本站(fcpowerup.com)是以电源评测(Power Supple Unit Review)为主要内容的网站,相信各位能看到本文的读者都应该了解电源在计算机中所处的位置及其重要性。和CPU类似,电源作为一个计算机部件,同样也有性能指标和技术规格。为了使各位读者更方便地食用本站的电源评测,就必须要有一篇说明书一样的指导文章,所以有了本文。我将在本文中介绍我目前使用的电源评测设备以及测试方法,方便读者理解评测中所出现的性能指标、技术规格以及这些参数在电源工作时起到什么样的作用。

To read the English version please click here→ How do i test power supplies.

我的装备

工欲善其事,必先利其器。每一个计算机部件都有适用的测试软件或者仪器,比如CPU和显卡可以使用软件进行性能测试,然而电源的测试就要难得多,除了要具备一定的电子技术知识以外,还要有外部的电子负载和电子仪表配合才能全面、准确地进行各项性能指标测试。

目前PC电源行业的厂家一般都会在研发、测试、生产过程中采用至茂电子生产的Chroma系列电子负载作为测试仪器,Intel的测试实验室同样使用Chroma的电子负载。使用可编程的高速电子负载,可以使得被测电源进入各种所需要的输入输出状态,再使用仪表配合测得各项性能指标。本网站最早进行电源评测时使用的是Chroma 6000系列电源测试系统,从2016年底更新的EVGA SuperNOVA 1600 G2评测开始更新装备,使用更为先进的Chroma 8000系列SMPS自动电源测试系统。

电子负载模块是这一套负载系统的重头戏,它的拉载能力决定了能测多大瓦数的电源。目前这一套Chroma 8000系列SMPS自动电源测试系统的电子负载部分包含9组63640-80-80可编程直流电子负载(400W每组)、2组63630-80-60可编程直流电子负载(300W每组),1组63610-80-20可编程直流电子负载(100Wx2),累计可够提供高达4400W的拉载能力。

引用一下官方的图片,Chroma 8000测试系统的其他部分还包括一台Chroma 66202 数字功率表、一台Agilent-34401A数字电表、一台Chroma61605 交流源(4KVA)、一台Chroma 80611 时序/杂讯分析仪、一台Chroma 80612 短路及过电压保护测试仪、一台Chroma 80613 电源控制器,还有一台工业电脑。

其他外部仪表包括一台泰克MDO3014数字示波器(见下图,图片同样来自泰克官方)、一台泰克TDS 3014数字示波器,用于分析纹波、掉电保持时间等项目。一台速为SW826非接触式光电测速仪 (分辨率1RPM/min),用于测量电源风扇转速。一个FILR One Pro热成像仪(精度±3°C或读数的±5%,分辨率0.1℃),用于捕捉电源热成像图。

借助以上这些昂贵的玩具,我得以遵循Intel所制定的『Desktop Platform Form Factors Power Supply Design Guide』设计指导对电源进行全面的测试,我们常说的“Intel ATX12V”规范包含在其中。

 

性能指标、技术规格及测试方法 Performance, Specification & Methodology

我将从本站的电源评测文章结构来逐项介绍测试方法,以下的测试方法基于『Intel Desktop Platform Form Factors Power Supply Design Guide』而来。电源行业的研发设计、生产、测试基本围绕着此指导书进行。测试程序由作者本人编写。

本站评测文章的结构如下:

1.介绍 Introduction
2.开箱 Packaging,Contents & Exterior
3.拆解 Teardown & Component analysis
4.测试 Tests
4-1. 电压稳定性 Load Regulation
4-2. 效率 Efficiency
4-3. 空载及轻载 No-load & Light Load Test
4-4. 风扇转速、温度 Fan Speed, Temperature
4-5. 5Vsb待机 5V Standby
4-6. 交叉负载 Cross-Load Test
4-7. 纹波及噪声 Ripple & Noise
4-8. 浪涌电流、掉电保持时间 Inrush Current, Hold-Up Time
4-9. 动态响应测试 Transient Response Test
5. 评级及总结 Rating & Conclusion

 

1. 介绍 Introduction

对电源的厂家、电源本身的市场定位和市场背景等进行介绍。

 

2. 开箱 Packaging,Contents & Exterior

对电源的包装、外观、设计、材料、线材接口、附件进行介绍和分析。

 

