощности шины 12V в ваттах, к которой прибавляется условная мощность шины 3,3&5V в количестве 42 Вт. В итоге после суммирования указанных значений мы получим определенное число, которое можно с некоторыми оговорками считать реальной системной мощностью блока питания, то есть той мощностью, которой можно воспользоваться при эксплуатации реального системного блока, а не только при подключении к тестовому стенду. Для тестируемого блока питания, данное число мы будем называть рейтингом мощности.
Коэффициент маркетинговой корректности (КМК) — показывает отношение рассчитанного нами рейтинга мощности к некой величине, указанной в наименовании (модели) блока питания и подразумевающей максимальную выходную мощность данного блока питания.
Коэффициент экономической целесообразности показывает отношение рассчитанного нами рейтинга мощности к средней розничной цене по городу Москве по данным прайс-ру, то есть проще говоря мы получаем коэффициент показывающий эффективность вложения одного доллара (рубля) в ваттах. Соответственно, чем он выше, тем лучше.
Для удобства сравнения планируется сделать единую таблицу с оценочными данными, полученными при тестировании.
