Hur man undviker fallgropar vid strömförsörjning

När man överväger att köpa en strömförsörjning gör man ofta det utan att ha gjort någon större research och baserar sitt val endast på den mest grundläggande informationen som finns tillgänglig. Konsumenter letar kanske bara efter följande egenskaper:

• Förekomsten av en 80 PLUS-märkning, som bara är en aspekt av en strömförsörjning, och denna klassificering kan förfalskas.
• Den totala uteffekten som anges på förpackningen, som kan motsvara den faktiska uteffekten, men också vara ett fiktivt tal.
• Om strömförsörjningen inkluderar kablar som kunden tror att de kommer att behöva för sin konstruktion utan att ta hänsyn till modularitet, trådkvalitet och andra aspekter av kabelkvalitet.

För att kunna fatta ett välgrundat beslut är det bra att förstå lite mer om hur en strömförsörjning är uppbyggd. Detta dokument beskriver några av de parametrar som kan påverka kvaliteten och kostnaden för en strömförsörjning. Istället för att fördjupa sig i komplexa designarkitekturer och deras för- och nackdelar, erbjuder denna guide en enkel förklaring av vanliga termer som du kommer att stöta på i recensioner och tester, och klargör hur dessa element påverkar en strömförsörjnings verkliga prestanda, övergripande kvalitetsnivå och tillförlitlighet.

Ditt hem levererar växelström (AC) från vägguttaget, men dina datorkomponenter kräver likström (DC). Detta är syftet med din dators strömförsörjning: att omvandla växelström till likström. När växelström omvandlas till likström blir växelströmmen en del av likströmsutgången. I en switchad strömförsörjning (till skillnad från en linjär strömförsörjning) kan processen att omvandla växelström till likström, tillbaka till växelström och sedan slutligen tillbaka till likström igen generera högfrekvent brus och övertoner som kallas rippel.

Hög rippel kan orsaka överhettning av kondensatorerna i dina enheter (moderkort, GPU etc.), vilket leder till avdunstning av elektrolyten inuti kondensatorerna som används i dessa enheter, vilket kan orsaka katastrofala fel.

De mindre kondensatorerna på utgångssidan av en strömförsörjning hjälper till att filtrera bort så mycket rippel som möjligt. Att öka deras kapacitans för att filtrera bort mer rippel ökar dock även startströmmen, eftersom alla dessa kondensatorer måste laddas fullt för att nå önskad utspänning. Utgångsspänningsregleringen kan påverkas när strömavvikelser, även kallade transienter, delvis tömmer kondensatorerna, vilket kräver att de laddas om för att upprätthålla rätt utgångsspänning. Detta belastar också omkopplingskomponenterna. Det är därför bäst att ha rätt balans mellan kapacitans och en acceptabel mängd filtrering för rippel.

Övergångssvar avser utspänningens beteende när strömförsörjningen övergår från en belastning till en annan. Det är så vi beskriver hur en strömförsörjning reagerar på plötsliga belastningsförändringar innan den stabiliseras. Till exempel kan en plötslig förändring i belastningen från låg till hög orsaka att utspänningen sjunker. Detta kan vara ett normalt beteende, men frågan vi ställer är hur länge strömförsörjningen förblir i detta tillstånd innan utspänningen återgår till nominell spänning?

Dålig transientrespons i en strömförsörjning kan orsaka en rad problem, inklusive spänningsfluktuationer, systeminstabilitet och potentiella skador på känsliga komponenter. Specifikt kan en långsam eller dåligt reglerad transientrespons leda till spänningsfall (underskott) eller spikar (överskott) som överskrider en enhets driftsgränser, vilket orsakar funktionsfel, återställning eller fel.

När en strömkälla inte kan upprätthålla en stabil utspänning när belastningen ökar, anses detta vara dålig spänningsreglering. Dålig spänningsreglering kan leda till en rad olika problem, bland annat skador på elektronisk utrustning, ineffektiv drift och instabilitet i systemet. Det kan orsaka funktionsfel i utrustningen, förkorta dess livslängd och eventuellt leda till att data skadas eller går förlorade.

