Nossa Metodologia de Testes de Fontes de Alimentação
Por Gabriel Torres e Cássio Lima em 14 de fevereiro de 2008

Introdução

Nós fomos uns dos primeiros sites especializados em hardware a alertar aos usuários que a grande maioria dos testes de fontes de alimentação publicados na Internet em revistas ditas “especializadas” estavam errados. Se você quer entender o porque, leia nosso tutorial Porque 99% dos Testes de Fontes de Alimentação Estão Errados. Esta leitura é recomendada para entender porque adotamos a metodologia descrita neste artigo.

Em vez de fazermos como outros sites que postam testes irrelevantes nós decidimos adotar uma abordagem diferente em nosso site enquanto ainda não tínhamos o equipamento necessário para realizarmos verdadeiros testes de fontes de alimentação: nós desmontávamos completamente as fontes de alimentação e falavamos sobre a arquitetura usada e todos os componentes internos. Com isto nós podiamos ter uma idéia pelo menos em teoria se a fonte de alimentação poderia fornecer sua potência rotulada.

Nós finalmente compramos todos os equipamentos necessários para fazermos verdadeiros testes de fontes de alimentação e neste artigo explicaremos em detalhes como faremos nossos testes a partir de agora. Nós basicamente manteremos o formato atual – ou seja, continuaremos desmontando fontes e falando sobre sua arquitetura interna – adicionando os seguintes testes:

  • Teste de carga para ver se a fonte de alimentação é capaz de fornecer sua potência rotulada e se ela pode fornecer mais potência do que a rotulada;
  • Testes das proteções da fonte para ver se as proteções tais como sobre corrente, sobre potência e curto-circuito estão funcionando corretamente;
  • Teste de ruído elétrico para ver quão limpa está a tensão de cada saída da fonte de alimentação;
  • Teste de eficiência para ver a quantidade de energia que é desperdiçada pela fonte de alimentação;
  • Teste de estabilidade para ver se existe alguma flutuação de tensão na fonte de alimentação;
  • Medição de temperatura.

Nós explicaremos em detalhes cada um desses testes, a metodologia que estaremos usando com cada um deles, nosso critério para rotular se uma fonte é “boa” ou “ruim”, o equipamento que usaremos e ainda quais são os “pontos negativos” ou “problemas” da nossa metodologia – basicamente o que poderíamos fazer diferente para efetuarmos testes “perfeitos” (apesar de sabermos por experiência própria que mesmo se tivéssemos o melhor equipamento do mundo ainda assim algumas pessoas encontrariam alguma maneira de nos criticar).

A boa notícia é que como fontes de alimentação são componentes que têm uma vida dentro do mercado muito maior do que outros componentes internos do micro, tais como processador, placas de vídeo e placas-mãe, nós atualizaremos a maior quantidade possível de artigos “Primeiras Impressões” sobre fontes de alimentação já publicados, adicionando os testes acima citados de modo a transformá-los em testes completos, dando o nosso selo de produto recomendado, caso os produtos testados mereçam. Como ainda temos conosco várias fontes de alimentação que cobrimos no passado, será muito interessante comparar o que dissemos sobre a arquitetura interna da fonte com seu desempenho no mundo real.

A idéia deste artigo é ser uma referência para todos os testes de fontes de alimentação e, dessa forma, não precisarmos explicar novamente nossa metodologia a cada novo teste.

Testador de Carga

O coração do nossos testes é o testador de carga, também conhecido como ATE (Automatic Test Equipment ou, em português, Equipamento de Teste Automático), um SunMoon SM-268, que pode ser visto nas Figuras 1, 2 e 3. A função básica deste equipamento é extrair a potência máxima possível da fonte de alimentação testada, mas esta máquina faz muito mais do que isto, como explicaremos.


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Figura 1: SunMoon SM-268.


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Figura 2: SunMoon SM-268.


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Figura 3: SunMoon SM-268.

