1 Анализ проблемы и посТановка задач

На практике нередко встречается задача тестирования системы в целом, или ее отдельных компонентов на отказоустойчивость при ее продолжительной работе под нагрузкой. Среди наиболее типичных примеров можно перечислить «профессиональное» тестирование системы на предмет выявления дефектных компонентов системы при производстве персональных компьютеров и серверов, с одной стороны, и «любительское» тестирование устойчивости функционирования исправных компонентов, но работающих во «внештатном», иными словами, «разогнанном» режиме.

При настройке и оптимизации аппаратно-программных средств, часто возникает проблема оценки эффективности тех или иных параметров, их значений, а также выбранных процедур программной и аппаратной настройки компьютера и т. д. Особенно трудно анализировать влияние параметров в их совокупности, так как нередко они являются взаимозависимыми, а иногда действия некоторых из них носят взаимоисключающий характер.

Следует отметить, что конфликты между устройствами далеко не всегда приводят к полному прекращению работы системы. Нередко они проявляются явно только в работе конфликтующих устройств. Однако наличие конфликтов увеличивает время тестирования аппаратных средств во время загрузки системы и может способствовать снижению скорости работы компьютера. Поэтому в целях достижения максимальной производительности компьютера и наиболее полной реализации его функциональных возможностей следует разрешать существующие конфликты между устройствами.

Чаще всего конфликты возникают в связи с тем, что несколько устройств пытаются использовать одни и те же ресурсы системы, к которым относятся, например, диапазон адресов устройств ввода/вывода, каналы прямого доступа к памяти (DMA), запросы на прерывание (IRQ) и т. д. Для разрешения такого рода конфликтов следует попробовать изменить значение параметра, которое вызвало конфликт. Бывает и так, что устройство работает некорректно вследствие его неисправности. Возможно, для данного устройства установлены неподходящие или не все необходимые драйверы. В этом случае после проведения соответствующей диагностики конфликтующего устройства, а также проверки его работоспособности и/или ее восстановления следует поставить необходимые драйверы. Во многих случаях могут помочь документы и программы, представленные на сайте производителя.

Таким образом, задачей дипломного проекта является:

• создать аппаратный стенд и выбрать программное обеспечение для тестирования блока питания компьютера;

• выбрать и внедрить в практику работы компании ООО «Юником» программное обеспечение для тестирования центрального процессора и оперативной памяти компьютерных систем и серверов;

• выбрать соответствующее ПО и провести комплексное тестирование системы в целом в номинальном режиме и режиме повышенных частот (оверклокинг).

2 Программно - Аппаратное тестирование блоков питания стандарта atx

2.1 Введение

Один из непременных компонентов компьютера – блок питания. От качества его изготовления, показателей и особенностей работы зависит стабильность системы и срок службы остальных комплектующих. В силу определенных причин раньше мы не уделяли достаточно внимания тестированию БП. Данный материал даст представление не только об общих характеристиках, но и о реальных возможностях описываемых устройств.

Современные блоки питания, в общем, и для компьютера в частности, представляют собой довольно сложные устройства. Основных только электрических характеристик больше десятка, а есть еще шумовые, тепловые, массогабаритные. Все блоки питания стандарта АТХ являются импульсными преобразователями с различными вариациями схемных решений, но с единым принципом работы. Без специального оборудования, в виде управляемых нагрузок, осциллографа и некоторых других устройств невозможно протестировать соответствие стандарту характеристик, указанных на наклейке и в паспорте блока питания.

Каждый блок питания имеет несколько выходных каналов с различным напряжением и рассчитан на определенную долговременную мощность по каждому из них. Современный стандарт предписывает наличие каналов с напряжением +5В, +12В, +3.3В, -12В и дежурное напряжение +5В. Общая мощность обычно обозначена в ваттах на наклейке (по-английски звучит как Total Power). Эта величина представляет собой сумму всех мощностей по каждому из каналов и легко подсчитывается суммированием произведения токов на соответствующие напряжения.При подсчетах нужно быть внимательным и всегда обращать внимание на допустимую комбинацию нагрузки по каждой линии. Обычно это указано на наклейке, в виде общей ячейки с единой величиной мощности для нескольких каналов.

Также не стоит путать параметры максимальной долговременной мощности и пиковой мощности, допустимой на небольшой период времени. К примеру, блок питания с номинальной мощностью 500Вт может выдать в пике до 530 Вт, но для блока питания постоянно работать с превышением номинальной мощности нежелательно, ведь запас прочности компонентов может оказаться не очень большим. «Допустимый уровень отклонения напряжений» - эта характеристика является одним из основных и определяет допустимое отклонение каждого из напряжений. Удобнее и нагляднее будет представить эти величины как две таблицы, взятые из стандарта EPS 2.91 (таблица 2.1), (таблица 2.2).