Dåliga monteringsmetoder och bristande kvalitetskontroll kan leda till förtida fel. Tillverkningen av strömförsörjningar sker fortfarande till stor del manuellt, och automatisering är förbehållet premiumtillverkare. Innan komponenterna når masslödmaskinen måste de placeras manuellt på kretskortet. Dessa maskiner är utmärkta för konsekvent lödning av stora volymer, men kvaliteten på resultatet beror helt på att komponenterna är korrekt förberedda.

När felaktiga justeringar eller insättningsfel uppstår efter lödningen måste teknikerna utföra "touch-ups", en process där operatörerna visuellt inspekterar varje kort och manuellt korrigerar defekter med hjälp av handhållna lödkolvar. Detta känsliga arbete medför många potentiella problem: felaktig uppvärmning skapar bräckliga anslutningar eller skadar komponenter, medan mänskliga fel leder till antingen överdriven lödning som skapar kortslutningar eller otillräcklig lödning som orsakar svaga länkar. Särskilt förrädiska är dåligt gjorda lödförband som initialt klarar inbränningstestet men som några dagar senare under transporten går sönder när komponenterna lossnar från sina fästen på grund av dålig lödning.

De flesta nätaggregat i EU och Nordamerika har effektfaktorkorrigering, och en hög effektfaktorkorrigering krävs för att uppnå en effektivitetsnivå som motsvarar 80 PLUS- eller Cybenetics-certifiering. I vissa delar av världen krävs dock ingen effektfaktorkorrigering. Dessutom ”förfalskar” vissa märken ofta sina effektivitetsmärken (det vill säga när du ser märken som ser ut som 80 PLUS men där det står ”85 PLUS” eller ”90 PLUS”, eller när märket ser ut som ett 80 PLUS-märke men det inte finns någon motsvarande 80 PLUS-rapport).

Effektfaktorn är ett viktigt mått i elektriska system och fungerar som en indikator på hur effektivt elektrisk energi omvandlas till produktivt arbete. Till skillnad från den enkla beräkningen av effektiviteten i procent genom att dividera utgången med ingången, visar effektfaktorn specifikt hur effektivt den ström som dras från källan utnyttjas för att utföra verkligt arbete.

För att kunna beräkna effektfaktorn måste vi förstå tre termer som används i beräkningen: skenbar effekt, verklig effekt och reaktiv effekt.

Skenbar effekt representerar den totala effekten som tillförs kretsen och mäts i voltampere (VA).

Verklig effekt mäts i watt (W) och representerar den faktiska växelströmseffekten som utför konkret arbete, till exempel driver en motor eller tänder en glödlampa. I sammanhanget med denna artikel avser det den effekt som slutligen omvandlas till likström.

Reaktiv effekt är den svårfångade energin som fluktuerar fram och tillbaka mellan källan och reaktiva komponenter, såsom induktorer och kondensatorer i strömförsörjningen, utan att utföra något nyttigt arbete. Reaktiv effekt mäts i voltampere reaktiv (VAR).

Genom att ta den verkliga effekten och dela den med den skenbara effekten får man effektfaktorn.

Reaktiv effekt anses vara problematisk eftersom den ökar den totala strömmen som flödar genom strömförsörjningen. Även om den inte tillför användbar energi till den dator som strömförsörjningen driver, bidrar den ändå till den ström som kraftledningar, transformatorer och generatorer måste hantera. Denna extra ström resulterar i större resistiva förluster i elnätet, vilket genererar värme och slösar energi.

Enligt Watts lag kräver lägre spänning högre ström för samma effekt, så regioner med 100–127 V, såsom Nordamerika, Japan, Taiwan och andra områden, behöver större och mer värmetåliga likriktare, vilket höjer kostnaderna. Om du designar för länder där spänningen i bostäder är 220 V eller högre behövs ingen likriktare som kan hantera så mycket ström. Ändå kan spänningsfall minska spänningen avsevärt under vad som anses normalt. Därför är det viktigt att ha rätt skydd på plats för att förhindra att strömförsörjningen slutar fungera om ingångsströmmen överstiger brygglikriktarens kapacitet.

Spänningen i bostäder varierar kraftigt: Japan använder 100 V; Taiwan, Kuba och många uttag i USA mäter cirka 115 V (nominellt 120 V); delar av Sydamerika och Karibien använder 127 V.

Exempel: I USA är NEMA 5-15-uttag begränsade till 15 A kontinuerligt (120 V × 15 A = 1800 W växelström eller ~1620 W likström vid 90 % verkningsgrad). Verkliga belastningar och 80 %-regeln för 20 A-brytare begränsar vanligtvis den användbara PSU-effekten till cirka 1,6 kW. Det finns visserligen 20 A NEMA 5-20-kretsar, men de är ovanliga i bostäder.

På 220–240 V nät levererar en 10 A-krets 2200 W växelström (nästan 2000 W likström med 90 % verkningsgrad). Brittiska kontakter klarar upp till 13 A och Schuko-uttag upp till 16 A, så där är strömförsörjningsenheter med högre effekt mer praktiska.

Hold up-tid är en specifikation för hur länge PSU kan fortsätta att leverera stabil, reglerad likströmsutgångseffekt efter ett avbrott i växelströmsingångseffekten, vilket kan inträffa vid ett spänningsfall.

Specifikationerna för hold-up-tid varierar mellan olika strömförsörjningsenheter. Enligt den ursprungliga ATX12V-standarden måste strömförsörjningsenheterna upprätthålla strömmen i 17 ms vid 100 % belastning, med längre varaktighet vid lägre belastning. Den nyare ATX 3.1-standarden har förkortat detta krav till 12 ms vid full belastning.

Oavsett vilken specifikation ett nätaggregat följer måste det upprätthålla korrekta spänningsnivåer under denna hållperiod (till exempel hålla +12 V-utgångarna över +11,4 V) för att skydda de anslutna komponenterna från potentiella skador.

Fläktar som används i strömförsörjningsenheter måste ha en högre specifikation för statiskt tryck (mätt i mmH2O, eller "millimeter vattenpelare"), ungefär som en kylfläkt med täta, tätt packade blad, jämfört med en vanlig chassifläkt med bredare, mer svepande design som fokuserar på CFM (luft mätt i kubikfot per minut).

PSU:ns kretskort är utformat för att dra nytta av de virvlande, turbulenta luftströmmarna inuti det trånga PSU-höljet. En fläkt med högt statiskt tryck, vanligtvis utrustad med en plastbaffel för att styra en del av den strömmande luften dit den behövs, tvingar kylströmmarna till specifika värmealstrande komponenter som tenderar att bli farligt varmare än sina närliggande delar.

Det är ingen hemlighet att de flesta komponenter till strömförsörjningsenheter tillverkas i Kina på grund av fördelarna med leveranskedjan. Det gäller inte bara färdiga produkter, utan även de komponenter som används för att tillverka dessa produkter. Japanska kondensatorer? Tillverkade i Kina. Tyska MOSFET? Tillverkade i Kina. Koreanska IC? Tillverkade i Kina. Och det är inget problem, eftersom dessa delar genomgår strikta kvalitetskontroller. Men på senare tid har vi sett ett antal kinesiska varumärken som tillverkar produkter med datablad som motsvarar deras internationella motsvarigheter, men i våra tester har vi ofta upptäckt att specifikationerna för dessa kinesiska varumärken inte stämmer överens med deras specifikationsblad.

Detta är särskilt problematiskt med MOSFET-transistorer (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors). Vi har upptäckt att de ibland blir varmare, trots att de har samma RDS (on) (mer om det nedan) som sina dyrare motsvarigheter. Detta utmanar vår förmåga att kyla enheten ordentligt och samtidigt bibehålla en produkt med låg ljudnivå. En högre driftstemperatur ökar också risken för termisk runaway.

Termisk runaway är en självförstärkande uppvärmningscykel. När en MOSFET leder ström avger den värme från lednings- och omkopplingsförluster. När övergångstemperaturen stiger förändras viktiga parametrar (som RDS (on), tröskelspänning, läckström). Dessa förändringar ökar effektförlusten ytterligare, vilket orsakar mer uppvärmning. Oundvikligen kan MOSFET överskrida sitt säkra driftsområde (SOA), vilket leder till förstörelse.

RDS (on) är MOSFET:s drain-to-source-motstånd när den är helt påslagen (mättad). Det avgör hur mycket MOSFET motstår strömflödet under ledning. Ju högre den FAKTISKA RDS (on) är, desto varmare blir transistorn.

