Como evitar problemas com a fonte de alimentação

Quando se pensa em comprar uma fonte de alimentação, muitas vezes isso é feito com pouca pesquisa e usando apenas as informações mais básicas disponíveis. Os consumidores podem procurar apenas as seguintes características:

• A presença de um selo 80 PLUS, que é apenas um dos aspetos de uma fonte de alimentação, e essa classificação pode ser falsificada.
• A potência total impressa na caixa, que pode representar a potência real, mas também pode ser um número fictício.
• Se a fonte de alimentação inclui cabos que o cliente acredita que irá precisar para a sua montagem, sem considerar a modularidade, a qualidade dos fios e outros aspetos relacionados com a qualidade dos cabos.

Para tomar uma decisão informada, é útil compreender um pouco mais sobre como uma fonte de alimentação é construída. Este documento descreve alguns dos parâmetros que podem influenciar a qualidade e o custo de uma fonte de alimentação. Em vez de aprofundar arquiteturas de design complexas e suas vantagens e desvantagens, este guia oferece uma explicação direta dos termos comuns que encontrará em análises e testes, esclarecendo como esses elementos influenciam o desempenho real, o nível geral de qualidade e a fiabilidade de uma fonte de alimentação.

A sua casa fornece energia de corrente alternada (CA) a partir da tomada, mas os componentes do seu computador requerem corrente contínua (CC). Esse é o objetivo da fonte de alimentação do seu computador: converter CA em CC. Ao converter CA em CC, a CA torna-se parte da saída CC. Numa fonte de alimentação comutada (em oposição a uma fonte de alimentação linear), o processo de conversão de CA em CC, de volta para CA e, finalmente, de volta para CC novamente, pode gerar ruído de alta frequência e harmónicos conhecidos como ondulação.

Uma ondulação elevada pode causar o sobreaquecimento dos condensadores nos seus dispositivos (placa-mãe, GPU, etc.), levando à evaporação do eletrólito dentro dos condensadores utilizados nesses dispositivos, o que tem o potencial de causar falhas catastróficas.

Os condensadores menores no lado da saída de uma fonte de alimentação ajudam a filtrar o máximo possível de ondulação. No entanto, aumentar a sua capacitância para filtrar mais ondulação também aumenta a corrente de irrupção, porque todos esses condensadores precisam de estar totalmente carregados para atingir a tensão de saída desejada. A regulação da tensão de saída pode ser afetada quando variações de energia, também conhecidas como transientes, drenam parcialmente os condensadores, exigindo que eles sejam recarregados para manter a tensão de saída adequada. Isso também sobrecarrega os componentes de comutação. Portanto, é melhor ter o equilíbrio certo entre capacitância e uma quantidade aceitável de filtragem para ondulação.

A resposta transitória refere-se ao comportamento da tensão de saída quando a fonte de alimentação faz a transição de uma carga para outra. É assim que descrevemos como uma fonte de alimentação responde a mudanças repentinas de carga antes de estabilizar num estado constante. Por exemplo, uma mudança repentina na carga de baixa para alta pode causar uma queda na tensão de saída. Esse pode ser um comportamento normal, mas a questão que colocamos é: por quanto tempo a fonte de alimentação permanece nesse estado antes que a tensão de saída recupere a tensão nominal?

Uma resposta transitória deficiente numa fonte de alimentação pode causar uma variedade de problemas, incluindo flutuações de tensão, instabilidade do sistema e possíveis danos a componentes sensíveis. Especificamente, uma resposta transitória lenta ou mal regulada pode levar a quedas de tensão (undershoots) ou picos (overshoots) que excedem os limites operacionais de um dispositivo, causando mau funcionamento, reinicialização ou falha.

Quando uma fonte de alimentação não consegue manter uma tensão de saída estável quando as cargas aumentam, isso é considerado uma regulação de tensão deficiente. A regulação de tensão deficiente pode levar a uma variedade de problemas, incluindo danos ao equipamento eletrónico, operação ineficiente e instabilidade do sistema. Pode causar mau funcionamento do equipamento, reduzir a sua vida útil e potencialmente levar à corrupção ou perda de dados.

Práticas inadequadas de montagem e falta de controlo de qualidade podem resultar em falhas prematuras. A fabricação de fontes de alimentação continua sendo em grande parte manual, com a automação reservada para fabricantes premium. Antes de chegar à máquina de solda em massa, os componentes devem ser colocados manualmente na placa de circuito impresso. Embora essas máquinas sejam excelentes para soldagem consistente de alto volume, a qualidade da produção depende inteiramente da preparação adequada da entrada.

Quando surgem desalinhamentos ou erros de inserção após a soldagem, os técnicos devem realizar "retoques", um processo em que os operadores inspecionam visualmente cada placa e corrigem manualmente os defeitos usando ferros de solda manuais. Esse trabalho delicado acarreta inúmeros problemas potenciais: o aquecimento inadequado cria conexões frágeis ou danifica componentes, enquanto o erro humano leva à soldagem excessiva, criando curtos-circuitos, ou à soldagem insuficiente, causando ligações fracas. Particularmente insidiosas são as juntas de solda mal feitas que inicialmente passam nos testes de queima, mas falham dias depois durante o transporte, quando os componentes se soltam de suas fixações devido à soldagem inadequada.

A maioria das fontes de alimentação na UE e na América do Norte possui correção do fator de potência, e uma correção elevada do fator de potência é necessária para atingir um nível de eficiência de certificação 80 PLUS ou Cybenetics. No entanto, algumas partes do mundo não exigem correção do fator de potência. Além disso, algumas marcas muitas vezes «falsificam» os seus selos de eficiência (isso ocorre quando se vê um selo que se parece com o 80 PLUS, mas diz «85 PLUS» ou «90 PLUS», ou o selo se parece com um selo 80 PLUS, mas não há nenhum relatório 80 PLUS correspondente).

O fator de potência é uma métrica crucial em sistemas elétricos, servindo como um indicador da eficiência com que a energia elétrica está a ser transformada em trabalho produtivo. Ao contrário do cálculo simples da percentagem de eficiência da saída dividida pela entrada, o fator de potência revela especificamente a eficácia com que a corrente retirada da fonte está a ser utilizada para realizar trabalho genuíno.

Para calcularmos o fator de potência, precisamos compreender três termos utilizados no cálculo: potência aparente, potência real e potência reativa.

A potência aparente representa a potência total fornecida ao circuito e é medida em Volt Amps (VA).

A potência real é medida em Watts (W) e representa a potência CA real que realiza um trabalho tangível, como alimentar um motor ou acender uma lâmpada. No contexto deste artigo, refere-se à potência que é, em última análise, convertida em CC.

A potência reativa é a energia indescritível que flutua entre a fonte e os componentes reativos, como os indutores e condensadores na fonte de alimentação, sem realizar qualquer trabalho útil. A potência reativa é medida em Volt Amps Reativos (VAR).

Ao pegar a potência real e dividi-la pela potência aparente, obtém-se o fator de potência.

A potência reativa é considerada problemática porque aumenta a corrente total que flui através da fonte de alimentação. Embora não forneça energia útil ao computador que a fonte de alimentação está a alimentar, ela ainda aumenta a corrente que as linhas de energia, transformadores e geradores precisam de gerenciar. Essa corrente adicional resulta em mais perdas resistivas na rede elétrica, gerando calor e desperdiçando energia.

De acordo com a lei de Watt, uma tensão mais baixa requer uma corrente mais alta para a mesma potência, portanto, regiões com 100–127 V, como América do Norte, Japão, Taiwan e outras áreas, precisam de retificadores mais volumosos e resistentes ao calor, o que aumenta os custos. Se estiver a projetar para países onde as tensões residenciais são de 220 V ou mais, não há necessidade de um retificador que possa lidar com tanta corrente. No entanto, quedas de energia podem reduzir a tensão significativamente abaixo do que é considerado normal. Portanto, é crucial ter proteções adequadas para evitar que a fonte de alimentação falhe catastróficamente se a corrente de entrada ultrapassar a capacidade do retificador de ponte.

As tensões residenciais variam muito: o Japão usa 100 V; Taiwan, Cuba e muitas tomadas nos EUA medem cerca de 115 V (nominalmente 120 V); partes da América do Sul e do Caribe usam 127 V.

Por exemplo: nos EUA, as tomadas NEMA 5-15 são limitadas a 15 A contínuos (120 V × 15 A = 1800 W CA, ou ~1620 W CC com 90% de eficiência). As cargas reais e a regra de 80% em disjuntores de 20 A normalmente limitam a potência utilizável da fonte de alimentação a cerca de 1,6 kW. Embora existam circuitos NEMA 5-20 de 20 A, eles são incomuns em residências.

Em redes elétricas de 220–240 V, um circuito de 10 A fornece 2200 W CA (quase 2000 W CC com 90% de eficiência). As tomadas do Reino Unido suportam até 13 A e as tomadas Schuko até 16 A, portanto, fontes de alimentação com maior potência são mais práticas nesse país.

O tempo de espera é uma especificação que indica por quanto tempo a fonte de alimentação pode continuar a fornecer energia de saída CC estável e regulada após uma interrupção na energia de entrada CA, o que pode ocorrer quando há uma queda de energia.

As especificações de tempo de retenção variam entre as unidades de alimentação. De acordo com o padrão ATX12V original, as PSUs precisavam manter a alimentação por 17 ms a 100% da carga, com durações mais longas possíveis em cargas mais baixas. O padrão ATX 3.1 mais recente reduziu esse requisito para 12 ms em carga total.

Independentemente da especificação que uma fonte de alimentação segue, ela deve manter níveis de tensão adequados durante esse período de espera (mantendo as saídas de +12 V acima de +11,4 V, por exemplo) para proteger os componentes conectados de possíveis danos.

Os ventiladores utilizados em fontes de alimentação precisam ter uma especificação de pressão estática mais elevada (medida em mmH2O, ou «milímetros de coluna de água»), muito semelhante a um ventilador de radiador com pás densas e compactas, em comparação com um ventilador de caixa típico, com um design mais amplo e abrangente, que se concentra no CFM (ar medido em pés cúbicos por minuto).

O layout da placa de circuito impresso da fonte de alimentação foi projetado para aproveitar os padrões de fluxo de ar turbulento e em redemoinho dentro do compartimento apertado da fonte de alimentação. Uma ventoinha com alta pressão estática, normalmente equipada com um defletor de plástico para direcionar parte do ar que passa rapidamente para onde é necessário, forçará as correntes de refrigeração para componentes específicos que geram calor e tendem a ficar perigosamente mais quentes do que as peças vizinhas.

Não é segredo que, devido à conveniência da cadeia de abastecimento, a maioria dos componentes de fontes de alimentação são fabricados na China. Não apenas os produtos acabados, mas os componentes reais usados para fabricar esses produtos. Capacitores japoneses? Fabricados na China. MOSFETs alemães? Fabricados na China. ICs coreanos? Fabricados na China. E tudo isso é bom, pois essas peças seguem rigorosas medidas de controlo de qualidade. Mas, ultimamente, temos visto várias marcas sediadas na China a produzir produtos com fichas técnicas que correspondem às suas contrapartes de marcas internacionais, mas nos nossos testes, frequentemente descobrimos que as especificações dessas marcas chinesas não correspondem às suas fichas técnicas.

Isso é particularmente problemático com os transístores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFETs). Descobrimos que, às vezes, eles ficam mais quentes, apesar de terem o mesmo RDS (on) (mais sobre isso abaixo) que os seus equivalentes mais caros. Isso desafia a nossa capacidade de arrefecer adequadamente o dispositivo, mantendo um produto com baixo ruído. Uma temperatura de operação mais alta também aumenta o risco de fuga térmica.

O descontrolo térmico é um ciclo de aquecimento que se autoalimenta. À medida que um MOSFET conduz corrente, ele dissipa calor proveniente das perdas de condução e comutação. À medida que a temperatura da junção aumenta, parâmetros importantes (como RDS (on), tensão de limiar, corrente de fuga) mudam. Essas mudanças aumentam ainda mais a perda de potência, causando mais aquecimento. Inevitavelmente, o MOSFET pode exceder a sua Área de Operação Segura (SOA), levando à destruição.

RDS (ligado) é a resistência dreno-fonte de um MOSFET quando está totalmente ligado (saturado). Determina o quanto o MOSFET resiste ao fluxo de corrente durante a condução. Quanto maior o RDS (ligado) REAL, mais quente fica o transístor.

O condensador cerâmico multicamadas (MLCC) é um condensador de tecnologia de montagem em superfície (SMT) amplamente utilizado em dispositivos eletrónicos. Estes componentes passivos armazenam energia elétrica e são utilizados principalmente para tarefas de desacoplamento, filtragem, derivação e temporização em circuitos.

Quando um MLCC é posicionado a menos de 2 mm da borda de uma placa de circuito impresso (PCB) ou a menos de 3 mm de um orifício de parafuso da PCB, deve-se utilizar um MLCC de terminação suave. Não fazer isso pode resultar na quebra ou no desprendimento desses pequenos componentes da PCB, levando a conexões intermitentes.

Para unidades de alimentação com placas de circuito impresso modulares que utilizam MLCCs, recomenda-se utilizar exclusivamente MLCCs de terminação suave. Esta precaução é necessária porque a inserção e remoção de cabos modulares podem causar a flexão da placa de circuito impresso, danificando potencialmente o MLCC ou a sua ligação à placa.

Um aspeto frequentemente ignorado das fontes de alimentação são os cabos incluídos, os materiais utilizados na sua construção e a qualidade dessa construção. Os três pontos seguintes são as maiores armadilhas que observámos quando são fornecidos «cabos mais baratos».

O fio de alumínio revestido de cobre (CCA) é um fio de alumínio com um revestimento de cobre, enquanto o fio de cobre puro é feito inteiramente de cobre. O cobre puro é superior em termos de condutividade elétrica, flexibilidade e resistência ao calor e à corrosão. O CCA é mais barato, mas não é recomendado para muitas aplicações, especialmente onde a segurança elétrica e o desempenho são críticos, devido à sua maior resistência (55 a 60% maior para o fio de alumínio em comparação com o fio de cobre do mesmo calibre) e ponto de fusão mais baixo. O cobre também é mais flexível e menos propenso a quebrar após flexões repetidas.

O cobre não é barato. Quanto mais espesso for o cobre, mais caro será o fio. O problema é que o cobre mais fino tem mais resistência do que o cobre mais espesso. Infelizmente, a bitola do fio nem sempre é indicada nos cabos, e um cliente pode considerar que um fio de bitola menor usado num cabo é um cabo de melhor qualidade, pois tem maior flexibilidade.

O cloreto de polivinilo (PVC), também conhecido como polímero plástico, amolece e pode deteriorar-se com o tempo quando exposto a temperaturas que excedam o seu limite nominal. A degradação do isolamento de PVC pode comprometer a capacidade do fio de transportar corrente elétrica com segurança. Com o tempo, isso pode causar rachaduras, curtos-circuitos e, potencialmente, até incêndios elétricos.

Um exemplo é o cabo 12V-2x6. Os conectores são geralmente classificados para 105 °C, mas ocasionalmente observamos algum derretimento. Vimos alguns isolamentos de fios usados em alguns cabos 12V-2x6 classificados para apenas 80 °C a 85 °C. O PVC, sendo um material termoplástico, amolece em temperaturas elevadas, o que pode aumentar a sua suscetibilidade a deformações e danos mecânicos. Esse amolecimento pode fazer com que o revestimento do fio se separe do conector ou fique danificado, expondo os condutores a riscos potenciais.

Um indutor de bobina toroidal consiste num anel ferromagnético enrolado com fio de cobre. Um indutor de bobina de haste utiliza um núcleo cilíndrico enrolado ao longo do seu comprimento. A única vantagem real de um núcleo de haste é o menor custo de material e mão de obra.

Os núcleos toroidais, por outro lado, geram menos ruído audível. As forças magnéticas no seu interior não causam deformação no núcleo — apenas compressão ou tensão — e o seu design circular oferece melhor estabilidade mecânica.

Os impactos das bobinas de haste tendem a não ser evidentes em laboratório. A CORSAIR já trabalhou num projeto que utilizava bobinas de haste na fase de saída. Os testes de laboratório realizados no nosso Chroma não detectaram ruído audível. Mas a utilização no mundo real revelou uma realidade diferente: as reclamações começaram a chegar e a CORSAIR rapidamente mudou para toroides.

Sendust é uma liga magnética criada como alternativa ao pó de ferro e outros materiais magnéticos utilizados em indutores e transformadores. É composta por 85% de ferro, 9% de silício e 6% de alumínio.