Таблица 2.1 – отражает максимально допустимый уровень отклонений

Параметр	МИН	НОМ	МАКС	Допуск
+3.3В	+3.14 В	+3.30 В	+3.47 В	+/- 5%
+5В	+4.75 В	+5.00 В	+5.25 В	+/- 5%
+12 В 1,2,3,4	+11.40 В	+12.00 В	+12.60 В	+/- 5%
-12 В	-10.80 В	-12.00 В	-13.20 В	+/- 5%
+5 VSB	+4.75 В	+5.00 В	+5.25 В	+/- 5%

Таблица 2.2 – отражает максимально допустимый уровень отклонений (для графических станций и серверов)

Параметр	МИН	НОМ		МАКС	Допуск
+3.3 В	+3.20 В	+3.30 В		+3.47 В	+/- 5%
+5В	+4.85 В	+5.00 В		+5.25 В	+/- 5%
+12 В 1,2,3,4	+11.64 В	+12.00 В	+12.60 В		+/- 5%
-12 В	-11.40 В	-12.00 В	-13.08 В		+/- 5%
+5 VSB	+4.85 В	+5.00 В	+5.25 В		+/- 5%

Если отклонение по напряжению будет ниже 5-10% порога, вероятно появление сбоев в работе компьютера, либо спонтанные перезагрузки во время большой нагрузки на процессор или видеокарту. Слишком же высокое напряжение негативно сказывается на тепловом режиме работы преобразователей на материнской плате и платах расширения, а также способно вывести из строя чувствительные схемы винчестеров, либо вызвать их повышенный износ. В более лояльном ATX Power Supply Design Guide дополнительно для каналов с напряжением +12В регламентируется допустимое 10%-ное отклонение при пиковой нагрузке на эти каналы. При этом напряжение канала +12V2 (обычно используемого для питания процессора) не должно снизиться менее +11 В.

«Уровень пульсаций» - Не менее важным является и минимально возможные выбросы (пульсации) напряжения на каждой из линий. Допустимые рамки описаны в стандарте как обязательные и выглядят так (таблица 2.3).

Таблица 2.3 – Пульсации и шум

+3.3 В	+5 В	+12 В	-12 В	+5 VSB
50мВ пк-пк		120мВ пк-пк		50мВ пк-пк

Источниками пульсаций обычно являются схемы преобразователей внутри самого блока питания, а также мощные потребители с импульсным характером потребления, такие как процессоры, видеокарты. Винчестеры и имеющийся в них блок магнитных головок во время частого перемещения также может создавать всплески помех, однако их величина мощности значительно меньше.

«Входное напряжение, эффективность и PFC» - Блок питания обязан работать во всех допустимых режимах при следующих входных напряжениях (таблица 2.4).

Таблица 2.4 – Амплитуда входного напряжения

Параметр	МИН	НОМ	МАКС
110 В	90 Вмс	100-127Вмс	140 Вмс
220 В	180 Вмс	200-240Вмс	264 Вмс
Частота	47 Гц	60 Гц	63 Гц

Наличие напряжений, указанных в таблице ниже, не должно приводить к повреждению схем блока питания. Пропадание сетевого напряжения на любой период времени, в любой момент работы также не должно приводить к неисправности блока. При включении, ток зарядки высоковольтных конденсаторов не должен превышать номинальные значения входных цепей (предохранитель, выпрямительные диоды и схемы ограничения тока).

Существует миф, что более мощный блок питания потребляет больше мощности из розетки, по сравнению с маломощным дешевым собратом. На самом деле, часто в реальности имеет место обратная ситуация. Каждый блок имеет потери энергии при преобразовании сетевого напряжения в низковольтное постоянное, идущее к компонентам компьютера. КПД (эффективность) современного дешевого блока обычно колеблется около величины 65-70%, в то время как более дорогие модели могут обеспечивать эффективность работы до 85%.

Например, подключив оба блока к нагрузке 200 Вт (примерно столько потребляет большинство компьютеров), мы получим потери 70 Вт в первом случае и лишь 30 Вт во втором. 40 ватт экономии при ежедневной работе компьютера по 5 часов в сутки и 30-дневном месяце помогут сэкономить 6 кВт на счете за электроэнергию. Конечно, это мизерная цифра для одного ПК, но если взять уже офис на 100 компьютеров, то цифра может оказаться заметной. Также стоит учесть, что эффективность преобразования различна при разной мощности нагрузки. А поскольку пик КПД приходится на 50-70% диапазон нагрузок, практического смысла в приобретении БП с двукратным и более запасом мощности нет.

Эффективность работы должна превышать 70% для полной нагрузки, и 65% для 20%-нагрузки. При этом рекомендуемая эффективность как минимум 75% или лучше. Существует добровольная система сертификации для производителей, известная как Plus 80. Все источники питания, участвующие в этой программе, имеют эффективность преобразования свыше 80%. На текущий момент список участников-производителей в инициативе Plus 80 включает более 60 наименований.

Также нельзя путать КПД блока питания с такой характеристикой как коэффициент мощности. Существует реактивная мощность и активная, и коэффициент мощности отражает отношение реактивной мощности к общей суммарной мощности потребления. Большинство блоков питания без каких-либо схем коррекции обладают 0.6-0.65 фактором мощности. Поэтому импульсные блоки питания в значительной степени создают реактивную мощность, и их потребление выглядит как мощные импульсы во время пиков синусоиды сетевого напряжения. Это создает помехи в электросети, которые могут повлиять на другие устройства, питаемые от той же электросети.

Для устранения этой особенности применяются схемы с пассивной коррекцией фактора мощности (Passive PFC) и активной (Active PFC).

Активный PFC эффективно справляется с этой задачей, по сути, являясь преобразователем между самим блоком питания и электросетью. Фактор мощности в блоках с использованием APFC легко достигает величины 0.97-0.99, что значит практически полное отсутствие реактивной составляющей в потреблении БП.

Пассивная схема коррекции Power Factor представляет собой массивный дроссель, включенный последовательно сетевым проводам блока питания. Однако он значительно менее эффективен и на практике повышает фактор до 0.7-0.75. С точки зрения компьютера и потребителя разницы между блоком с APFC и блоком вообще без коррекции практически нет, использование первых выгодно компаниям электроснабжения.

Блок питания должен иметь схемы защиты, которые отключат основные выходы при нештатных ситуациях. Защита должна блокировать повторный запуск до повторного появления сигнала включения. Защита от перегрузки по току обязательна для линий +3.3, +5, +12, -12, +5 (дежурное), минимальный порог срабатывания – 110%, максимальный 150%. При перегрузке блок должен выключится и не включаться до появления сигнала включения, или до полного обесточивания сетевого напряжения. Защита от перенапряжения (Over Voltage Protection, OVP) также обязательна и должна отслеживаться внутри самого источника питания. Напряжение никогда не должно превышать указанные в в любой момент времени (таблице 2.5).

Таблица 2.5 – Отражает максимально допустимый уровень отклонений

Параметр	МИН	МАКС
+3.3 В	+3.9 В	+4.5В
+5 В	+5.7В	+6.5В
+12 В 1,2,3,4	+13.3В	+14.5В
-12 В	-13.3В	-14.5В
+5 VSB	+5.7В	+6.5В

Защита от перегрева блоков питания не является обязательной функцией, поэтому весьма важно соблюдать условия эксплуатаций источников питания в тесных корпусах, либо в местах с ухудшенной вентиляцией. Максимальная температура воздуха во время работы не должна превышать +50°С. Некоторые производители рассчитывают и указывают мощность блока питания при пониженной температуре +25, или даже +15°С, и попытка нагрузить указанной мощностью подобное изделие в жаркую погоду может привести к неприятному финалу. Это именно тот случай, когда примечание шестым пунктом снизу имеет значение. Если удается найти допустимый температурный диапазон для конкретной модели блока на тестах, мы указываем это явно в таблице с характеристиками.

Защита от короткого замыкания – является обязательной для всех блоков питания, проверяется кратковременным подключением силовой шины между каналами и землей блока питания.

Почти все блоки питания оснащаются вентилятором для активного охлаждения компонентов внутри корпуса. Кроме этого, вентилятор также выбрасывает подогретый воздух внутри корпуса компьютера наружу в окружающую среду. Большинство современных источников питания имеют вентилятор типоразмера 120 мм, расположенный на нижней стенке. Все чаще встречаются модели с вентилятором 135 или даже 140 мм, благодаря чему можно добиться снижения уровня шума при сохранении эффективности охлаждения. Однако в старших мощных моделях по-прежнему применяется 80 мм вентилятор в задней торцевой стенке, который выбрасывает воздух из БП наружу. Возможны также вариации с использованием разного расположения вентилятора, либо применением нескольких вентиляторов. Почти все блоки оснащены схемой динамического управления оборотами вентиляторов, в зависимости от температуры внутри БП (чаще всего температуры радиатора с диодами стабилизатора).

