Perché i brownout sono così dannosi?

Stavo leggendo È davvero necessaria la protezione da sovratensioni? e bene vorrei sapere perché i brownout sono così dannosi. La spiegazione fornita è "i condensatori superano la loro tensione nominale", ma ciò non ha senso se la potenza che arriva nell'alimentatore è inferiore alla normale tensione. Cosa succede a un alimentatore in un brownout per danneggiarlo?

Esiste una protezione integrata nelle moderne PSU per prevenire tali danni? Esiste un modo per proteggere il computer in condizioni di brownout diverso dall'uso di un UPS?

Un brownout è una condizione di sottotensione, quando l'alimentazione CA scende al di sotto del valore nominale di circa il 10% (significato nominale 110-120 o 220-240 nella maggior parte dei luoghi). Quindi negli Stati Uniti un brownout potrebbe essere definito come la tensione CA che scende al di sotto di 99 V. La specifica Intel per gli alimentatori ATX specifica che tensioni tra 90 e 135 e 180 e 265 dovrebbero consentire il corretto funzionamento dell'alimentatore ( sezione 3.1 ), quindi l'alimentatore continuerà a funzionare normalmente anche quando si verifica un notevole brownout.

Alcune persone includono anche interruzioni di corrente molto brevi (sotto i 30mS, o circa 2 cicli CA) come brownout, poiché le lampadine a incandescenza si attenueranno brevemente, ma visibilmente, durante quel periodo in modo simile a una reale condizione di sottotensione.

In entrambi i casi, Intel li definisce come condizioni di minima tensione e discute quali requisiti deve soddisfare un alimentatore ATX in tali condizioni nella sezione 3.1.3 della Guida alla progettazione dell'alimentatore ATX12V di Intel

L'alimentatore deve contenere circuiti di protezione in modo tale che l'applicazione di una tensione di ingresso inferiore al minimo specificato nella Sezione 3.1, Tabella 1, non provochi danni all'alimentatore.

Tipicamente gli alimentatori hanno una sezione di ingresso composta da un gruppo di circuiti interessanti che, alla fine della giornata, forniscono circa 308 V CA a un trasformatore, che quindi alimenta i circuiti di regolazione e condizionamento. Questo circuito in realtà costituisce la base principale del circuito di regolazione e, se si utilizza meno della potenza totale dell'alimentatore, è possibile gestire condizioni di sottotensione significative senza uscire dalla regolazione sul lato di uscita.

Quando si verifica un brownout, l'alimentatore tenterà di fornire la corrente nominale il più a lungo possibile (in base alla tensione e alla corrente in ingresso) e se non è in grado di mantenere la regolazione, il Power Goodsegnale verrà inviato alla scheda madre. La scheda madre è responsabile della disattivazione del power onsegnale che va alla fornitura e, se lo fa in tempo, la fornitura lascerà cadere tutta la sua uscita e si spegnerà.

Se la scheda madre non riesce a farlo, l'alimentatore dovrebbe far cadere le sue guide quando cade troppo al di fuori della regolamentazione, ma ciò non è garantito, e con alimentatori di bassa qualità potresti trovare anche i componenti e la scheda madre che ricevono condizioni di sottotensione.

Ciò che accade a quel punto dipende dalla robustezza di tali componenti, ma generalmente non è una buona cosa poiché i componenti tentano di funzionare a una tensione inferiore. Tenere presente che l'alimentatore fornisce sempre una sottotensione allo spegnimento per un breve periodo (abbassando le uscite su 0 non è istantaneo), quindi i periodi di sottotensione molto brevi vanno bene. Il problema si verifica solo se l'alimentatore rimane in uno stato di sottotensione per un lungo periodo di tempo, che può verificarsi solo se sia l'alimentatore che la scheda madre non riescono a realizzare il problema e continuano a tentare di funzionare.

Tieni presente che le specifiche Intel non sono molto più di una linea guida del settore e non esistono organismi di certificazione. Anche buoni alimentatori non sono vincolati da alcun accordo a seguire le sue raccomandazioni. La mia sezione preferita è 3.1.5. Ho visto molti alimentatori, sia costosi che economici, non riuscire a mantenere quei consigli!

Gli effetti specifici differiscono a seconda del componente in discussione, che è in realtà una discussione separata.

TORTA. P = IE. Potenza = Tempi attuali Tensione. Quindi, se la tensione è più bassa in un brownout, un alimentatore deve prelevare più corrente dalla rete per mantenere la stessa potenza. Quindi, mentre lo stress di tensione è effettivamente più basso durante un brownout, lo stress corrente all'alimentatore aumenta per compensare.

Ecco la risposta breve: in un brownout, gli alimentatori devono assorbire più corrente per compensare la tensione di alimentazione inferiore, che è molto stressante per transistor, fili, diodi, ecc. Inoltre diventano meno efficienti, il che li rende assorbire ancora più corrente , aggravando il problema.