Este testador de carga nos permite programar cinco padrões diferentes de carga, chamado l1 a l5 (veja esses botões na Figura 3). Para cada padrão de carga nós podemos configurar a corrente que o testador extrairá de cada saída individual da fonte de alimentação (+12V, +5V, +5VSB, +3,3 V e -12 V, que na máquina são chamados VA até VF; VG e VH não são usadas – veja no visor da Figura 1).

Aqui é importante explicarmos algo antes que alguém fique confuso em relação a nossos testes. Este equipamento tem duas entradas separadas de +12 V, rotuladas como +12V1 e +12V2, que não necessariamente se referem aos múltiplos barramentos virtuais da fonte de alimentação (+12V1, +12V2, +12V3, etc). Todos os plugues que fornecem +12V (principalmente o conector de alimentação principal da placa-mãe, conectores de alimentação dos periféricos, conector de alimentação da placa de vídeo e conector EPS12V/ATX12V) são conectados na entrada +12V1 da máquina. A segunda entrada é conectada apenas ao segundo conector ESP12V/ATX12V disponível.

Ao testarmos fontes de alimentação com um único barramento não precisamos nos preocupar muito como iremos conectar todos os plugues. Nas fontes de alimentação com múltiplos barramentos, no entanto, nós precisamos pensar sobre a distribuição da carga, já que a máquina tem apenas duas entradas de +12V e a fonte de alimentação pode ter mais de dois barramentos de +12V. O que basicamente faremos é conectarmos o plugue EPS12V ou ATX12V que estiver conectado em um barramento individual na entrada +12V2 e todo o resto na entrada +12V1, colocando esta entrada para puxar mais corrente. Isto deverá funcionar bem já que a corrente seria dividida totalmente entre os vários conectores (segunda lei de Kirchoff).

Em testes de fontes de alimentação com múltiplos barramentos nós teremos que explicar como a fonte foi conectada ao testador de carga.

Portanto o primeiro passo é programar o testador de carga com a corrente (e conseqüentemente a potência, já que a potência é dada multiplicando a corrente pela tensão de cada saída) que nós queremos extrair de cada saída. Isto dependerá de cada fonte de alimentação, já que cada fonte tem suas próprias especificações.

Em nossa metodologia nós decidimos fazer sete testes de carga. Primeiro testaremos a fonte de alimentação com 20%, 40%, 60%, 80% e 100% da sua potência rotulada. Então nós tentaremos ver qual é a potência máxima que a fonte é capaz de fornecer, já que boas fontes de alimentação podem fornecer mais potência do que a rotulada. Todas as seis cargas serão extraídas da fonte imediatamente, o que significa que em nossa metodologia a fonte de alimentação tem de ser capaz de fornecer essas cargas logo em que for ligada.

Após isto nós faremos o teste final de carga, que é para determinar a potência máxima de pico que a fonte de alimentação pode fornecer mantendo as tensões estáveis em suas saídas. Aqui, diferentemente dos testes descritos anteriormente, nós começaremos com uma larga leve e então aumentaremos a potência que queremos extrair da fonte até atingirmos a potência máxima que ela pode fornecer mantendo as saídas dentro de suas especificações.

Vamos dar um exemplo para esclarecer. Suponhamos que estamos testando uma fonte de alimentação de 500 W. Nós conduziremos os testes completos com 20% da carga (100 W), 40% da carga (200 W), 60% da carga (300 W), 80% da carga (400 W) e 100% da carga (500 W). Então verificaremos qual é a potência máxima que esta fonte de alimentação pode fornecer assim que é ligada. Vamos dizer que para esta fonte nós achamos o valor de 510 W. Então nós tentaremos ver qual é a potência máxima de pico que esta fonte pode fornecer. Neste cenário nós começaremos com a primeira carga e aumentaremos a carga até 100% e daí aumentaremos as correntes (e conseqüentemente a potência) até encontrarmos o máximo que esta fonte pode fornecer mantendo suas saídas dentro de suas especificações. Vamos dizer que para esta fonte nós atingimos uma potência de pico de 580 W.

Em nossos testes vamos concentrar a carga na linha de 12 V, especialmente nas fontes de alta potência (acima de 500 W), de modo a refletir o uso típico de uma fonte de alimentação hoje, pois os conectores ATX12V e EPS12V e os conectores para placas de vídeo possuem somente alimentação de 12 V. Desta forma, em um PC de alto desempenho a maior parte da potência estará sendo puxada pelas saídas de 12 V.

Todos os nossos testes de carga serão conduzidos em uma temperatura ambiente entre 45°C e 50°C. Este é um aspecto muito importante de nossos testes. A capacidade dos semicondutores de fornecerem corrente (e conseqüentemente potência) diminui com a temperatura, um fenômeno em inglês chamado re-rating. Muitas fontes de alimentação são rotulada a 25°C, uma temperatura que é muito baixa e impossível de ser obtida dentro do computador. Por causa disto muitas fontes que são rotuladas a 25°C não conseguem fornecer a potência rotulada quando usada no mundo real. Nós falaremos mais sobre temperatura adiante.

Por causa da diferença entre nossa metodologia e a metodologia usada por alguns fabricantes caso uma dada fonte de alimentação não passe em nossos testes de carga isso não significa necessariamente que ela seja ruim. Por exemplo, se descobrirmos que uma dada fonte de alimentação de 600 W pode fornecer apenas 520 W, isto não significa necessariamente que esta fonte seja ruim; dependendo de outros fatores ela pode ser considerada um bom modelo de 520 W – desde que o usuário saiba que ele está comprando uma fonte que no mundo real fornece menos potência do que a rotulada. Claro que se a fonte está rotulada como 600 W e ela pode fornecer apenas 200 W então a história é completamente diferente...

O testador de carga testa muito mais coisas além de verificar se a fonte de alimentação pode fornecer sua potência rotulada. Ao pressionar um botão em seu painel nós podemos ver imediatamente se as tensões estão dentro da faixa correta, ou seja, se as saída estão estáveis. O equipamento não apenas mostra a tensão atual para cada saída, mas também mostra um alerta toda vez que alguma saída está fora da faixa programada.

Em nossos testes em vez de listarmos as tensões de cada saída durante cada teste de carga, nós simplesmente falaremos se a fonte de alimentação passou ou não no teste de estabilidade de tensão; se a fonte de alimentação falhar, então nós reportaremos os valores e falaremos sobre eles. Durante nossos testes nós usaremos uma margem de tolerância de 3% para cada saída, discriminada na tabela abaixo. Esta margem é menor que a tolerância padrão de 5% (ver segunda tabela abaixo), ou seja, estaremos usando uma tolerância menor do que o normal. Isso nos ajudará a qualificar a estabilidade da fonte: se todas as saídas estiverem dentro de uma margem de 3% da tensão nominal, isto significa que estamos diante de uma excelente fonte. Se elas estiverem acima de 3% mas abaixo de 5%, isso significa que a fonte é uma boa fonte, mas poderia ter uma estabilidade ainda melhor. E se estiver fora da margem de 5% estamos obviamente diante de uma fonte muito ruim, que pode inclusive danificar o seu equipamento.

Saída

Tensão Mínima (3%)

Tensão Máxima (3%)

+12 V

11,64 V

12,36 V

+5 V e +5VSB

4,85 V

5,15 V

+3,3 V

3,20 V

3,40 V

-12 V

-12,36 V

-11,64 V


Saída

Tensão Mínima (5%)

Tensão Máxima (5%)

+12 V

11,4 V

12,6 V

+5 V e +5VSB

4,75 V

5,25 V

+3,3 V

3,135 V

3,465 V

-12 V

-12,6 V

-11,4 V

Com o testador de carga nós podemos ainda testar algumas proteções da fonte de alimentação. Durante nossos testes nós automaticamente testamos duas delas: sobrecarga de corrente e sobrecarga de potência. O testador de carga também oferece testes de curto-circuito para as saídas de +12V e +5V simplesmente pressionando um botão. Claro que também testaremos este recurso.