2.2 Методика и стенд для тестирования

Для полноценного тестирования блока питания недостаточно просто измерить вольтметром напряжение на выходах. Это лишь может показать отсутствие явных и серьезных проблем в работе блока питания, но не более того. Основная проблема обеспечения качественного питания обычно заключается в неспособности блока питания выдавать нужный ток для каждой компоненты компьютера, либо чрезмерном отклонении напряжений от номинала. Всевозможные вариации тестирования «методом вольтметра» могут лишь показать, что компьютер способен работать на конкретно взятой нагрузке, в конкретный момент времени, но абсолютно не показывает, насколько большую мощность в реальности может выдать блок питания, и не показывает, что случится с блоком питания, если нагрузка превысит допустимую мощность.

Для проведения тестирования и выяснения технических характеристик каждый блок питания подключается к специальному стенду, который позволяет одновременно измерять уровни напряжения и тока на всех выходных каналах в автоматическом режиме. Перед тестированием на стенде все блоки питания разбираются, проверяется качество пайки и монтажа, осматриваются компоненты на платах на предмет дефектов.

Данные о мощности блока и каналов с наклейки блока питания заносятся в программу управления стендом, и подключаются все необходимые разъемы, в соответствии с распределением каналов. Проверяется работа схем защиты от короткого замыкания (каждая линия последовательно подключается на земляную шину), а также защита от перегрузки по каналам. Блок измерения входных параметров сети на данный момент находится в разработке, поэтому замеры КПД, коэффициента мощности и работа БП при различном диапазоне входных напряжений временно не проводятся. После проведения базовой проверки функционирования блока питания проводится снятие графиков кросс-нагрузочной характеристики (КНХ). Обычно для стабилизации напряжений +12В и +5В в блоках питания используется групповая схема включения, которая выравнивает среднеарифметическую величину между этими двумя напряжениями. Такое устройство легко видно при обзоре внутреннего строения блока питания, для группового стабилизатора используется один дроссель большего и один меньшего диаметра для канала +3.3В, который стабилизируется отдельно. Эти дроссели обычно расположены возле места подключения проводов выходных каналов блока питания (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Дроссели групповой стабилизации

Недостаток такой схемы включения – напряжения +12В и +5В сильно зависят друг от друга. При сильной нагрузке на +12В напряжение на ненагруженном канале +5В начинает завышаться. Равнозначна и обратная ситуация, действует своеобразный принцип «качелей». В современных же компьютерах вся мощная нагрузка приходится именно на +12В, четырехъядерный CPU и несколько видеокарт могут легко создать нагрузку около 30А, при почти нулевой нагрузке по +5 и +3.3В.

Рисунок 2.2 – Дроссели раздельной стабилизации

Более предпочтителен подход с использованием раздельных дросселей для стабилизации каждого из напряжений независимо (Рисунок 2.2). Однако это требует дополнительного места на печатной плате. Кроме этого, в блоках могут применяться дополнительные цепи для стабилизации напряжений, а эффективность их работы и призвано наглядным образом показать на графике.

Рисунок 2.3 – Тестовый стенд на базе RISC-микроконтроллера

В качестве нагрузки, был разработан и изготовлен стенд на базе RISC-микроконтроллера ATMEL AT91SAM7A3 (Рисунок 2.3). Для нагрузки используется шесть независимых идентичных каналов. Характеристики каждого из них приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Характеристики тестового стенда

Блок установки тока	Диапазон	Единица
Рабочее напряжение	0…15	В
Предельное напряжение	100	В
Ток нагрузки	0…42	А
Максимальная долговременная мощьность	1700	Вт
Дискретносить установки тока	100	мА
Точность установки тока	±0.5	%
Блок измерения
Диапазон измерения напряжения	0…15	В
Точность	±0.5	%
Диапазон измерения тока	0…42	А
Точность	±0.5	%
Максимальная частота считывания	12500	Гц

Физически электроника и платы стенда с помощью стоек смонтированы на алюминиевом радиаторе с размерами 750х122х38 мм. Для охлаждения радиатора используются мощные вентиляторы типоразмера 120х38, а крыльчатка каждого вращается со скоростью свыше 4000 оборотов\минуту.

