Вступление

Удачность тестирования сильно зависит от качества используемого оборудования и вполне очевидно, что необходим достаточный класс точности. Но все эти вложения могут обернуться напрасной тратой средств, если не учесть сопутствующих условий для достижения поставленных целей.

Да и сами цели следует выбирать аккуратно, иначе испытание устройства превратится в «тыканье иголками» с непонятными результатами и дальнейшей перспективой.

Тестовое оборудование, стенд

Для исследования работы блоков питания применяется специализированное оборудование, состоящее из эмулятора сети Agilent 6812B и блока нагрузок Agilent n3300a, что обеспечивает должную точность и корректность измерений характеристик, но кроме перечисленного «фабричного» оборудования возникает необходимость в применении специальной оснастки.

Кроме самого процесса измерений требуется осуществлять переключение режимов работы составных частей комплекса и обеспечивать работу блоков питания как от эмулятора, так и от реальной сети 220 В, что обязывает использовать самодельное оборудование для вспомогательных целей. В качестве нагрузки используется «фирменный» блок нагрузок, а при измерении КПД – «эмулятор сети» без внесения изменений, что позволяет исключить/снизить погрешности, вносимые самодельной оснасткой и сохранить достаточно точный режим измерения мощностных характеристик.

Условно, аппаратуру тестирования можно разделить на следующие составные части:

• Эмулятор сети Agilent 6812B. Он используется для установки напряжения сети как постоянной амплитуды, так и изменяемой во времени. Блок оборудован достаточно точной системой измерений, поэтому дополнительное контрольное оборудование не требуется;
• Блок нагрузок Agilent n3300a формирует необходимую нагрузку на блок питания. В нем использованы модули, обеспечивающие суммарную рассеиваемую мощность 1.6 кВт. Испытание более мощных БП возможно при увеличении количества модулей. Каждый модуль получил развитую систему измерений и дополнительные приборы не применяются;
• Контроллер сети 220 В. Это собственная разработка, его назначение в подключении испытуемого блока питания к реальной сети 220 В и генерации специальных тестовых импульсов высокой энергии;
• Устройство для монтирования и подключения исследуемого блока питания. Оно выполнено на базе обычного корпуса Ascot 6AR2, в который установлена «обычная материнская плата» для подключения кабелей питания БП. Сам блок питания устанавливается в свое нормальное место, вверху корпуса.

Эквивалент сети

Блок нагрузок и эмулятор сети позволяют проводить достаточно точные измерения, но блок питания работает не только в стационарном режиме. Напряжение сети может меняться во времени, испытания требуют проведение специальной проверки БП на устойчивость к пропуску одного периода 50 Гц – все это создает «большие» и «очень большие» броски тока потребления по сети.

Хотя эмулятор сети и позволяет настроить активную (резистивную) и реактивную (индуктивную) составляющую выходного сопротивления, но его возможности весьма скудны. Сравнение формы тока потребления БП при работе от обычной сети 220 В лишь весьма условно можно имитировать на эмуляторе сети. Методом замещения измерено активное сопротивление сети, оно составило величину около 1.6 Ом. Схожая величина внутреннего сопротивления наблюдается и в некоторых других помещениях разных районов г. Москвы.

Если есть желание, подобную оценку можно провести самостоятельно – достаточно измерить напряжение в сети при включенном и отключенном электрическом чайнике. Мощность потребления в подобных электроприборах обычно выдерживается очень точно, но при нормировании к напряжению сети 230 В. Далее следуют простейшие вычисления, приводить которые нет никакой нужды, они очевидны. Простейший пример – при включении электрического чайника яркость свечения ламп накаливания снижается. Если освещенность уменьшилась не столь существенно, то и напряжение в сети понизилось немного, скажем, на 5-15 процентов.