O Sendust é muito apreciado porque apresenta menores perdas por correntes parasitas e não produz vibrações mecânicas quando exposto a campos magnéticos. Na nossa indústria, a principal desvantagem é o seu custo. Além disso, como o Sendust é um composto sinterizado, tende a ser mais frágil do que outros materiais. Consequentemente, os indutores Sendust podem precisar de ser ligeiramente maiores para corresponder à capacidade de armazenamento de energia de um núcleo de ferro, pelo que as limitações de espaço em projetos mais pequenos devem ser consideradas.

A CORSAIR utiliza o Sendust quase exclusivamente há cerca de 10 anos. Descobrimos que o pequeno investimento feito para melhorar o ruído audível valeu a pena, pois as reclamações dos clientes diminuíram significativamente.

Mais uma vez, temos uma solução ideal que requer espaço adicional. No entanto, se o espaço permitir, recomendamos vivamente a utilização de enrolamentos divididos.

Como o termo sugere, um indutor de enrolamento único consiste numa única bobina de fio de cobre contínuo enrolada em torno do núcleo. Um indutor de enrolamento dividido, também chamado de enrolamento bifilar ou bobina de modo comum, divide o fio de cobre em dois enrolamentos separados em torno do núcleo. Essa configuração bloqueia eficazmente o ruído de modo comum, tornando-o perfeito para uso como bobina PFC, pois ajuda a reduzir a interferência eletromagnética (EMI) e a interferência de radiofrequência (RFI). O ruído de modo comum geralmente surge de capacitâncias parasíticas entre os MOSFETs e o terra.

Embora o indutor com enrolamento dividido seja maior, o seu custo não deve exceder significativamente o de um indutor com enrolamento único, desde que a fábrica utilize um processo automatizado para produzi-los.

Começámos a usar o indutor com enrolamento dividido para os nossos chokes PFC quando começámos a observar alguns resultados de RFI de alta frequência em alguns dos nossos projetos. Infelizmente, devido ao tamanho ligeiramente maior, não podemos usá-los em formatos menores, como SFX.

A vulcanização à temperatura ambiente (RTV) é um tipo de selante ou adesivo de silicone que endurece à temperatura ambiente. As bobinas magnéticas podem vibrar em altas frequências devido às forças eletromagnéticas, produzindo um som agudo audível. A aplicação de silicone RTV na bobina pode amortecer essas vibrações e reduzir o ruído.

É fundamental usar um silicone RTV de cura neutra. Os silicones RTV padrão, como os usados para fazer juntas, muitas vezes emitem ácido acético durante a cura e podem corroer componentes eletrónicos, o que fará com que a sua fonte de alimentação cheire a vinagre. Os RTVs de cura neutra, como os tipos de cura com oxima ou álcool, são seguros para eletrónica. Procure RTVs rotulados como «cura neutra» e «seguro para eletrónica».

Ao aplicar RTV, considere a dissipação de calor dos componentes próximos. O RTV comum não é muito condutor de calor e aplicá-lo em componentes como díodos e MOSFETs pode reter calor, semelhante a cobri-los com um cobertor. A pessoa que aplica o RTV precisa ser bem treinada para aplicá-lo apenas onde necessário.

Existem materiais com excelente condutividade térmica usados para encapsular componentes eletrónicos, conhecidos como compostos de encapsulamento, mas eles são significativamente mais caros. Os compostos de encapsulamento são normalmente usados quando os componentes precisam ser vedados contra fatores ambientais. Um processo conhecido como “encapsulamento”. Esse processo pode impedir a entrada de humidade, reduzir vibrações e proteger contra engenharia reversa, pois a remoção dos compostos de encapsulamento pode danificar os componentes na placa de circuito impresso. Utilizámos materiais de encapsulamento com condutividade térmica tão alta quanto 2 W/m-k ou 3 W/m-k para criar PSUs completamente passivas, dissipando o calor uniformemente para a caixa da PSU. No entanto, esses compostos são muito caros, mesmo na China. Portanto, até que se tornem mais acessíveis, a CORSAIR continuará a utilizar RTV de cura neutra de 1 parte típica para as suas fontes de alimentação.