Multilayer Ceramic Capacitor (MLCC) är en vanligt förekommande kondensator för ytmontering (SMT) som används i elektroniska apparater. Dessa passiva komponenter lagrar elektrisk energi och används främst för avkoppling, filtrering, förbikoppling och tidsinställning i kretsar.

När en MLCC placeras mindre än 2 mm från kanten på ett kretskort (PCB) eller mindre än 3 mm från ett PCB-skruvhål måste en MLCC med mjuk anslutning användas. Om detta inte görs kan dessa små komponenter gå sönder eller lossna från kretskortet, vilket leder till intermittenta anslutningar.

För strömförsörjningsenheter med modulära kretskort som använder MLCC rekommenderas att endast använda MLCC med mjuk terminering. Denna försiktighetsåtgärd är nödvändig eftersom insättning och borttagning av modulära kablar kan orsaka att kretskortet böjs, vilket kan skada MLCC eller dess anslutning till kortet.

En ofta förbisedd aspekt av strömförsörjningar är de kablar som medföljer, de material som används för att tillverka dem och hur väl de är konstruerade. Följande tre punkter är de största fallgroparna vi har sett när ”billigare kablar” tillhandahålls.

Kopparpläterad aluminiumtråd (CCA) är en aluminiumtråd med kopparbeläggning, medan ren koppartråd är helt tillverkad av koppar. Ren koppar är överlägsen när det gäller elektrisk ledningsförmåga, flexibilitet och motståndskraft mot värme och korrosion. CCA är billigare, men rekommenderas inte för många tillämpningar, särskilt där elsäkerhet och prestanda är avgörande, på grund av dess högre motstånd (55 till 60 % högre för aluminium jämfört med koppartråd av samma tjocklek) och lägre smältpunkt. Koppar är också mer flexibel och mindre benägen att gå sönder efter upprepad böjning.

Koppar är inte billigt. Ju tjockare koppar, desto dyrare blir kabeln. Problemet är att tunnare koppar har högre resistans än tjockare koppar. Tyvärr anges kabelns tjocklek ofta inte på kablarna, och kunderna kan uppfatta en kabel med tunnare tjocklek som en kabel av bättre kvalitet eftersom den är mer flexibel.

Polyvinylklorid (PVC), även känt som plastpolymer, mjuknar upp och kan försämras med tiden när det utsätts för temperaturer som överstiger dess nominella gräns. Nedbrytningen av PVC-isoleringen kan äventyra ledningens förmåga att på ett säkert sätt leda elektrisk ström. Med tiden kan detta leda till sprickor, kortslutningar och potentiellt även eldsvådor.

Ett exempel är 12V-2x6-kabeln. Anslutningarna är generellt klassade för 105 °C, men ibland ser vi ändå att de smälter. Vi har sett att vissa kabelisoleringar som används i några 12V-2x6-kablar endast är klassade för 80 °C till 85 °C. PVC är ett termoplastiskt material som mjuknar vid höga temperaturer, vilket kan öka dess känslighet för deformation och mekaniska skador. Denna mjukning kan leda till att kabelmanteln lossnar från kontakten eller skadas, vilket utsätter ledarna för potentiella risker.

En toroidspole består av en ferromagnetisk ring lindad med koppartråd. En stavspole använder en cylindrisk kärna lindad längs hela sin längd. Den enda verkliga fördelen med en stavkärna är lägre material- och arbetskostnader.

Toroidkärnor genererar däremot mindre hörbart brus. De magnetiska krafterna inuti orsakar inte böjning i kärnan – endast kompression eller spänning – och deras cirkulära design ger bättre mekanisk stabilitet.

Effekterna av stavspolar är oftast inte tydliga i laboratoriet. CORSAIR arbetade en gång med ett projekt som använde stavspolar i utgångssteget. Laboratorietester på vår Chroma kunde inte upptäcka något hörbart brus. Men i verkligheten blev det en helt annan historia: klagomålen strömmade in och CORSAIR bytte snabbt till toroider.

Sendust är en magnetisk legering som skapades som ett alternativ till järnpulver och andra magnetiska kärnmaterial som används i induktorer och transformatorer. Den består av 85 % järn, 9 % kisel och 6 % aluminium.

Sendust är högt skattat eftersom det har lägre virvelströmsförluster och inte alstrar mekaniska vibrationer när det utsätts för magnetfält. I vår bransch är den största nackdelen kostnaden. Eftersom Sendust är ett sintrat material tenderar det dessutom att vara sprödare än andra material. Följaktligen kan Sendust-induktorer behöva vara något större för att matcha energilagringskapaciteten hos en järnkärna, så utrymmesbegränsningar i mindre konstruktioner bör beaktas.

CORSAIR har använt Sendust nästan uteslutande i cirka 10 år. Vi har upptäckt att den lilla investering som gjorts för att förbättra ljudnivån är väl värd pengarna, eftersom kundklagomålen har minskat avsevärt.

Återigen har vi en optimal lösning som kräver extra utrymme. Om utrymmet tillåter det rekommenderar vi dock starkt att man använder delade lindningar.

Som termen antyder består en enkelspolad induktor av en enda kontinuerlig koppartrådsspole som är lindad runt kärnan. En delad induktor, även kallad bifilar eller common-mode-drossel, delar koppartråden i två separata lindningar runt kärnan. Denna konfiguration blockerar effektivt common-mode-brus, vilket gör den perfekt för användning som PFC-drossel eftersom den hjälper till att minska elektromagnetisk störning (EMI) och radiofrekvensstörning (RFI). Common-mode-brus uppstår ofta från parasitkapacitanser mellan MOSFET:erna och jord.

Även om den delade induktorn är större bör dess kostnad inte överstiga kostnaden för en enkel induktor avsevärt, förutsatt att tillverkningsanläggningen använder en automatiserad process för att producera dem.

Vi började använda delade induktorer för våra PFC-drosslar när vi upptäckte vissa högfrekventa RFI-resultat i några av våra konstruktioner. Tyvärr kan vi inte använda dem i mindre formfaktorer som SFX på grund av deras något större storlek.

Rumstemperaturvulkanisering (RTV) är en typ av silikontätningsmedel eller lim som härdar vid rumstemperatur. Magnetiska spolar kan vibrera vid höga frekvenser på grund av elektromagnetiska krafter, vilket leder till ett hörbart gnisslande ljud. Genom att applicera RTV-silikon på spolen kan dessa vibrationer dämpas och bullret minskas.

Det är viktigt att använda en RTV-silikon med neutral härdning. Standard RTV-silikoner, som de som används för tillverkning av packningar, avger ofta ättiksyra under härdningen och kan korrodera elektroniska komponenter, vilket gör att din strömförsörjningsenhet luktar vinäger. RTV-silikoner med neutral härdning, såsom oxim- eller alkoholhärdande typer, är säkra för elektronik. Leta efter RTV-silikoner som är märkta med ”neutral härdning” och ”säker för elektronik”.

När du applicerar RTV måste du ta hänsyn till värmeavledningen från närliggande komponenter. Vanlig RTV har låg värmeledningsförmåga och om du applicerar den på komponenter som dioder och MOSFET kan det leda till värmeansamling, ungefär som om du täcker dem med en filt. Den som applicerar RTV måste vara välutbildad för att applicera den endast där det är nödvändigt.

Det finns material med utmärkt värmeledningsförmåga som används för att kapsla in elektronik, så kallade gjutmassor, men de är betydligt dyrare. Gjutmassor används vanligtvis när komponenter behöver skyddas från miljöfaktorer. En process som kallas ”inkapsling”. Denna process kan hålla ute fukt, minska vibrationer och skydda mot reverse engineering, eftersom borttagning av gjutmassor kan skada komponenterna på kretskortet. Vi har använt gjutmaterial med värmeledningsförmåga på upp till 2 W/m-k eller 3 W/m-k för att skapa helt passiva nätaggregat genom att jämnt sprida värmen till nätaggregatets hölje. Dessa material är dock mycket kostsamma, även i Kina. Så tills de blir mer prisvärda kommer CORSAIR att fortsätta använda vanlig 1-komponents neutralhärdande RTV för sina nätaggregat.

Strömförsörjningar bör ha så kallade ”skydd”. Dessa skydd övervakas av integrerade kretsar i strömförsörjningen. Oavsett om kretsarna är analoga eller digitala kan de skydd de erbjuder variera från strömförsörjning till strömförsörjning. I slutändan vill man ha en strömförsörjning som erbjuder alla möjliga skydd. Nedan följer en lista över skydd som man bör hitta i sin strömförsörjning.

Detta skydd aktiveras när strömmen i skenan överskrider förutbestämda tröskelvärden. Många tillverkare av strömförsörjningsenheter ställer in högre OCP-tröskelvärden för att hantera strömspikar från komponenter som grafikkort. För att implementera OCP krävs två viktiga element: högprecisionsshuntmotstånd med låg resistans och en kompatibel övervaknings-IC. Dessa shuntmotstånd mäter strömförsörjningsenhetens utgångsström genom att detektera spänningsfall över sig själva.

När en strömförsörjningsenhet överbelastas aktiveras detta skydd som en säkerhetsåtgärd. De flesta tillverkare bygger in en buffertzon och ställer in OPP-tröskeln till cirka 50–100 W (ibland mer) över PSU:ns angivna maximala effekt. För strömförsörjningsenheter med en enda +12V-skena, där överströmsskyddet sällan aktiveras, fungerar OPP-mekanismen som det primära skyddet och stänger automatiskt av enheten om +12V-skenan drar för mycket ström.

Detta skydd fungerar som en vaksam väktare av din strömförsörjningsenhet och kontrollerar kontinuerligt utgångsskenorna för farligt låga impedansnivåer (under 0,1 Ω). När detta tillstånd upptäcks utlöser SCP omedelbart en nödstopp för att förhindra potentiella skador eller brandrisker.

En intressant sak med SCP i de flesta strömförsörjningar är att det vanligtvis bara fungerar om det finns en kortslutning till jord. I många strömförsörjningar aktiveras SCP inte alls om två strömförande ledningar med olika spänning kommer i kontakt med varandra. Datorentusiaster utnyttjade en gång denna begränsning för att skapa provisoriska spänningsreducerare för kylfläktar genom att ansluta +12V- och +5V-ledningar för att producera +7V. Även om man kan modifiera en strömförsörjning för att säkert kunna använda sådana knep, är det fortfarande en riskabel metod som bör undvikas. Moderna strömförsörjningar av högre kvalitet har åtgärdat denna sårbarhet; deras SCP-system aktiveras nu när två spänningsledningar kommer i kontakt med varandra eller med jord.

Om utgångsspänningen sjunker under en spänning som anses säker för de komponenter som de försörjer med ström, ska OVP stänga av datorn för att förhindra eventuella skador på komponenterna.

Om spänningen i utgången ökar till ett värde som anses vara osäkert för de komponenter som de försörjer med ström, bör UVP stänga av strömförsörjningen för att skydda komponenterna från eventuella skador.

Strömförsörjningar med detta skydd har vanligtvis en termistor, som är ett värmekänsligt motstånd, monterat på +12V-likriktaren, ofta på samma plats där fläktkontrollenhetens termistor sitter. Denna komponent övervakar temperaturen på +12V MOSFET, diod eller sekundär kylfläns (beroende på konstruktion) och utlöser avstängning när värdena överskrider säkra tröskelvärden. Denna säkerhetsåtgärd är viktig, eftersom för höga temperaturer, oavsett om de beror på överbelastning av komponenter eller fläktfel, kan orsaka permanenta skador.

En PSU:s övergripande kvalitet och tillförlitlighet kan inte reduceras till effektivitetsmärken, utgångseffekt eller antal kablar. Tillförlitlighet kommer från design, komponentval, tillverkningsmetoder och efterlevnad av strikta elektriska prestandastandarder.

I slutändan är strömförsörjningen grunden för hela ditt system. Att spara några kronor på en billig enhet kan verka lockande, men de dolda riskerna, som instabil strömförsörjning, komponentfel eller total systemförlust, kan kosta mycket mer på lång sikt. En kvalitets-PSU handlar inte bara om wattantalet på förpackningen. Det handlar om säkerhet, stabilitet och sinnesro. Se det som en investering i hälsan och tillförlitligheten hos hela din PC-konstruktion.