Эти «5-15%» означают изменение напряжения на 10-30 вольта, что при мощности электрического чайника 2.2 кВт (ток 10 А) составит внутреннее сопротивление сети 1-3 Ом. Это лишь умозрительные прикидки, конкретные цифры нетрудно получить с помощью недорогого измерительного прибора. Но не только внутреннее сопротивление сети оказывает влияние на работу блока питания. Любая линия характеризуется импедансом (распределенной индуктивностью и емкостью). Хоть частота сети весьма низка, лишь 50 Гц, но реактивная составляющая проводки оказывает влияние на процессы коммутации и резкие набросы/сбросы тока потребления.

Отмечались случаи нарушения устойчивости работы узлов активной коррекции коэффициента мощности БП при добавлении Line Impedance Stabilization Network (с весьма простым внутренним устройством):

Эта схема замещения используется при проведении измерений уровня помех радиочастотного спектра, наводимым блоком питания в сеть. Узел APFC блока питания оснащен встроенным LC фильтром для снижения уровня помех, наводимых БП в сеть, попутно он выполняет и обратную функцию – ослабляет вредоносное влияние того мусора, что содержится в сети, на работу самого блока питания. Увы, крайне ограниченное пространство БП, как и решающий фактор стоимости, не позволяют использовать фильтр достаточной эффективности и узлы БП (в основном это касается APFC) продолжают «чувствовать» все особенности сетевой проводки. Распределенная индуктивность складывается с дросселем APFC и входным фильтром, распределенная емкость создает превосходный колебательный контур с перечисленными элементами.

Проблема не в том, что «нечто» подключается и влияет на работу БП. Беда в неконтролируемости и весьма непростых характеристиках этого «нечто». Для средств тестирования можно промерить сетевые прокладки в нескольких частях города, что означает различные подстанции и расстояние до них, но тогда встанет другая проблема – что с этим делать? Множество разных цифр означает либо усреднение, либо проверку по всему имеющемуся диапазону значений. Первое «неточно», второе «страшно долго». Проведение тестирование от эмулятора сети будет означать полную профанацию, поэтому как первая мера проведение испытаний будет осуществляться непосредственно от сети 220 В.

К слову, в помещение, где установлен стенд, подается сеть повышенного качества, регистрация класса медицинского учреждения, с достаточно толстой проводкой собственной прокладки. Сеть 220 В в обычном жилом доме вряд ли окажется существенно лучше. Если блок питания будет показывать проблемы в функционировании даже на такой сети, то у конечного пользователя мера дефектности окажется только выше. Лучше уж будут слабые реальные условия, чем красивый сферический конь на эмуляторе сети.

Условие работы БП от реальной сети сразу приносит массу дополнительных трудностей, которое можно решить только собственным устройством контроля и управления. Для испытания требуется подключать и отключать сеть в строго заданные интервалы времени, измерять уровень тока, формировать импульсное напряжение специальной формы для проверки на микросекундные помехи.

Даже такая легкая функция, как защита сети от перегрузки, и та вызвала трудности на ровном месте - во время пробных запусков импульсное потребление 300-ваттного блока питания доходило до 60 ампер, что вызывало переключение блоков бесперебойного питания, подключенных к той же фазе. Что будет на блоках в 1 кВт и выше покрыто мраком и глубоко влезать в эту проблему нет совершенно никакого желания. Во время проведения тестов броски тока могут быть очень большими и это накладывает ограничения снизу на устройство защиты.

С другой стороны, очень большой ток может вызвать отключение общей защиты на этаже, что кончится весьма печально и, увы, может поставить крест на самом тестировании. Для защиты от перегрузки сети можно установить устройство защиты типа АД12. Его нагрузочная характеристика выглядит следующим образом:

 

Испытательный комплекс рассчитан на тестирование блоков питания до 1.6 кВт, с учетом усредненной эффективности в 89% для такого класса источников питания, мощность потребления из сети 220 вольт составит 8.2 ампера для стационарного процесса нагрузки. Устройства защиты выпускают на 6 и 10 ампер, что ограничивает выбор второй цифрой, класс «С». Судя по графику, выключение устройства защиты должно происходить при долговременном токе через него около 14.5 ампер. Измеренная величина тока срабатывания составила 16 А, что довольно близко к заявленным характеристикам.