Возможности стенда довольно широки и включают на данный момент Непрерывное слежение за состоянием сигнала «Power Good»; Измерение токов и напряжений по каждому из основных каналов ; Установка заданной нагрузки по любому из каналов; Калибровка стенда для получения точных измерений.

Сам стенд имеет индикацию состояния всех линий блока питания, а именно: +3.3 В, +5 В, +12 В1, +12 В2, +12 В3, +12 В4, +5standy (дежурное), -12 В, -5 В (для старых БП). Также имеется несколько других контрольных светодиодов.

Для подключения тестируемого блока питания к стенду имеется: один 24-контактный разъем ATX, четыре 8-контактных разъема питания PCI-Express, один 8-контактный разъем для процессорного кабеля, восемь 4-контактных периферийных разъемов (Рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Разъёмы подключения тестового стенда

Для управления работой стенда, его настройки и контроля используется специальное программное обеспечение (Power supply test control for PROTON), работающее под управлением ОС Windows, которое постоянно обменивается данными с микроконтроллером. Связь осуществляется при помощи интерфейса USB (Рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Главное окно программного обеспечения стенда

В ручном режиме каждый канал стенда может независимо настраиваться, а контроль напряжений и токов проводится непрерывно, что позволяет быстро выяснить пороги стабильной работы блока.

Программа позволяет также генерировать импульсы с различной величиной тока, для проверки устойчивости блока к импульсным нагрузкам (например, одновременный старт нескольких винчестеров, либо работа нескольких видеокарт).

В автоматическом режиме программа строит 6 графиков (для каждого канала отдельный график). По оси Х суммарная величина потребляемой стендом мощности по каналу +12В, а по Y – суммарная мощность от каналов +3.3 и +5В. Может быть задан любой предел по мощности нагрузки, в рамках допустимой мощности стенда. Каждая точка графика на пересечении осей обозначает величину напряжения по каналу при суммарной нагрузке на каналы +3.3, +5 и +12В. То есть, на графике напряжения +3.3В все поле графика – это величина напряжения при всех возможных комбинациях нагрузок.

Зная заявленные в стандарте и описанные нами ранее в статье допустимые отклонения по каждому напряжению – мы можем достоверно утверждать, на сколько процентов блок питания снизил, либо превысил напряжение относительно идеальных 3.300В, 5.000В и 12.000В..

Типичный блок питания с мощностью 500Вт в автоматическом режиме тестируется около часа, при этом производится около 10000 измерений, и такое же количество ступеней управления нагрузкой.

Легенда с отклонениями прилагается на каждом графике и позволяет легко определять, где вложился блок питания в требования стандарта, а где нет. Пониженное напряжение отображается оттенками синего, повышенное относительно номинала – красными. Уровни за пределами стандарта (+\-5%) отображены темно-синим и темно-красными цветами.

Чем больше зеленого цвета на графике – тем меньше отклонение напряжений от идеала. Основное потребление современных ПК приходится на +12В канал, поэтому важно минимально возможное отклонение именно в горизонтальной плоскости график. (Рисунок 2.6), (Рисунок 2.7), (Рисунок 2.8), (Рисунок 2.9).

Рисунок 2.6 – Итог по тестированию +3.3В

Замеряются уровни пульсаций на каждом из основных каналов. Для этого используется 4-канальный осциллограф «Tektronix 2246-1Y», с максимальной частотой 100 МГц, чего с большим запасом достаточно для обнаружения и измерения всех возможных пульсаций блока питания.

Рисунок 2.7 – Итог по тестированию +5В

Рисунок 2.8 – Итог по тестированию +12В1

Рисунок 2.9 – Итог по тестированию +12В2

Пульсации замеряются при 100% нагрузке на блок питания, именно в этих условиях их величины максимальны. Чем ниже пульсации – тем меньше наводок и помех создает блок питания в питаемых им устройствах. Это особенно важно для чувствительных звуковых карт, тюнеров и подобных устройств.

2.3 Выводы

На текущий момент использованная методика и стенд позволяют с хорошей точностью определить основные нагрузочные возможности соответствие допускам стандарта по всем основным питающим каналам блока питания, что не мало важно для правильной работы компьютера в целом. Однако всегда есть возможность внести улучшения, поэтому в скором времени планируется реализация блока для автоматического замера эффективности преобразования (КПД) блока питания, замеры фактора мощности, оптические датчики для замеров скорости вращения вентиляторов блока и температурные измерения в условиях, приближенных к реальным средам использования.