Dimensionamento - Como escolher uma fonte de alimentação

[Physics]

Olá, Clube do Hardware, tudo bem com vocês? Vim aqui trazer um artigo que fiz em colaboração com um colega da Shared Team, trazendo a revisão de um texto que havíamos produzido há um ano, agora melhor direcionado para ser um guia de escolha de fontes de alimentação.

 

Admiramos bastante os textos do Faller, que é uma enorme referência para nós e resolvemos trazer um texto mais atualizado, mostrando também o nosso ponto de vista e método de recomendação.

 

Diferente do que muitos fazem entender, o consumo dos computadores não é tão simples quanto o consumo de uma lâmpada. Durante o uso, ocorrem diversas variações porque a carga não é linear, você não simplesmente ligará o seu computador e utilizará a sua potência máxima.

 

Por conta disso, uma falácia frequentemente é comentada sobre fontes de alimentação: quanto maior a potência rotulada, maior o consumo.

 

Sabendo disso, chegamos a conclusão de que a recomendação envolve não apenas a configuração, mas também a forma de utilização.

 

Utilização básica, como: navegação, programas de escritório ou editores de textos não forçam o computador de forma significativa, ou seja, este não alcança um consumo elevado.

 

Utilização profissional, como: modelos tridimensionais, edição de vídeo ou programas de arquitetura forçam consideravelmente o computador, mais do que a utilização básica, muitas vezes exigindo o máximo dos componentes.

 

Há, no entanto, outro cenário usual, a utilização em jogos. Este tipo apresenta uma variação ainda mais irregular em comparação com outras aplicações, pois neste temos envolvidos o consumo da placa gráfica e do seu processador de formas variadas, onde a utilização destes componentes é imprevisível, com situações onde um é bastante exigido, enquanto o outro não, onde ambos são muito exigidos e onde nenhum é muito exigido.

 

Por tal motivo, costuma-se recomendar fontes de alimentação com base em picos de consumo. Neste ponto, é onde encontramos opiniões conflitantes. Uma dessas opiniões é a recomendação com base em picos, preventivamente. De certa forma, não é errado pensar assim, mas com tanto acesso à informação, podemos ser mais razoáveis. O maior problema que esse método nos traz é o seguinte, suponhamos que um consumidor tem um orçamento limitado para escolher uma unidade para a sua configuração de alto consumo e ele tem duas alternativas neste caso:

 

1. Escolher uma fonte de alta qualidade e potência menor.
2. Escolher uma fonte de qualidade média ou baixa e potência maior.

 

Não é muito difícil de se imaginar a escolha mais provável. Dessa forma, o usuário opta pela unidade mais potente, esperando melhores resultados, entretanto, isto nem sempre ocorre. Há diversas desvantagens em unidades mais baratas, com maior potência. Todas começam no interior:

 

• Topologias pouco eficientes.

 

Por exemplo, é comum ver fontes de alimentação de baixo custo utilizando a topologia double forward no estágio primário. Esta topologia, apesar de ser bastante moderna em comparação à topologia half-bridge, apresenta maior ruído eletromagnético audível, é menos eficiente e não apresenta filtragem de ripple ótima, em comparação com a topologia half-bridge & LLC resonant converter.

 

• Componentes de menor qualidade.

 

Por exemplo, é comum ver fontes de alimentação de baixo custo utilizando fans com mecanismos inferiores, que tendem a apresentar baixa durabilidade, MOSFETs que têm problemas de estabilidade com alta carga ou capacitores que tendem a apresentar muitas falhas. Esses componentes degradam-se mais rapidamente, o que afeta o fornecimento energético da fonte de alimentação.

 

• Fornecimento energético pouco estável.

 

Por exemplo, é comum ver fontes de alimentação de baixo custo apresentarem ripple elevado, quedas de tensão intensas, transient response ruim e proteções mal configuradas.

 

Outro ponto que não é levado em consideração é a potência máxima de saída na trilha principal, que depende da topologia de regulação de saída.

Por exemplo, temos uma fonte com group regulation no secundário, sendo este modelo rotulado a 450W e outro modelo, com as mesmas especificações, mas utilizando um DC-DC converter.

 

Ambas, logicamente, devem entregar 450W, mas não é exatamente assim que funciona. O primeiro modelo não é capaz de entregar toda a sua potência na trilha de 12V, portanto, para obter esses 450W, soma também a potência das trilhas de 5V e 3,3V. Enquanto isso, a outra unidade consegue entregar esses 450W em 12V, não precisando combinar a potência e ainda tendo tensões mais estáveis em cross-loads.