As fontes de alimentação devem ter o que é conhecido como «proteções». Essas proteções são monitorizadas por circuitos integrados dentro da fonte de alimentação. Quer os circuitos integrados sejam analógicos ou digitais, as proteções que oferecem podem variar de fonte para fonte. Em última análise, seria desejável uma fonte de alimentação que oferecesse todas as proteções possíveis. Segue-se uma lista das proteções que devem estar presentes numa fonte de alimentação.

Esta proteção é ativada quando a corrente do trilho excede os limites pré-determinados. Muitos fabricantes de fontes de alimentação definem pontos de ativação OCP mais elevados para acomodar picos de energia de componentes como placas gráficas. A implementação do OCP requer dois elementos principais: resistores shunt de alta precisão e baixa resistência e um IC supervisor compatível. Esses resistores shunt medem a corrente de saída da PSU, detectando quedas de tensão em si mesmos.

Quando uma fonte de alimentação é forçada além da sua capacidade nominal, esta proteção é ativada como medida de segurança. A maioria dos fabricantes incorpora uma zona tampão, definindo o limite OPP aproximadamente 50 W-100 W (às vezes mais) acima da potência máxima declarada da fonte de alimentação. Para fontes de alimentação com um único trilho de +12 V, onde a proteção contra sobrecorrente raramente entra em ação, o mecanismo OPP serve como defesa primária, desligando automaticamente a unidade se o trilho de +12 V consumir energia excessiva.

Esta proteção funciona como um guardião vigilante da sua fonte de alimentação, verificando continuamente os trilhos de saída em busca de níveis de impedância perigosamente baixos (abaixo de 0,1 Ω). Quando essa condição é detetada, o SCP aciona imediatamente um desligamento de emergência para evitar possíveis danos ou riscos de incêndio.

Uma coisa interessante sobre o SCP na maioria das fontes de alimentação é que ele normalmente só funciona se houver um curto-circuito para o terra. Em muitas PSUs, se dois fios energizados com tensões diferentes se tocarem, o SCP não será acionado. Os entusiastas de computadores já exploraram essa limitação para criar redutores de tensão improvisados para ventiladores de refrigeração, conectando linhas de +12 V e +5 V para produzir +7 V. Embora seja possível modificar uma fonte de alimentação para acomodar esses truques com segurança, essa continua sendo uma prática arriscada que deve ser evitada. As fontes de alimentação modernas e de alta qualidade resolveram essa vulnerabilidade; seus sistemas SCP agora são ativados sempre que duas linhas de tensão entram em contato entre si ou com o terra.

Se uma saída cair abaixo de uma tensão considerada segura para os componentes aos quais está a fornecer energia, o OVP deve desligar o PC para evitar possíveis danos aos componentes.

Se a tensão de saída aumentar para um valor considerado inseguro para os componentes aos quais está a fornecer energia, o UVP deve desligar a fonte de alimentação para proteger os componentes contra possíveis danos.

As fontes de alimentação com esta proteção normalmente possuem um termístor, que é um resistor sensível ao calor, montado na retificação de +12 V, geralmente no mesmo local onde se encontra o termístor da unidade de controlo do ventilador. Este componente monitoriza a temperatura do MOSFET de +12 V, do díodo ou do dissipador de calor secundário (dependendo do design) e aciona o desligamento quando as leituras excedem os limites de segurança. Esta proteção é essencial, pois temperaturas excessivas, sejam elas causadas por sobrecarga de componentes ou falha do ventilador, podem causar danos permanentes.

O nível geral de qualidade e fiabilidade de uma fonte de alimentação não pode ser reduzido a selos de eficiência, declarações de potência ou contagem de cabos. A fiabilidade provém da disciplina de design, seleção de componentes, práticas de fabrico e adesão a rigorosos padrões de desempenho elétrico.

Em última análise, a fonte de alimentação é a base de todo o sistema. Poupar alguns euros na compra de uma unidade mais barata pode parecer tentador, mas os riscos ocultos, como energia instável, falhas de componentes ou perda total do sistema, podem custar muito mais a longo prazo. Uma fonte de alimentação de qualidade não se resume à potência indicada na embalagem. Trata-se de segurança, estabilidade e tranquilidade. Pense nisso como um investimento na saúde e fiabilidade de todo o seu PC.