Ruído Elétrico

As saídas da fonte de alimentação não são perfeitamente contínuas: há pequenas oscilações chamadas ripple e no topo dessas oscilações nós temos alguns picos, chamado ruído. Nós precisamos ver se o ripple e o ruído estão dentro das especificações: 120 mV para as saídas de 12 V e 50 mV para as saídas de 5 V e 3,3 V. Esses números são tensões de pico-a-pico. Isto é algo que os multímetros não detectam e esta é uma das muitas razões pelas quais testes baseados apenas em multímetros não são confiáveis. Para medir o ripple e o ruído nós usaremos um osciloscópio.

Como o ripple e o ruído não estão na faixa dos MHz nós podemos usar um osciloscópio barato baseado em PC e em nosso caso nós compramos um Stingray DS1M12 da USB Instruments. Este equipamento é simplesmente um conversor de analógico/digital com um programa que coleta os dados enviados pelo conversor e coloca os dados em gráfico na tela.


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Figura 4: Osciloscópio baseado em PC Stingray.

Nosso testador de carga tem um conector BNC para a instalação de um osciloscópio, permitindo-nos monitorar qualquer uma das saídas da fonte de alimentação (existe uma chave onde podemos escolher qual saída queremos monitorar). Durante nossos testes monitoraremos cada saída da fonte de alimentação para cada padrão de carga. Se elas estiverem dentro da faixa apropriada (120 mVpp para 12 V e 50 mVpp para 5V e 3,3V) nós falaremos apenas que a fonte de alimentação passou nos testes de ruído elétrico e ripple, mas se a fonte de alimentação falhar ou se o ruído estiver muito próximo do limite, nós então apresentaremos os valores e uma tela capturada do osciloscópio. Sempre que possível tentaremos discutir em detalhes como ficou o ruído com a fonte em sua carga máxima, pois é neste cenário que normalmente encontramos o maior nível de ruído.

Na Figura 5 você pode ver um exemplo da saída apresentada pelo osciloscópio Stingray. Aqui nós estávamos monitorando o ruído da saída de +12V de uma fonte de alimentação e como nós estávamos usando a escala 0,01V/div (ou seja, a distância entre cada linha horizontal representa 0,01 V ou 10 mV) a tensão de pico-a-pico está um mouco acima de 20 mV, bem abaixo do ruído máximo admissível – o que é excelente, diga-se de passagem. Para maior praticidade o programa diz de forma numérica a tensão de pico-a-pico, a tensão RMS e a freqüência do ruído (Figura 6).


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Figura 5: Saída do osciloscópio.


Figura 6: Medição dos dados pelo programa do osciloscópio.

Uma nota final. A especificação ATX12V diz que o ripple e o ruído devem ser medidos com um capacitor cerâmico de 0,1 µF e um capacitor eletrolítico de 10 µF presos na ponta de provas do osciloscópio. Nosso testador de carga tem esses capacitores atrás do seu painel, portanto nós não precisamos adicioná-los. Esta é outra vantagem de se ter um testador de carga profissional.

Teste de Eficiência

Para cada teste de carga nós mediremos a eficiência. Eficiência é a quantidade de energia que a fonte de alimentação gasta no processo de converter a corrente alternada em corrente contínua. Por exemplo, se uma dada fonte de alimentação está fornecendo 500 W em suas saídas mas está extraindo 650 W da rede elétrica, isto significa que a fonte de alimentação está desperdiçando 150 W. O problema com esta energia desperdiçada é que você está pagando por ela, apesar de ela não está sendo utilizada!

Neste exemplo, esta fonte de alimentação teria uma eficiência de 77% (500 W/650W). Boas fontes de alimentação têm uma eficiência de pelo menos 80%. Quando maior este número, melhor, já que menor será sua conta de energia.

Medir a eficiência é fácil. Para cada teste de carga nós sabemos a potência que a fonte de alimentação está fornecendo. A potência que está sendo extraída da rede elétrica nós medimos com um wattímetro digital da Brand Electronics (modelo 4-1850), mostrado na Figura 7.


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Figura 7: Wattímetro digital da Brand Electronics.

Como dissemos, a eficiência é dada pela seguinte fórmula:

Eficiência = potência de entrada / potência de saída

Temperatura

Como já explicamos, a temperatura é um aspecto muito importante em verdadeiros testes de fontes de alimentação, já que semicondutores perdem sua capacidade de fornecer corrente (e conseqüentemente potência) à medida que a temperatura aumenta.

Vários fabricantes de fontes de alimentação rotulam seus produtos a 25°C, que é uma temperatura irreal. Dentro do computador a temperatura é muito maior do que isto. Por isso nós conduziremos nossos testes com uma temperatura ambiente entre 45°C e 50°C.

Nós mediremos a temperatura com o auxílio de um termômetro digital com duas pontas de prova (modelo CompuNurse), mostrado na Figura 8.


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Figura 8: Termômetro digital com duas pontas de prova.

Infelizmente nós não temos uma câmara térmica (também conhecida como “incubadora” ), o que nos permitira configurar a temperatura exata em que queremos que a fonte de alimentação trabalhe. Por causa disto nós tivemos que criar nossa própria “caixa térmica” usando uma caixa de papelão (nós usamos a caixa de nosso receiver de home theater da Sony), como você pode ver na Figura 9. A idéia é usar o ar quente que sai do sistema exaustor do testador de carga para esquentar a fonte de alimentação.


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Figura 9: Nossa “caixa térmica”.

Nós sabemos que esta não é a melhor solução e podemos ser criticados por isto, mas nós achamos que isto é muito melhor do que testarmos a fonte de alimentação em uma temperatura ambiente de apenas 25°C, por exemplo. Francamente nós achamos que dizer a verdade é a maneira correta: poderíamos dizer que testamos a fonte de alimentação dentro de uma “caixa térmica” sem mostrar a vocês fotos ou dizer os detalhes, fazendo com que vocês pensassem que temos uma câmara térmica, enquanto na verdade estamos usando uma caixa de papelão.

O pessoal do SPCR fez algo similar, mas em vez de usarem uma caixa de papelão eles colocaram uma caixa de madeira com um formato parecido ao de um gabinete de computador. Uma idéia bacana.

Durante os nossos testes nós colocamos uma das pontas de prova do termômetro na parte superior da nossa “caixa térmica” e a outra na carcaça da fonte testada, como mostrado na Figura 10.


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Figura 10: Localização das pontas de prova do termômetro.

Perto da nossa caixa térmica nós mantemos um extintor de incêndio classe ABC de 2 Kg (não mostrado na foto) para qualquer eventualidade. Sabemos do risco de incêndio que estamos correndo ao usarmos uma caixa de papelão (caso alguma fonte pegue fogo, por exemplo) e este com certeza é o próximo ponto que tentaremos melhorar em nossa metodologia. Estamos no momento pesquisando outras alternativas (sugestões são bem-vindas).

Antes de nossos testes nós deixaremos a fonte de alimentação trabalhando até que a temperatura interna da caixa chegue a pelo menos 45°C. Na Figura 9 estávamos extraindo da fonte 550 W e a temperatura da fonte era de 46,9°C, enquanto que a temperatura dentro da caixa era de 41,9°C (aqui nós estávamos esperanto para que a temperatura dentro da caixa chegasse a 45°C para iniciarmos nossos testes). Nós podemos aumentar ou diminuir a temperatura dentro da caixa abrindo ou fechando-a.

Algumas pessoas podem argumentar que poderíamos instalar a fonte dentro de um gabinete. Na verdade esta não é uma boa opção por vários motivos. Primeiro, a comprimento dos cabos da fonte de alimentação não nos permite fazer isto. Segundo, nós precisaríamos manter o gabinete aberto para instalarmos os cabos da fonte de alimentação no testador de carga. Terceiro, nós precisaríamos ter um computador trabalhando dentro do gabinete de modo a gerar uma quantidade de calor compatível com o produzido por um micro real, e isto seria impossível de se obter já que precisaríamos de outra fonte de alimentação para alimentar o micro – e onde deveríamos instalá-la? Portanto nós precisaríamos manter o gabinete aberto para usar esta segunda fonte e como o gabinete está aberto, toda a idéia de usar o gabinete de um micro iria por água a baixo (nós precisaríamos do gabinete fechado para realmente simular um PC típico).

Na verdade mesmo usando uma câmara térmica nós enfrentaríamos alguns dos desafios expostos acima: o comprimento dos cabos da fonte e também precisaríamos abrir um buraco na câmara para passarmos os cabos da fonte para o testador de carga.

“Problemas” Conhecidos em Nossa Metodologia

Aqui estão algumas coisas que as pessoas podem criticar em nossa metodologia, mas mesmo com essas críticas nós estamos muito confiantes que estamos usando uma boa metodologia:

  • O uso de uma caixa de papelão como “caixa térmica” em vez de usarmos uma câmara térmica profissional para aumentar a temperatura ambiente. Nós achamos que nossa solução dá conta do recado, mas se você quiser nos doar uma câmara térmica fique à vontade. Como dissemos, estamos estudando outras soluções e sugestões são bem-vindas.
  • A distribuição de carga nas fontes de alimentação com múltiplos barramentos. Como mencionamos, nosso testador de carga tem apenas duas entradas de +12V e várias fontes de alimentação tem mais de dois barramentos de +12V. Você pode criticar a forma que decidimos distribuir a carga em tais casos, mas lembre-se que todo profissional tem sua própria opinião. Você tem todo o direito de ter a sua própria opinião sobre este assunto, mas isso não significa que a nossa metodologia seja falha. A coisa mais importante aqui é que sempre revelaremos como conectamos a fonte de alimentação ao nosso testador de carga e a configuração detalhada de cada teste de carga.
  • Nós não testaremos a fonte de alimentação instalada em um PC típico. Nós testaremos ela exclusivamente com nosso testador de carga. Nós achamos que esta é a melhor abordagem.
  • Nós não mediremos o nível de ruído acústico. Nós podemos postar comentários sobre o nível de ruído de uma fonte de alimentação dentro de um cenário um particular mas como se fôssemos um usuário comum, sem nenhuma metodologia cientifica (exemplo: “esta fonte de alimentação foi muito silenciosa mesmo quando forneceu sua capacidade máxima de potência”). Medir ruído acústico é muito complicado, especialmente quando nós temos outros itens gerando ruído perto do produto sendo testado, como o testador de carga.
  • Nós não estamos usando qualquer tipo de condicionador ou simulador de rede AC. Nós já vimos um site chegar ao extremo de simular picos em uma rede elétrica para ver como a fonte de alimentação reage. Nós achamos que isto já é demais.

A propósito se você quiser comparar nossa metodologia com a usada por outros sites, aqui está uma lista de suas metodologias:

Se você souber de qualquer outro site que usa um testador de carga para testar fontes de alimentação por favor nos avise para que possamos incluí-lo em nossa lista. Esta é pequena porque, como sempre dizemos, 99% dos testes de fontes de alimentação estão errados.

Originalmente em http://www.clubedohardware.com.br/artigos/1455

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