3. 拆解 Teardown & Component analysis

对电源进行拆解,分析内部电路,并且对元器件的使用情况进行汇总。

 

4. 测试 Tests

后面会进行更详细的分项介绍。

 

5. 评级及总结 Rating & Conclusion

对产品的外观、性能、定位、价格、工作噪音、用料品质、质保售后等进行评级和总结。

 

下文讲对第四章的测试章节进行重点介绍。

4-1. 电压稳定性 Load Regulation

不同的电脑硬件有着不同的工作电压,例如CPU和显卡主要使用+12V,主板和硬盘使用5V和3.3V。Intel ATX12V规范中对于各组电压的输出范围有着明确的要求,在整个负载范围内,+12V、+5V、+3.3V和+5Vsb的输出范围应不超过±5%,对-12V的要求则是±10%。不过由于当前的电脑中对-12V的使用已经非常少,-12V已经是一组可选电压。

在本站评测的电压项目中,会出现两个参数,一个是电压偏离Voltage accuracy,另外一个则是规范中出现的负载调整率Load regulation。

电压偏离 Voltage accuracy,即电压精度,是指在整个负载范围内电压偏离标准值最大的幅度。一般出厂设置都会略高于标准值,便于抵消线材损耗。在某些情况下,比如损耗较大的+12V线路使用自定义模组线时会有较大的线损,不少厂家都会抬高+12V的出厂电压值。

负载调整率 Load regulation,是指在整个负载范围内电压随负载变化的波动幅度,变动幅度越小,则电压稳定性越强。

例如下图这款电源的5Vsb,它的标准值是5V,实际测试最大的电压值5.118V,最小值5.074V,可计算出最大偏离幅度2.36%,负载调整率为0.88%。

 

4-2. 效率 Efficiency

常见的效率认证有蓝天使、能源之星(ENERGY STAR)和80 PLUS认证等,后者近十年影响着整个行业,已经是PC电源品类的标杆认证,这里简单提一下认证的效率要求,我们后续有时间再详细展开讲一下。

本站的效率测试不同于80 PLUS或者其他效率认证按输出功率百分比进行,而是通过下方的均衡负载配置表,以相对固定的瓦数步进来进行效率测试,覆盖轻载、典型负载和高负载,符合实际使用情况,读者可以根据自己的硬件配置找到对应的电源使用情况。测试条件分为230Vac 50Hz和115Vac 60Hz两档。

测试结果汇总在测试章节开头的输入输出测试表格中,也以效率曲线的形式展示。

转换效率曲线:

Intel ATX12V规范里对效率也有要求,在v2.52版本里对20%、50%和100%负载的效率要求分别是65%、72%和70%。对目前的主流产品来说轻松达到。

 

4-3. 空载及轻载 No-load & Light Load Test

空载功率(No-load)指的是电源短接PS_ON与GND,零功率输出时电源本身所消耗的功率,越低越好。在空载时电源也不应该发生损坏或者危险。

轻载测试(Light Load Test)主要是考核电源处于交叉负载的CL1(约12W)和均衡负载输出30W、50W、75W、100W共5档轻载状态时的电压、转换效率、风扇转速表现,电脑处于桌面待机或者轻度使用时消耗的功率就处于这几档范围,本项测试有助于用户了解此时电源的工作状态。

 

4-4. 风扇转速、温度 Fan Speed, Temperature

风扇转速,使用非接触式转速仪测试整个输出过程风扇的转数。

温度测试,使用热成像仪捕捉电源满载时的热成像图,测试条件为电源在230Vac输入下满载10分钟以上。

 

4-5. 5Vsb待机 5V StandBy

5Vsb待机项目依照Intel ATX12V 2.3以及欧洲ErP Lot 6 2013中的待机要求进行测试。Intel ATX12V 2.3规范要求5Vsb在100mA、250mA、大于1A的负载时效率必须大于或者等于50%、60%、70%。

1.1版更新:欧洲ErP Lot 6 2013则要求0A时消耗功率不得超过0.5W45mA下效率必须高于45%

 

4-6. 交叉负载 Cross-Load Test

交叉负载是按Intel ATX12V 2.4、SSI EPS12V 2.92电源设计指导规范,结合高功耗核心CPU和高功耗独立显卡、低功耗的ITX/STX平台所设计。

重新调整过后,测试总共分为7个档:

CL1-整机轻载:测试整机处于极低负载时的电压稳定性。
CL2-辅路满载、12V轻载:5V、3.3V最大负载、12V轻载,模拟多个机械硬盘同时启动的情况。
CL3-整机满载:12V、5V和3.3V同时拉载到最大负载,模拟整机满载;
CL4-偏重12V、辅路轻载:12V最大负载、5V、3.3V轻载,模拟极限超频、或者使用单个SSD运行3D游戏的情况;
CL5-12V拉偏:极限拉偏,测试12V满载,5V、3.3V空载时的电压稳定性。
CL6-5V拉偏:极限拉偏,测试5V满载,12V、3.3V空载时的电压稳定性。
CL7-3.3V拉偏:极限拉偏,测试3.3V满载,12V、5V空载时的电压稳定性。

交叉负载主要考核电源输出电压的稳定性,同样输出电压必须在Intel ATX12V规范规定的±5%的范围内,电压偏离额定值越小越好。负载调整率即电压随负载变化的波动情况,数值越小则电压稳定性越强。

 

4-7. 纹波及噪声 Ripple & Noise

纹波和噪声(Ripple & Noise)是电源直流输中的交流成分,一部分可能是交流电经过整流稳压后仍然存在的交流成分,一部分则是电路晶体管本身所产生的开关纹波和噪声,如果用示波器观察就可以看到电压像水波纹一样波动,所以叫纹波。过高的纹波会干扰数字电路,影响电路工作的稳定性。

Intel ATX12V v2.52中规定,+12V、+5V、+3.3V、-12V和+5Vsb的输出纹波与噪声的Vp-p分别不得超过120mV、50mV、50mV、120mV和50mV。本测试主要针对12V、5V、3.3V和5Vsb,对-12V不作要求。测试使用数字示波器在20MHz模拟带宽下按Intel ATX12V规范给治具板测量点处并接去耦电容进行测量。

测试选择了有意义的7个档位,50W代表桌面待机的情况,100W代表办公和上网时的情况,300W代表单显卡游戏的情况,满载和拉偏则是测试电源各路最高负荷时的情况。一般处于满载时电源的输出纹波电压值会处于最高点。

 

4-8. 浪涌电流、掉电保持时间 Inrush Current, Hold-Up Time

浪涌电流

浪涌电流(Inrush Current)是指电源接通AC交流电的瞬间流入电源的最大瞬时电流,由于对PFC电容进行迅速充电,所以该电流的峰值要远大于正常电源工作状态下的输入电流。过大的浪涌电流可能会损坏保险管、NTC热敏电阻、整流桥、AC开关等器件。数值也是越小越好的。测试条件为满载、264Vac 63Hz输入。

掉电保持时间

掉电保持时间(Hold-up Time)指的是AC掉电后主要的DC电压输出值跌出5%的时间,按照最新的Intel ATX12V v2.52规范,T5 (AC loss to PWR_OK hold-up time)必须>16ms,说人话就是PWR_OK(Power-Good)的掉电保持时间要大于16ms,同时T6(PWR_OK inactive to DC loss delay)必须>1ms,即DC电压的掉电保持时间比PWR_OK还要+1ms,来保障其他硬件维持运转,总结起来就是PWR_OK必须>16ms,12V/5V/3.3V等DC电压必须>17ms。

有足够长的PWR_OK掉电保持时间,意味着面临16ms以内的AC掉电或者切换到UPS的间隙,电源能够维持电脑运转信号而不至于出现关机或者重启的情况,同时,比PWR_OK保持时间还长的DC保持时间维持了其他硬件的正常工作,否则其他硬件可能会出现来不及采取例如机械硬盘磁头归位、SSD掉电保护等应急措施。掉电保持时间不单对于电源从AC切换到UPS的间隙有益,也适用于其他诸如电网切换等情况。

掉电保持时间的测试条件为电源满载,230Vac输入。

 

4-9.动态测试 Dynamic Test

由于2018年的CPU/显卡功率暴增,在2018-11-08日发布的海盗船RM650x v2018评测中加回动态测试(Dynamic Test)。动态测试在Intel ATX12V规范中也称“直流输出瞬态响应测试DC Output Transient Test”。

上面传统的静态测试项目是模拟电脑功耗处于稳态时电源的各种情况。假设电脑满载稳定消耗功率300W,从测试结果就可得知,此刻海盗船RM650x v2018的12V电压在12.038V,输出纹波在9.2mV,风扇转速0RPM。

然而,电脑在实际使用中功耗值总是在不断地变化。比如CPU频率、负载发生瞬变,功耗从PL2瞬间跳变到PL3,保持10ms;比如在游戏中显卡的负载有高达2、300W甚至更高的瞬变,持续时间也在ms级别。

传统静态测试分析,都是不需要考虑功率动态变化的,然而实际受到电路补偿特性、线路阻抗、元件阻抗等因素的影响,电源的输出电压通常随着负载的增大而略有下降,当负载撤去,输出电压有一个回升的过程。

以下图分析,当负载从I/R-1瞬时跳变到I/R-2时(称为“负载瞬变”),电源的输出电压会从Vs-1下降到Vs-2,像是下了一层台阶。由于电源的响应速度有限,实际的电压会像上图一样存在一个过冲——回调的过程。这个过程中电压的变化幅度通常要高过电源的负载调整率所显示的电压变动幅度,也就是说,在负载从I/R-1上升到I/R-2的过程中,输出电压先是跌落到比Vs-2更低的电压Vpk1,然后逐渐回调直到稳定在Vs-2。

反之当负载从I/R-2下降到I/R-1时,输出电压会从Vs-2爬升到Vs-1,这个过程同样会出现一个高于Vs-1的上冲电压Vpk2。

我们需要做的就是确保电源在瞬变发生过程中不触发OPP关机、不重启、不发生故障,测量到Vpk1和Vpk2两个上下冲电压幅值,ATX12V规范中的DC Output Transient Test定义了动态测试中负载变化率是从50Hz到10kHz,电压输出的偏离允许值为±5%,目前F站只对瞬变幅度大、变化率高的12V进行测试,±5%对12V来说就是不能超出±600mV的范围。

同时,我们还需要测量电压从负载发生瞬变到电压稳定下来所消耗的时间Tr1和Tr2,我们称之为电压恢复时间(也称电压重建时间),这一个参数直接反映了电源的动态性能。Intel规范对此参数并无要求。

 

基于实际的CPU、显卡需求,F站第一阶段的动态测试设置为:

12V2:从1A↔9A,Step Size 8A,Rise rate 1A/μS,相当于ATX12V 2.52中定义的CPU持续传输电流和峰值电流的平均差;

12V3:从1A↔13A,Step Size 12A,Rise rate 1A/μS,相当于一张150W的显卡从满负荷到空载来回跳变抽搐

12V2和12V3同步拉载,模拟CPU和显卡同时运行,测试负载变化率分为10Hz、50Hz、100Hz、1kHz、10kHz等5个档。目前以测50Hz、100Hz做为主要性能区分,1kHz、10kHz不强调,若有电压上下冲幅值超标或者波形混乱再单独提出。

以下是案例:

海盗船RM650x v2018动态测试情况:

100Hz

Tr1:2.5ms,Vpk1:-168mV;

Tr2:2.5ms,Vpk2:252mV;

海盗船RM650x v2018的12V原配电源线材内置了电容,默认使用原配线材进行测试,动态测试中电源没有关机或者重启,12V电压值没有超出±5%,平均电压恢复时间在2.5ms,在现有的数据中属于中等偏慢。

目前动态项目暂时不进行评级。

动态测试第二阶段Beta Test中。

 

以上即为本站的电源测试装备和电源测试方法V1.1。制定行业游戏规则的Intel不时会更新规范,所以在后续我也会根据行业的发展趋势及用户需求不断更新测试装备,改进测试方法。

 

Changelog:

2018-11-24

– 新增英文版本1.1。

2018-11-09

– 新增英文版本1.0。

1.1版,2018-11-08:

 – 4-5. 欧洲ErP Lot 6 2013则要求5Vsb在45mA输出下效率必须高于45%

– 加入 4-9. 动态测试 Dynamic Test。

– 4-8. 浪涌电流测试输入电压为264Vac。