 

Parâmetros a serem considerados

 

Portanto, para fazer uma recomendação com base nesses parâmetros, deve-se obter uma relação entre a média e picos de consumo do sistema. Ademais, também deve se considerar se a qualidade do fornecimento energético é condizente à configuração.

 

Há fatores que se destacam para realizar recomendações:

 

• Funcionamento em overclock
• Consumo médio do sistema durante a utilização
• Potência entregue pela unidade e o seu fornecimento elétrico

 

Também há fatores que não se destacam para realizar recomendações:

 

• Melhorias futuras à longo prazo

 

Idealmente, considere o sistema atual para que você possa utilizar melhor a unidade. Futuramente, escolha um modelo condizente à configuração. A tendência do mercado é a redução de consumo, apesar de lançamentos recentes terem contrariado essa ideia.

 

• Superdimensionamento preventivo

 

A recomendação baseada em superdimensionamento de nada adianta. Você apenas estará perdendo o tempo que passou a pesquisar pelo consumo da configuração. Além disso, a sua unidade poderá operar em faixas de carga indesejáveis, por exemplo, onde poderá ocorrer um aquecimento por semi-passive modes (eco modes) configuradas indevidamente, operação menos eficiente em cargas baixas e a tendência à escolha de modelos de menor qualidade ao procurar por modelos de alta potência.

 

Operação da fonte de alimentação

 

É possível perceber que muitas recomendações têm como base a seguinte constatação:

 

Citação

As fontes de alimentação apresentam, com metade de sua carga, a sua maior faixa de eficiência. Portanto devemos recomendar uma unidade com o dobro da potência exigida.

 

No entanto, devemos considerar também que diferentes unidades têm diferentes faixas de eficiência. Esse argumento anterior é defendido com outro argumento:

 

Citação

Se recomendamos uma unidade com o dobro da potência exigida, ela também apresentará uma margem para operar sem sofrer com desligamentos, diferentemente de se realizar uma recomendação próxima ao limite da unidade.

 

É neste ponto em que divergimos entre o consumo em carga máxima e com os picos. O seu sistema não consumirá constantemente o mesmo que consome em carga máxima, há variações. Suponha a seguinte situação:

 

Você tem uma configuração em que a principal utilização são jogos (que como dito anteriormente). Em várias situações, o seu processador não é muito exigido ou sua placa de vídeo reduz o uso para resfriamento (ajuste automático de frequência). Aqui temos o primeiro consumo. Em outras situações o seu processador e sua placa de vídeo são exigidos ao máximo. Aqui temos o segundo consumo. Contabilize isso para obter um consumo médio. Observe que ele é consideravelmente menor do que o esperado.

 

Você ainda pode pensar que o consumo médio é uma coisa e que os picos acabarão com a sua configuração, mas acaba por se esquecer de uma importante característica elétrica.

 

O guia de desenvolvimento de fontes de alimentação, criado pela Intel, é o que as fabricantes devem seguir para projetar suas unidades. Nesse documento, temos as especificações de diversos requerimentos e neste verificamos claramente o seguinte ponto:

 

Citação

 

A fonte deve permanecer dentro dos limites especificados nesse documento em uma carga transiente com uma taxa de variação igual a um ampere por microssegundo com as seguintes cargas aplicadas:

 

12 volts: 40% (requerido) ou 70% (recomendado) da corrente de saída

5 volts: 30% (requerido) da corrente de saída

3,3 volts: 30% (requerido) da corrente de saída

 

A carga deve ser aplicada, simultaneamente, na mesma direção, nas trilhas de 12V, 5V e 3,3V. A velocidade do pico é medida entre 50Hz e 10Hz (20ms a 0,1ms). O teste deve ser realizado com a adição de capacitor de 3300µF ao final de cada trilha, simulando a capacitância fornecida pela placa-mãe.

 

 

Unidades de alta qualidade mantêm-se estáveis em situações como essa. Portanto, as recomendações não precisam ser exageradas apenas para manter os picos dentro do limite operacional especificado da unidade. É claro, existem situações diferentes, mas este princípio é especialmente interessante para reduzir a quantidade de recomendações exageradas.

 

Unidades de baixa qualidade não se dão muito bem com esses testes, pois estes requerem algo que unidades do tipo não têm: orçamento.