Само устройство защиты состоит из двух независимых устройств - биметаллической пластинки, нагрев которой вызывает сброс соединения, и соленоида, сдвигающего защелку и также приводящего к отключению. Оба механизма работают одновременно и полностью независимо, различаются лишь быстродействие и уровни тока срабатывания. Биметаллическая пластинка обладает медленной реакцией из-за высокой тепловой инерции ее нагрева.

Такое решение выбрано не случайно - устройство защиты должно защищать от пожара, а кратковременное превышение максимального тока не вызовет мгновенного перегрева проводки. Большие стартовые токи свойственны электромеханическим системам, в которых применяются мощные электромоторы, и излишне частое срабатывание устройств защиты никому не принесет пользы. Поэтому быстродействие первой цепи защиты, через нагрев биметаллической пластинки, специально выполняется с некоторой задержкой - которой должно хватить на разгон мотора, но оно обязано быть меньше времени разогрева типичной кабельной проводки сети.

Вторая цепь защиты выполняется на базе соленоида и обладает высоким быстродействием. Судя по низу графика, ее время срабатывания находится в интервале 10-20 мс. Для того, чтобы вторая цепь не мешала первой цепи, ее мощностные характеристики увеличены примерно в шесть раз. Для примененной модели устройства защиты (на 10 А) ток срабатывания второй цепи должен быть не выше 100 ампер с (не)известной точностью. Придется поверить производителю на слово, что я очень не люблю делать. Увы, процесс измерения данной характеристики был бы весьма занимателен, ведь необходимо сформировать импульсный ток 100-150 ампер длительностью 0.1-1 секунда с сохранением достаточной точности. Причем, если просто подать 100 ампер, то отключение может вызвать первая цепь защиты, что не облегчает задачу. Впрочем, не важно. Если подобное устройство защиты сработает, то это уже «диагноз» - тестовый БП нельзя будет использовать в домашних условиях.

Установка защитного устройства решает проблему с сетью лишь формально - при значительном превышении уровня тока, сюда же следует внести возможные случаи выхода БП из строя, устройство защиты отключит сеть, только вот какое это будет устройство защиты? На стенде использована модель на 10 А, а этажный «пакетник» на значительно больший предел, но чистая арифметика может ничего не значить. Разводка сети использует несколько уровней устройств защиты с последовательным снижением порогового тока по мере отхода от места поступления. У нас было несколько отключений электричества (не по моей вине), и всегда отключалась этажная защита. Срабатывает то, что быстрее, а не там, где написано меньшее число. Никому не нужны проблемы, тестовый стенд придется дополнять устройством быстродействующей электронной защиты.

В спецификации EPS приводится следующая рекомендация:

AC line inrush current shall not exceed 50 A peak for one-quarter of the AC cycle.

Данное ограничение заведомо ниже порога устройства защиты (100 А), и дополнительная электронная защита будет срабатывать гарантированно ранее «пакетников», что избавит от отключения фазы на этаже. Впрочем, цифра «50 А» выглядит очень уж оптимистично, в другой аналогичной документации SSI озвучена цифра «65 А». Главное не превысить «100 А», поэтому электронную защиту следует настроить на что-то меньше того и больше этого, скажем «80 А».

Но здесь есть неприятный момент - вовсе не случайно в EPS указано «for one-quarter of the AC cycle» - при резкой коммутации напряжения происходит перезаряд конденсаторов входного фильтра блока питания, что гарантированно вызовет большой-огромный импульс тока крайне малой продолжительности, менее 100 мкс. Если проигнорировать сей факт, то при переключении в первую же миллисекунду сработает защита и БП окажется отключенным. Это не совсем то, что нам нужно - в электронную защиту требуется ввести некоторую задержку срабатывания,... но не слишком большую, иначе при коротком замыкании погорит все, что только возможно.

Блок управления питанием должен обеспечивать не только аварийную защиту, но и управляемую подачу напряжения сети на исследуемый блок питания. При переключении неизбежно последуют те же проблемы, что были описаны ранее - повышенный ток перезаряда конденсаторов фильтра БП в момент подключения и большой импульс напряжения в момент разъединения цепи, ведь индуктивность проводки и входного фильтра БП никуда не делись.

Для борьбы с этими негативными моментами и снижения стресс процессов переключение выполняется в два этапа - применяется два ключа вместо одного. При этом дополнительный ключ соединяет цепь через ограничительный резистор с номинальным сопротивлением, обеспечивающим последовательное согласование с волновым сопротивлением сетевой проводки. При включении вначале замыкается ключ с ограничительным резистором, далее следует переходной процесс перезаряда емкостей с успокоением колебательного процесса, после чего замыкается основной ключ и падение напряжения на переключателе становится незначительным.

Общие потери на весь процесс коммутации довольно малы, ведь время задержки включения второго ключа менее 100 мкс, а падение на резисторе будет существенным только для блоков питания очень большой мощности. С учетом относительной редкости процессов переключения общие потери на нагрев крайне малы. В дополнительном ключе использован проволочный резистор мощностью 10 Вт и при испытании не удалось зафиксировать его сколь-нибудь существенный нагрев, при этом переключение выполнялось с периодом в пять секунд.

В реальном тестировании переключение сети требуется не чаще одного раза в минуту. Процесс выключения выполняется «зеркально» включению - вначале размыкается основной ключ, затем дополнительный с резистором. В момент размыкания основного ключа происходит сброс тока, что вызывает резкий выброс напряжения как на узле переключения, так и на тестируемом блоке питания, что крайне негативно скажется на работоспособности устройств. Наличие замкнутого дополнительного ключа в этот момент позволяет демпфировать колебательный процесс, что резко снизит амплитуду и продолжительность импульса помехи при отключении БП.

Иначе говоря, при переключении используется «мягкая» коммутация, что сильно снижает уровень помех на входе блока питания, и это весьма положительно сказывается на точности проведения измерений. Тестовое оборудование спроектировано так, чтобы вносить минимальный вред в блок питания, хотя это может оказаться и не совсем правильно. Не секрет, что блоки питания чаще всего выходят из строя именно в тот момент, когда происходит аварийное отключение фазы. В более-менее серьезном офисе срабатывание защиты сети всегда заканчивается стопкой убитых БП. Это настолько буднично, что никого не удивляет. Совпадение со срабатыванием защиты не случайно - автомат защиты выполняет разъединение цепи, причем выполняется это весьма быстро для минимизации процесса «горения» контактов. Для отключения должна быть причина и она, скорее всего, связана с очень большим током.

Итак, разъединение цепи происходит на большом токе, что не может не вызвать всплеск большого напряжения и вся энергия, накопленная в распределенной индуктивности проводки (и элементов коммутации/защиты) выливается во входные цепи подключенных к розетке блоков питания. Кончается сие печально. Тестовый стенд мог бы эмулировать именно такой режим переключения, что даже как-то будет соответствовать реальным условиям работы, вот только ... что делать со сгоревшими БП? Даже если с подобным «уничтожением» будет согласен тот, кто представит блоки на тестирование, но это все равно не даст ответ о надежности (или не надежности) конкретного БП.

Стресс-тестирование на одном экземпляре не производится, а кто позволит себе предоставить десяток одинаковых блоков питания на убой? Из этих соображений в «сетевом» блоке тестового стенда и применяется «мягкая» коммутация. Если и при столь нежном обращении БП умудрится сгореть, значит это уже «диагноз». Что до стресс-тестирования, то это отдельное испытание, которое следует разрабатывать и выполнять отдельно. На данный момент в планах оно не значится.

ГОСТ Р 51317.4.5 описывает условия и методику проведения испытаний на микросекундные импульсы высокой энергии. ГОСТ Р 50628 оговаривает, что тестирование следует проводить лишь для одной степени жесткости, минимальной, с тестовым напряжением лишь 500 вольт. Это удобно, нет необходимости что-то «переключать», что неизменно порождает трудности – данное оборудование относится к классу «измерительное» с высокими требованиями по качеству и надежности функционирования.

Общее построение силовых элементов генератора помех напоминает схему, указанную в ГОСТ Р 51317.4.5:

Номиналы компонентов стенда получены симуляцией в программе моделирования. Накопительный конденсатор заряжается до стабилизированного напряжения 500 вольт попеременно положительной и отрицательной полярности. Из-за четкого указания в ГОСТ'е об обязательной привязке импульса помеху к переходу синусоиды питающей сети через 0, в схему пришлось поставить быстродействующий переключатель на транзисторах. Синхронизация с сетью будет выполняться программно, что позволит сдвигать фазу, если в этом возникнет необходимость. ГОСТ описывает формы сигнала генератора помех:

После выполнения в «железе» генератор импульсов выдает следующую форму напряжения. Передний фронт:

На осциллограмме присутствует некоторая «колебательность» процесса, которая вызвана наличием реактивных элементов в цепи питания БП. Этот дефект можно снизить, только особой нужды в этом не возникает - амплитуда колебаний не слишком велика, а идеальную форму сигнала можно получить только при (почти) нулевом выходном сопротивлении генератора, что выполнить очень сложно, практически нереально. Фабричный испытательный генератор наверняка бы обеспечил лучшую форму напряжения, вот только, сколько он стоит? И не зря он столько стоит. Впрочем, и такая реализация вполне устраивает. Посмотрим на весь импульс целиком:

Время в 50 мкс выдержано (линия центральной разметки), а что еще надо от генератора? Остается синхронизовать с переходом синуса сети через 0 и подать на блок питания. Генератор должен формировать два типа помех - дифференциальную, наводимую между двумя проводниками питания, и синфазную, относительно заземления. Дифференциальная помеха:

В ГОСТ допускается небольшой обратный импульс в конце сигнала, но этого удалось избежать. При тестировании на синфазную помеху в ГОСТ оговаривается способ с подачей импульса между цепью заземления и попеременно двумя питающими выводами. Этот прием прост в исполнении, если операции выполняются с дискретными измерительными приборами, но ему присущ один серьезный недостаток - импульс помехи создается относительно провода заземления, который является общим для выходных напряжений и средств измерения. Если формировать помеху по указанию ГОСТ'а, то это вызовет затекание сильного сигнала помехи в измерительные участки с «соответствующим» результатом. Потом придется долго отделять наведенную помеху от отклика блока питания, причем вычистить мусор не удастся в принципе. Помехе достаточно лишь возникнуть, а уж распространиться ей по всем цепям трудностей не составит.

Для устранения самой проблемы в корне применяется другой способ формирования синфазной помехи. В обычных блоках питания применяется синфазный фильтр и в генераторе импульсов можно применить схожий прием, с помощью трансформатора. С точки зрения распространения помех, цепи питания «N» и «L» ни чем не отличаются от заземления. Поэтому синфазную помеху можно выдать не параллельно питанию, а последовательно с ним (с точки зрения прохождения сигнала до «земли»). Как положительный момент - синфазная помеха будет выдаваться полностью симметрично, без дифференциальной составляющей.

Для выполнения данного условия вполне подойдет генератор помех, который был спроектирован для дифференциальной помехи, но его энергию следует направить в обычный синфазный дроссель (трансформатор). В схеме был использован синфазный дроссель из достаточно мощного и качественного блока питания. Из-за «явной очевидности» предварительное измерение характеристик дросселя не проводилось и это оказалось фатальной ошибкой. На выходе была получена следующая картинка:

Время переднего фронта соответствует параметрам генератора, но почему импульс такой короткий? Снизим напряжение в два раза:

 

Понизили напряжение – импульс стал длиннее. Все ясно, синфазный дроссель насыщается. Понятно, что его надо переделывать, только прошу вспомнить, что использовался заведомо качественный дроссель, выполненный с должным запасом. Если этот импульс подать на обычный компьютерный БП, то насыщение произойдет значительно быстрее. Тогда какой смысл в переделке, если вся энергия генератора помех и так вольется в «пробитый» синфазный фильтр испытуемого блока питания? Впрочем, по возможности дроссель будет перевыпущен.