Napajanja Plugged-in (1)

Koje uslove napajanje mora da ispuni da bi se smatralo dobrim? Šta se zapravo dešava kada napajanje ne može da ostvari dovoljnu snagu? Koliko su oznake na napajanjima verodostojne i da li poznato ime i veća cena predstavljaju garanciju kvaliteta?

(Autor karikature: Peđa Milićević)

Kada su u pitanju prikazi hardverskih komponenti, gotovo svi autori se oslanjaju na postojanje pojedinih softverskih paketa i benchmark programe čemu ponekad, u zavisnosti od tipa uređaja, dodaju rezultate testova dobijenih jednostavnom opremom kao što su štoperice ili termometri. Međutim, ovakav način ispitivanja hardvera ne može se primeniti na svim uređajima koji čine jedan računar, a naročito ne na jednu od najbitnijih komponenti – napajanje. Upravo zbog toga se u svetu izuzetno malo časopisa i Web izdanja bavi upoređivanjem kvaliteta računarskih napajanja. U Svetu kompjutera smo ovom prilikom odlučili da se pridružimo toj malobrojnoj sviti.

Problematika

Osnovni problemi kada je testiranje kvaliteta napajanja u pitanju su: kako izvesti samo merenje napona i struja, kako dobiti smislene rezultate i koje kriterijume koristiti za procenu kvaliteta uređaja.

„Baterija” Vishey otpornika

Merenje parametara rada napanjanja je nepraktično vršiti kada je napajanje vezano za matičnu ploču i druge uređaje, pre svega zato što bi za to bila neophodna izuzetno skupa oprema. Takođe, ovakav način merenja ne bi obezbedio mogućnost menjanja opterećenja napajanja kako bi se utvrdilo kako ono reaguje kada se optereti velikim potrošačima, a naravno, svaki put bi se rizikovalo spaljivanje komponenti vezanih za napajanje.

Zbog toga se u većini testova napajanja koristi termogeno opterećenje, odnosno otpornici. Iako je priroda ovakvog opterećenja drugačija od računarskih komponenti koje uglavnom rade u impulsnom režimu, kada se uzme u obzir da svaka komponenta zasebno stabilizuje i filtrira napone koje koristi, može se smatrati da termogeno opterećenje dovoljno dobro simulira potrošnju računara. Za ovaj problem direktno je vezano i pitanje izbora otpornika kojima će se opterećivati napajanje. Naime, računari za svoj rad koriste napone od 3,3 V, 5 V i 12 V i napajanja na svojim izlazima daju upravo ove napone. Pošto napajanja na ovim izlazima treba da budu u mogućnosti da daju i velike struje (veće od 15 ampera) kako bi razvila veliku snagu, otpornost kojom je napajanje opterećeno mora da bude mala, između 0,1 i 1 W (om), a sami otpornici od kojih je sačinjena moraju da budu snažni. Ovo uslovljava i način promene opterećenja koji se najčešće izvodi jednostavnom promenom kombinacije otpornika – promenljivi otpornici koji ispunjavaju postavljene uslove za opseg vrednosti i snagu prilično su retke i skupe zverke.

Strujna klešta Fluke 336

Drugi problem jeste sámo merenje vrednosti napona i struje. Merenje struje je u principu jednostavno, jedina začkoljica je to što se zbog jednostavnosti izvedbe i velikog intenziteta koriste tzv. strujna klešta koja zapravo mere elektromagnetno polje koje struja izaziva u provodniku i na osnovu njega računaju intenzitet struje. Naponi su, međutim, druga priča. Iako su mereni naponi jednosmerni, nisu konstantni i nemaju idealan oblik (imaju zaostalu naizmeničnu komponentu i komponentu šuma). Zbog toga se za merenje vrednosti u principu ne mogu koristiti jeftini kineski voltmetri sa „buvljaka”. Upotrebom neodgovarajućih instrumenata mogu se dobiti veoma čudne vrednosti napona koje se „divlje” menjaju i daju lažnu sliku.

Međutim, jednosmerna vrednost nije jedini interesantan podatak o naponu, poželjno je izmeriti i vrednost zaostale naizmenične komponente (Ripple), kao i nivo šuma, a korisno je i dobiti sliku promene napona u vremenu kako bi se utvrdilo kako napajanje izlazi na kraj s promenom opterećenja. Za ovo se pored laboratorijskih voltmetara koristi i osciloskop.

Dvokanalni digitalni osciloskop Tektronix TDS-2012

Poslednji, ujedno i najteži problem tiče se zaključivanja. Naime, dok je izuzetno lako izračunati snagu koju napajanje razvija pod zadatim opterećenjem, postoje i faktori koji indirektno ukazuju na kvalitet napajanja, a pri tom ne igraju značajnu ulogu u radu računara, kao i faktori koje je ili neizvodljivo ili nepraktično meriti. Među ovim faktorima su veličine zaostale naizmenične komponente napona i šuma, koji ne moraju značajno da utiču na rad računara, kao i sposobnost napajanja da izađe na kraj sa kratkim prekidima mrežnog napona i naponskim udarima.

Usled svega navedenog, kao i činjenice da je ovo prvi put da bilo koji časopis u našoj zemlji sprovodi ovakvo testiranje, nismo mogli jednoznačno da odredimo skup kriterijuma na osnovu kojih se može izvesti konačna ocena kvaliteta napajanja, tako da rezultate testova i zaključke do kojih smo došli treba posmatrati pre svega kao utiske, a ne kao tvrđenja. Očekujemo da ćemo ovakve testove s vremena na vreme ponavljati, pa će se i metodologija rada usavršavati.

Kako smo radili

Digitalni laboratorijski multimetar Instek GDM-8246

Kao što smo ranije u tekstu objasnili, za testiranje napajanja je potrebno koristiti opremu koja po svojoj nameni nema ništa vezano za izdavačku delatnost. Zbog toga smo se za pomoć obratili firmi EnelPS (www.enelps.co.yu), specijalizovanoj za projektovanje, izradu i servisiranje uređaja za napajanje.

Uz pomoć Enelovih stručnjaka dipl. ing. Saše Mihailovića i Vladimira Nedeljkovića, u razvojnoj laboratoriji smo sastavili aparaturu za merenje. Napravljene su tri „baterije” žičanih otpornika firme Vishey otpornosti 0,47 W i 0,1 W i snage 50 W montiranih na hladnjake. Nekoliko 20-pinskih konektora za napajanje teškom mukom odlemljenih sa pregorelih redakcijskih matičnih ploča i par ženskih Molex konektora za napajanje IDE uređaja povezali smo debelim bakarnim žicama za otporničke baterije i na taj način smo obezbedili jednostavno povezivanje napajanja sa aparaturom. Za potrebe uključivanja i isključivanja delova opterećenja zgodno je poslužio jedan automatski osigurač.

Uključenje opterećenja na +12 V, 5 V/pod, 5 µs/pod.

Da bismo pojednostavili merenje i izbegli uključivanje zaštite od preopterećenja, odlučili smo da sve izlaze napajanja koji daju isti napon spojimo. (Gotovo sva današnja napajanja imaju nekoliko grana koje daju napon +12 V i u deklaraciji se navode odvojeno.) Ovo se radi da bi se izbegla velika struja kroz pojedinačne konektore za napajanje uređaja i prekostrujna zaštita pojedinih grana. Sve grane ionako su povezane na isti izlaz unutar napajanja pa tako ukupna snaga koju napajanje daje na izlazima od +12 V predstavlja zbir snaga pojedinačnih grana.

Sva napajanja koja smo ispitivali testirali smo dva puta. Prvi put je opterećenje odgovaralo prosečnoj konfiguraciji, da bismo videli kako bi se napajanja ponašala u najverovatnojoj varijanti primene. Drugo opterećenje je trebalo da odgovara maksimalnoj deklarisanoj snazi napajanja. Međutim, to se pokazalo kao poseban problem. Da bismo ispitali najveću snagu koju napajanje može da razvije, morali smo da izračunamo otpornost kojom ćemo napajanje opteretiti. Iako je jednačina po kojoj se to radi izuzetno jednostavna, realnost je da sa povećanjem opterećenja dolazi do pada napona, a samim tim i smanjenja struje. S druge strane, podaci koje proizvođači daju u deklaraciji ne odgovaraju baš uvek istini.