 

Para a melhoria dos resultados de transientes, precisa-se de um controlador com resposta mais rápida, maior frequência de operação e maior capacitância. Com isso, temos um custo elevado. Portanto, no caso dessas unidades, um dimensionamento elevado pode ser levado em consideração, pois além desse quesito, ainda temos:

 

• Load regulation
• Line regulation
• Ripple

 

Geralmente, unidades de baixo custo apresentam baixo desempenho nesses quesitos, procurando alcançar um custo acessível e exigem mais cuidado ao serem dimensionadas para a configuração.

 

Unidades que se saem mal nesses quesitos, são unidades as quais eu desconsidero em qualquer situação, pois tornam-se um desperdício por conta do dimensionamento necessário.

 

Sobre essas características elétricas, elas são extremamente importantes. Quanto mais elevadas forem as oscilações em corrente contínua, maior é o aquecimento dos capacitores dos seus componentes e menos eles duram, mais instáveis se tornam as frequências operacionais e perde-se confiabilidade.

 

Unidades com capacitores de filtragem de baixa qualidade perdem sua eficácia em um período curto, intensificando ainda mais essas oscilações, podendo trazer danos ao sistema.

 

O mesmo também vale para a instabilidade da tensão de saída. Caso a tensão esteja muito elevada, pode ocasionar a queima de alguns componentes. Se estiver elevada, exige maior corrente, o que aumenta a temperatura e reduz a durabilidade.

 

Segundo Jon Gerow, diretor de engenharia de fontes de alimentação da Corsair, suas unidades são testadas de uma forma bem interessante.

 

Apesar da empresa não fabricar as fontes de alimentação, eles simulam a durabilidade das unidades em um determinado período, para atribuir a garantia. Assim eles têm um maior controle sobre ela. Conforme o que ele disse, as unidades devem durar, sendo utilizadas ininterruptamente, em sua potência máxima especificada, pelo tempo da garantia, dentro das especificações. Isso deveria ser seguido por todas as empresas, mas muitas empresas optam por baratear os seus produtos utilizando manobras que, por muitas vezes, agregam menor qualidade, fazendo com que as unidades não durem tanto quanto no exemplo dado acima. Por isso, diversos fabricantes costumam fazer recomendações superdimensionadas de suas unidades, para que durem mais ou não agridam os componentes dos seus consumidores.

 

No caso de alguma unidade ter problemas de produção ou erros que causem problemas aos sistemas dos usuários ao ser utilizada desta forma, a empresa deve alertar ao público.

 

Consumo dos componentes

 

Para finalizar, como recomendação para calcular o consumo dos seus componentes, o principal é que você utilize análises, verificando testes práticos com medições apuradas. Para consumo de placas de vídeo, eu recomendo que você procure testadores que fazem uso do programa Powenetics da Cybenetics Labs que é extremamente apurado e bastante interessante.

 

Existem diversos sites que calculam a potência dos componentes, mas eles não são apurados, mesmo assim, servem de base em algumas ocasiões. Costumo utilizar a calculadora da Outervision.

 

Reitero que não é muito apurada, mas é útil ao consumidor. Recomendo que quando for utilizá-lo, considerem, ao invés da potência recomendada, a potência exibida na tabela de distribuição de corrente e verifiquem isso no rótulo da fonte de alimentação também.

 

Observação: esse texto expressa a opinião do autor. É embasado em observações realizadas durante um longo período. Este é sujeito a erros e discrepâncias, apesar de ser direcionado à auxiliar a comunidade.

[GuilhermeGB]

Muito bem escrito, creio que servirá para dar uma luz para muitas pessoas com dúvidas na hora de escolher uma fonte.

[Physics]

Aliás, foi excluída a seção que fala sobre componentes, porque eu vou dedicar outro tópico para ela, pois senão esse aqui ficaria muito extenso.

[GuilhermeGr]

Sempre bom absorver conhecimento, gostei muito do conteúdo detalhado amigo muito agradecido.

[KairanD]

@Phynsx Obrigado por compartilhar seu conhecimento conosco e parabéns pelo trabalho! É um grande prazer ler algo tão bem elaborado.

 

Manterei este tópico em nossa lista de destaque:

[Physics]

Este artigo está sendo reescrito em parceria com a equipe Shared Team e será republicado assim que for concluído.

 

O motivo da reescrita do texto se deve ao padrão de consumo das novas placas gráficas de arquitetura Ampere e Ada Lovelace, assim como a nova revisão do Intel Power Supply Design Guide, incluindo novos requerimentos relativos aos testes em carga dinâmica (especificados no Intel Power Supply Test Plan).

[Physics]

Direcionamento para o tópico revisado: