Por que as quedas de energia são tão prejudiciais?

Question

Eu estava lendo A proteção contra surtos é realmente necessária? e bem, eu gostaria para saber por que brownouts são tão prejudiciais. A explicação dada é que "os capacitores ficam acima de sua tensão nominal". Mas isso não faz sentido se a energia que entra na fonte de alimentação for menor que a voltagem usual. O que acontece com um PSU em um brownout para danificá-lo?

Existe alguma proteção embutida nas modernas PSUs para evitar tais danos? Existe alguma maneira de proteger o computador em condições de paralisação além de usar um no-break?

    

Answer 1

Uma queda de energia é uma condição de subtensão, quando o suprimento de CA cai abaixo do valor nominal em cerca de 10% (significado nominal 110-120 ou 220-240 na maioria dos lugares). Assim, nos EUA, uma queda de energia pode ser definida como a tensão CA caindo abaixo de 99V. A especificação Intel para fontes de alimentação ATX especifica que as tensões entre 90 e 135 e 180 e 265 devem permitir a operação correta da fonte de alimentação ( seção 3.1 ), de modo que a fonte de alimentação ainda funcionará normalmente mesmo quando ocorrer uma queda de energia perceptível.

Algumas pessoas também incluem quedas de energia muito breves (menos de 30mS, ou cerca de 2 ciclos AC), como quedas acesas, pois as lâmpadas incandescentes aparecerão brevemente, mas visivelmente, escurecendo durante esse tempo, semelhante a uma condição de subtensão real.

Em ambos os casos, a Intel os define como condições de subtensão e discute quais requisitos uma fonte de alimentação ATX deve seguir sob tais condições na seção 3.1.3 de Guia de design da fonte de alimentação ATX12V da Intel

The power supply shall contain protection circuitry such that the application of an input voltage below the minimum specified in Section 3.1, Table 1, shall not cause damage to the power supply.

Normalmente fontes de alimentação têm uma seção de entrada composta de um monte de circuitos interessantes que, no final do dia, fornece cerca de 308 VAC para um transformador, que então alimenta o circuito de regulação e condicionamento. Este circuito na verdade forma a base principal do circuito de regulagem, e se você estiver usando menos do que a potência total da fonte de alimentação pode ser capaz de gerenciar com condições significativas de subtensão sem cair da regulação no lado da saída.

Quando ocorre uma queda de energia, o fornecimento de energia tentará fornecer a corrente nominal pelo tempo que for possível (com base na tensão e corrente de entrada) e, se não puder manter a regulação, desativará o sinal Power Good indo para o placa-mãe. A placa-mãe é responsável por desativar o sinal power on indo para a fonte, e se isso acontecer a tempo, a fonte irá desligar toda a sua saída e desligar.

Se a placa-mãe não fizer isso, o suprimento de energia deve cair quando ela estiver muito fora de controle, mas isso não é garantido, e com fontes de alimentação de baixa qualidade você pode encontrar seus componentes e placa-mãe recebendo condições de subtensão bem .

O que acontece nesse ponto depende de quão robustos são esses componentes, mas geralmente não é bom que os componentes tentem operar na voltagem mais baixa. Tenha em mente que a fonte de alimentação sempre fornece uma subtensão na falta de energia por um breve período (deixar as saídas em 0 não é instantâneo), portanto períodos de subtensão muito curtos são bons. O problema só ocorre se a fonte de alimentação permanecer em um estado de subtensão por um longo período de tempo, o que só pode ocorrer se a fonte de alimentação e a placa-mãe falharem em perceber o problema e continuar a tentar operá-lo.

Lembre-se de que a especificação da Intel não é muito mais do que uma diretriz do setor e não há órgãos de certificação. Mesmo boas fontes de alimentação não estão sujeitas a nenhum acordo para seguir suas recomendações. Minha seção favorita é 3.1.5. Já vi muitas fontes de energia, caras e baratas, não conseguem manter essas recomendações!

Os efeitos específicos diferem dependendo do componente sendo discutido, o que é realmente uma discussão separada.

    

Answer 2

TORTA. P = IE. Potência = tempos atuais Voltagem. Portanto, se a tensão for menor em uma queda de energia, uma fonte de alimentação precisará extrair mais corrente da rede elétrica para manter a mesma energia. Assim, enquanto o estresse de voltagem é realmente menor durante uma queda de energia, o estresse de corrente para a fonte de alimentação aumenta para compensar.

Eis a resposta curta: Em uma queda de energia, as fontes de alimentação precisam extrair mais corrente para compensar a tensão de alimentação mais baixa, que é muito estressante para transistores, fios, diodos etc. menos eficiente, o que os torna ainda mais atuais, agravando o problema.

Esta é a resposta longa: A maioria dos PCs (se não todos) usa fontes de alimentação chaveadas. Se todos os elementos da fonte (os transistores, transformadores, capacitores, diodos, etc.) fossem completamente ideais, uma fonte poderia receber qualquer voltagem de entrada e produzir a energia desejada na voltagem desejada (contanto que houvesse corrente suficiente no entrada para manter P = IE).

Mas esses elementos estão longe de ser ideais, então todas as fontes de alimentação do mundo real são projetadas para operar dentro de uma determinada faixa, digamos de 80 a 240V. Mesmo dentro do intervalo para o qual foram projetados, a eficiência (a porcentagem de energia na saída da fonte em comparação com a energia necessária na entrada) tende a diminuir à medida que a tensão de entrada diminui. A Anandtech tem um bom exemplo do gráfico . O eixo X é a potência na saída da fonte (a carga) e o eixo Y é a eficiência. Portanto, esta oferta é mais eficiente em cerca de 300W.

Para uma entrada de 120V, é cerca de 85% eficiente, por isso atrai 300W / 0,85 = 353W da parede para chegar a 300W na saída. O "ausente" de 53W é dissipado no circuito da fonte de alimentação (é por isso que seus PCs têm ventiladores - é como se sua fonte de alimentação tivesse uma lâmpada de 50W em uma caixinha e precisasse tirar o calor). Como P = IE, podemos calcular a corrente necessária a partir do plugue de parede para produzir uma saída de 300 W de 120 V: I = P / E = 353W / 120V = 2,9A. (Eu estou ignorando o fator de energia para manter esta explicação simples.)

Para uma entrada de 230V, a eficiência é de 87%, então puxa apenas 344W da parede, o que é legal. Como a tensão é muito maior, a corrente é muito menor: 344W / 230V = 1,5A.

Mas em uma condição de 90V, a eficiência é ainda pior que a de 120V: 83,5%. Então agora a fonte está puxando 300W / 0.835 = 359W da parede. E está puxando ainda mais corrente: 359W / 90V = 4A!

Agora, isso provavelmente não estressaria muito essa fonte de energia, já que ela está avaliada em 650W. Então, vamos dar uma olhada rápida no que acontece em 650W. Para 120V, é 82% eficiente - > 793W e 6.6A da parede. Mas a eficiência é ainda pior em altas cargas, então, para 90V, vemos 78,5% de eficiência, o que significa 828W e 9,2A! Mesmo que a eficiência permanecesse em 78,5%, se a queda de energia fosse de 80V, seria necessário puxar 10,3A. Isso é muita corrente; as coisas começam a derreter se não forem projetadas para esse tipo de corrente.

É por isso que as quedas de energia são ruins para fontes de alimentação. Eles precisam extrair mais corrente para compensar a menor tensão de alimentação, o que é muito estressante para os transistores, fios, diodos, etc. Eles também se tornam menos eficientes, o que os torna ainda mais atuais, agravando o problema.

Exemplo de bônus: Aqui está uma explicação rápida de por que as fontes de alimentação ficam menos eficientes à medida que a tensão de alimentação diminui. Todos os componentes eletrônicos (transistores, transformadores, até mesmo os traços na placa de circuito impresso) têm algum tipo de resistência equivalente. Quando um transistor de potência é ligado, ele tem uma "resistência", digamos 0,05 ohms. Então, quando 3A de corrente flui através desse transistor, ele vê 3A * 0,05ohms = 0,15V através de suas derivações. Que 0,15V * 3A = 0,45W de energia que está sendo dissipada naquele transistor. Isso é desperdício de energia - é o calor na fonte de alimentação, não a energia para a carga. Esse é o nosso cenário de 300W, cenário de 120V.

No cenário de 90V brownout 300W, o transistor tem a mesma resistência de 0,05ohm, mas agora há 4A de corrente passando por ele, então cai 4A * 0,05ohms = 0,2V através de suas derivações. Que 0,2V * 4A = 0,8W de energia que está sendo dissipada naquele transistor. Assim, cada dispositivo (e há muitos deles) na fonte de alimentação que possui uma queda de resistência / tensão, gerará mais calor (energia desperdiçada) quando a tensão de alimentação cair. Portanto, em geral e dentro da razão, tensões mais altas proporcionam maior eficiência.