Ripple na +3,3 V, 0,01 V/pod., 5 ms/pod.

Pošto nam je cilj bio da utvrdimo da li napajanja mogu da razviju deklarisanu snagu, opterećenja smo morali postepeno da povećavamo kako bismo se približili deklarisanoj jačini struje koliko god je to moguće. Kako bismo izbegli eventualno pregorevanje napajanja, ispitivanja smo prekidali kada bismo primetili veće padove napona ili druge anomalije.

Šta smo merili

Nakon sastavljanja aparature i povezivanja prvog napajanja, morali smo da odlučimo koje karakteristike napajanja ćemo meriti. Pored merenja napona i struja koje napajanje daje kada je opterećeno, što daje naveći deo slike o osobinama i kvalitetu napajanja, odlučili smo se da ispitujemo i kako se napajanja ponašaju prilikom uključivanja opterećenja na +12 V, visinu zaostale naizmenične komponente kao i grafički prikaz pojedinih napona.

Ripple na +5 V, 0,01 V/pod., 5 ms/pod.

Merenje napona i struje je jednostavan proces za koji smo koristili dva uređaja. Za napon je korišćen digitalni laboratorijski multimetar GDM-8246 firme Instec koji ima mogućnost istovremenog merenja kako jednosmernog napona, tako i visine naizmenične komponente zaostale posle filtriranja. Struju smo merili Flukeovim strujnim kleštima (model 336).

Za snimanje napona u vremenu koristili smo dvokanalni Tektronixov digitalni osciloskop TDS-2010. Ovo je ujedno i najzanimljivije parče opreme sa kojim smo radili jer pored mogućnosti „zamrzavanja” slike napona, što je izuzetno korisno kod praćenja rada napajanja prilikom uključivanja opterećenja, nudi i mogućnost povezivanja s računarom. To nam je dalo mogućnost skidanja slike napona, ali i preuzimanje numeričkih vrednosti digitalizovanog signala u obliku CSV fajla, što se pokazalo korisnim za izradu grafika.

Primer

Ripple na +12 V, 0,01 V/pod., 5 ms/pod.

Naravno, najbolji način da se opiše postupak rada je kroz primer. Evo kako je teklo ispitivanje jednog od napajanja (detaljne podatke za sva napajanja s testa daćemo u sledećem nastavku).

Uzeli smo najslabije napajanje koje smo imali na testu – Chieftec GPS-350EB deklarisano na 350 W, i povezali ga na aparaturu. Izlaze napona +5 V i +3,3 V smo uzeli sa konektora za napajanje ploče, a za +12 V smo morali malo da se pomučimo. Naime, pošto je ovaj izlaz najviše opterećen, paralelno smo povezali sve izlaze ovog napona sa konektora za ploču zajedno sa izvodima +12 V na dva Molex konektora za IDE uređaje. (Na napajanjima na kojima je to bilo moguće, napon +12 V smo umesto sa Molexa uzimali sa 6-pinskog konektora za PCI-E kartice, zbeg jednostavnijeg povezivanja.)

Otpornike smo prvo povezali tako da formiraju opterećenje ekvivalentno standardnoj mašini. Jedan automatski osigurač upotrebili smo kao prekidač kojim smo po potrebi mogli da uključimo ili isključimo opterećenje na +12 V, što će se kasnije pokazati značajnim. Da bismo „prevarili” napajanje da se uključi iako nije povezano na ploču, na konektoru za napajanje ploče spojili smo pin PS_ON sa masom. I... test je mogao da počne.