Ecco la risposta lunga: la maggior parte dei PC (se non tutti) utilizzano alimentatori a commutazione. Se tutti gli elementi dell'alimentazione (transistor, trasformatori, condensatori, diodi, ecc.) Fossero completamente ideali, un'alimentazione potrebbe prendere qualsiasi tensione di ingresso e produrre la potenza desiderata alla tensione desiderata (purché ci fosse abbastanza corrente alla input per mantenere P = IE).

Ma quegli elementi sono tutt'altro che ideali, quindi tutti gli alimentatori del mondo reale sono progettati per funzionare all'interno di un certo intervallo, per esempio da 80 a 240 V. Anche all'interno della gamma per cui sono progettati, l'efficienza (la percentuale di potenza all'uscita dell'alimentazione rispetto alla potenza necessaria all'ingresso) tende a ridursi man mano che la tensione in ingresso si abbassa. Anandtech ha un buon esempio di grafico . L'asse X è la potenza all'uscita dell'alimentazione (il carico) e l'asse Y è l'efficienza. Quindi questa fornitura è più efficiente a circa 300 W.

Per un ingresso a 120 V, è efficiente all'85% circa, quindi assorbe circa 300 W / 0,85 = 353 W dalla parete per ottenere 300 W in uscita. I 53W "mancanti" sono dissipati nei circuiti di alimentazione (ecco perché i tuoi PC hanno ventole - è come se il tuo alimentatore abbia una lampadina da 50 W in una piccola scatola e abbia bisogno di scaldare). Poiché P = IE, possiamo calcolare la corrente necessaria dalla presa a muro per produrre 300 W di uscita da 120 V: I = P / E = 353 W / 120 V = 2,9 A. (Sto ignorando il fattore di potenza per mantenere semplice questa spiegazione.)

Per un ingresso a 230 V, l'efficienza è dell'87%, quindi estrae solo 344 W dalla parete, il che è bello. Poiché la tensione è molto più elevata, l'assorbimento di corrente è molto più basso: 344 W / 230 V = 1,5 A.

Ma in una condizione di esaurimento a 90 V, l'efficienza è persino peggiore rispetto a 120 V: 83,5%. Quindi ora la fornitura sta tirando 300 W / 0,835 = 359 W dalla parete. E sta tirando ancora più corrente: 359 W / 90 V = 4 A!

Ora questo probabilmente non stresserebbe molto questo alimentatore poiché è valutato a 650 W. Quindi diamo una rapida occhiata a ciò che accade a 650 W. Per 120 V, è efficiente all'82% -> 793 W e 6,6 A dalla parete. Ma l'efficienza è ancora peggiore con carichi elevati, quindi per 90 V vediamo un'efficienza del 78,5%, il che significa 828 W e 9,2 A! Anche se l'efficienza è rimasta al 78,5%, se il brownout è andato a 80 V, dovrebbe tirare 10,3 A. È molta corrente; le cose iniziano a sciogliersi se non sono progettate per quel tipo di corrente.

Ecco perché i brownout sono dannosi per gli alimentatori. Devono assorbire più corrente per compensare la tensione di alimentazione più bassa, che è molto stressante per transistor, fili, diodi, ecc. Inoltre diventano meno efficienti, il che li rende assorbire ancora più corrente, aggravando il problema.

Esempio di bonus: ecco una breve spiegazione del perché gli alimentatori diventano meno efficienti quando la tensione di alimentazione diminuisce. Tutti i componenti elettronici (transistor, trasformatori, anche le tracce sul circuito stampato) hanno una sorta di resistenza equivalente. Quando un transistor di potenza viene attivato, ha una "resistenza", diciamo 0,05 ohm. Quindi quando 3 A di corrente fluiscono attraverso quel transistor, vede 3 A * 0,05 ohm = 0,15 V attraverso i suoi conduttori. Quel 0.15V * 3A = 0.45W di potenza che ora viene dissipato in quel transistor. Questo è uno spreco di energia: è il calore nell'alimentatore, non l'energia del carico. Questo è il nostro scenario da 300 W, scenario da 120 V.

Nello scenario a 90 V da 300 W, il transistor ha lo stesso 0,05 ohm sulla resistenza, ma ora ci sono 4 A di corrente che lo attraversano, quindi scende 4 A * 0,05 ohm = 0,2 V attraverso i suoi conduttori. Quel 0,2 V * 4 A = 0,8 W di potenza che ora viene dissipata in quel transistor. Pertanto, ogni dispositivo (e ce ne sono molti) nell'alimentatore che presenta una caduta di resistenza / tensione su di esso genererà più calore (energia sprecata) quando la tensione di alimentazione diminuisce. Quindi, in generale e entro limiti ragionevoli, tensioni più elevate offrono maggiori efficienze.