Povezali smo sonde osciloskopa na napone od +5 V i +12 V i uz dozu zebnje, uključili glavni prekidač. Proradilo je! Pošto je opterećenje na +12 V najveće i pošto nismo bili sigurni u ispravnost aparature, predostrožnosti radi, uključili smo napajanje samo sa opterećenjima na naponima +3,3 V i +5 V. U slučaju da se potkrala neka greška u povezivanju, računali smo da tako neće doći do oštećenja. Ipal, sve je bilo u redu.

Prvo što nas je interesovalo jeste kako će se napajanje ponašati pri uključivanju opterećenja na napon od +12 V u toku rada. Na ovaj način se proverava da li napajanje dobro reguliše napone u slučaju uključivanja nekog većeg potrošača (npr. uključivanje hard diskova iz stand-by režima ili naglo povećanje iskorišćenosti procesora). Tu prelaznu pojavu smo i snimili osciloskopom. Vidi se kako u trenutku uključenja potrošača postoji nagli pad napona +12 V, nakon čega reaguje regulaciono kolo i napon brzo vraća u normalu, ali sa vrednošću nešto nižom nego pre. Istovremeno je sniman i napon +5 V. I na ovom izlazu pojavio se neki pad napona, ali veoma mali.

Nakon toga smo digitalnim multimetrom izmerili napone pri standardnom opterećenju. Instrument je istovremeno pokazivao i efektivnu vrednost naizmenične komponente napona zaostale posle filtriranja (ripple). Uočava se da je veličina ripla hiljadu puta manja od jednosmernog napona kod svih ispitanih napajanja, što ukazuje generalno dobru sposobnost filtriranja (barem kada su napajanja nova).

Na osciloskopskom snimku primećuje se još jedna komponenta u vidu nepravilnih šara visoke frekvencije (tipično oko 70 kHz). To je tzv. visokofrekventni šum koji nastaje kao posledica rada prekidačkog kola u primarnom kolu napajanja, a prenosi se putem preslušavanja između vodova na štampanoj ploči. Što je napajanje kvalitetnije, više pažnje je posvećeno rasporedu vodova na štampanoj ploči, pa je i šum manje izražen. Ovaj šum u principu ne smeta računaru zato što postoji još nekoliko filtera na ploči i komponentama koji ga otklanjaju. Međutim, kada svi delovi računara ostare, filtriranje može postati nedovoljno i tada šum može da pravi probleme (loš rad, zaglavljivanje ili resetovanje).

Drugi deo ispitivanja je podrazumevao opterećivanje napajanja maksimalnim deklarisanim opterećenjem. Pošto na nalepnici nije precizirano da li se maksimalne struje odnose na stalno ili kratkotrajno opterećenje, morali smo postepeno da povećavamo opterećenje uz rizik da, ako preteramo, napajanje prestane da radi (možda i zauvek). Kod ovog napajanja postigli smo maksimalno 20,7 A, 18,0 A i 22,9 A redom na izlazima +3,3 V, +5 V i +12 V. Na izlazu +12 V napon je opao na prihvatljivih 11,400 V (pad od 5 %). Međutim, naponi +3,3 V i +5 V su opali na vrednosti 2,979 V i 4,555 V, odnosno za 9,7% i 8,9%. Ti padovi napona su van tolerancije od 5%, što znači da smo sa opterećenjem malo preterali. Na osnovu rezultata, može se grubo oceniti koliko bi maksimalno opterećenje zaista bilo i na osnovu svega toga proceniti maksimalna snaga koju ovo napajanje može da dâ u stalnom radu. Kada se sve uzme u obzir, može se reći da je deklarisana snaga ovog napajanja realno data.

• • •

Ovim završavamo prvi deo tekstova o ispitivanju napajanja. Namera nam je bila da u ovom broju opišemo postupak ispitivanja, kako bi se rezultati kasnijih testova lakše tumačili. To, nažalost nije ostavilo mnogo prostora za opisivanje ostalih napajanja koja su nam pala šaka, pa ćemo u najboljem stilu modernih medija jednostavno reći:

Nastaviće se...

Vojislav MIHAILOVIĆ, Bojan ŽIVKOVIĆ