Enermax Revolution 87+ 550W in einem vergleichenden Kurztest
Von Reinhard Szalghary.
Gliederung
1 Allgemeines zu PC-Netzteil-Tests
Unter allen Komponenten, die in modernen PCs eingesetzt werden, gibt es nirgends so große Qualitätsunterschiede wie bei Netzteilen. Und gleichzeitig sind bei keiner anderen Komponente qualifizierte Tests derart aufwändig.
Die Messung der Ausgangsspannungen eines PC-Netzteils bei Aufschaltung definierter Lasten ergibt alleine noch keinen besonders aussagekräftigen Test. Moderne CPUs und GPUs haben sowohl einen hohen Leistungsbedarf unter voller Last, als auch effektive Energiesparmechanismen. Zwischen diesen Leistungsprofilen können sie schnell umschalten. Ein PC-Netzteil muss wechselnde Lastsituationen ausregeln und darf dabei auch nicht kurzzeitig den Toleranzbereich der Spannungen verletzen.
Einige Tester verwenden günstige (~ 2000–5000$) automatische PC-Netzteil-Testsysteme (ATE) aus Taiwan (Sunmoon, Fast Auto, TechRed), andere nutzen die teuren Testsysteme (Chroma) der Labore von Netzteil-Distributoren oder -herstellern. Der letzte Ansatz bietet theoretisch die meisten Möglichkeiten, erfordert aber auch, dass sich die Tester gründlich mit dem Testsystem vertraut machen, dieses frei konfigurieren und ausnutzen können.
1.1 Netzteil-Technik
Effiziente Netzteile arbeiten heute meist nach dem Prinzip des LLC-Resonanzwandlers. Hierbei wird ein LC-Serien-Schwingkreis mit dem Transformator in Reihe geschaltet. Die Ansteuerung erfolgt nahe der Resonanzfrequenz. Somit fliessen Sinus-ähnliche Ströme, welche verlustarm bei Spannungsnulldurchgängen geschaltet werden können (Zero-Voltage-Switching). Als Nebeneffekt werden auch hochfrequente Spikes und Störstrahlung minimiert, wodurch die sekundärseitigen Entstördrosseln kleiner ausfallen oder ganz entfallen können. Die Lastregelung ist aber nur in gewissen Grenzen über eine Anpassung der Schaltfrequenz möglich. Bei geringer Last wird die Effizienz zunehmend schlechter und schließlich versagt die Regelung. Nun muss der Regler in einen anderen Modus wechseln und beispielsweise die Pulsweite anpassen.
Wir haben damit heute einerseits Hardwarekomponenten mit immer aggressiver arbeitenden Stromsparmechanismen und gleichzeitig Netzteile, für welche die Anpassung an plötzliche Lastschwankungen eine große Herausforderung darstellt.
1.2 Technische Standards und Anforderungen
Die technischen Anforderungen an PC-Netzteile spezifiziert der Intel „Power Supply Design Guide“. Dessen Vorgaben sind als Mindestanforderungen zu verstehen, die in einigen Bereichen von der Praxis überholt wurden. Auch im Interesse der Zukunftssicherheit ist es vorteilhaft, diese Vorgaben zu übertreffen. So wurde 2013 mit ATX12V 2.4 für den "Deep stand by mode"-C6/C7 der Haswell-CPUs der CPU-Mindestlaststrom (12V2) von 0.5 auf 0.05A abgesenkt, was nicht alle älteren Netzteile stabil beherrschten. Intel kümmert sich als CPU-Hersteller hier auch nicht weiter um die Anforderungen für Grafikkarten.
Für die Stromversorgung stehen allen PCI-Express-Erweiterungskarten 12V und 3.3V (max. 3A) zur Verfügung. Ein x1 Slot kann 10W bereitstellen, x4/x8 Slot 25W und ein x16 Slot 75W. Alle Laufwerke in einem PC werden aus 12V und 5V versorgt, vorgesehen aber (noch?) ungenutzt sind auch 3.3V.
Die PCI Express Workgroup spezifizierte 12V-Stromversorgungsstecker (2x3-polige: "150W Graphics Spec 1.0", 2x4 polig: "225 W/300 W High Power Card Specification 1.0"), die zusätzliche Leistung bereitstellen. Die Spannungswandler der Grafikkarten müssen dann selbst für eine entsprechende Lastverteilung der einzelnen Spannungsquellen sorgen.
Silentpcreview hatte die reale Lastverteilung auf den einzelnen PC-Versorungsleitungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass heute die 12V-Schiene die Hauptlast trägt und für CPU und GPU alleine verantwortlich ist. Damit wird auch nur diese Schiene hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt, während die 5V und 3.3V Schienen nur eine weniger schwankende Grundlast für einige On-Board-Komponenten, Erweiterungskarten und Laufwerke tragen.
1.3 Ausgewählte Netzteil-Anforderungen
Gemäß Intels Spezifikationen wird in bezug auf die Spannungsregulation die Einhaltung von 5% Toleranzen gefordert - mit Ausnahme der jetzt optionalen -12V-Schiene, die 10% abweichen darf. Das Netzteil muss auch mit kapazitiven Lasten von 10mF an jeder positiven Ausgangsspannung stabil arbeiten. In bezug auf das dynamische Lastregelverhalten (Output Transient Response) wird ein gleichzeitiger und zügiger (1A/µs, d.h. ~20µs Anstiegszeit) Belastungsimpuls auf eine Höhe von 40%, 60%, 30%, 30% des Maximalstroms von 12V1 (Mainboard), 12V2 (CPU), 5V und 3.3V vorgesehen, bei dem die Toleranzen ebenfalls nicht verletzt werden dürfen.
„Ripple“ bezeichnet periodische und „noise“ zufällige Schwankungen der Ausgangsspannungen. Niederfrequenter Ripple geht auf Wechselanteile der Eingangsnetzspannung zurück, hochfrequenter auf die Schaltfrequenz. Gemäß Spezifikation dürfen die Ripple- und Noisespannungen dabei maximal 120mVpp (pp: peak-to-peak) für die +/-12V-Schienen und 50mVpp für die Übrigen betragen - gemessen in einem Frequenzbereich von 10Hz bis 20MHz. Gute Netzteile unterschreiten diese Werte erfahrungsgemäß deutlich.
Ein hoher Ripple auf den Ausgangsspannungen kann zu einer verminderten Lebenserwartung von (Elektrolyt-) Kondensatoren auf den PC-Komponenten führen oder die Stabilität eines übertakteten Systems gefährden.
1.4 Abgeleitete Folgerungen für den Netzteil-Test
Es werden präzise, programmier- oder einstellbare elektronische Lasten benötigt, welche eine schnelle Umschaltung zwischen verschiedenen Lastprofilen erlauben. So kann auch das dynamische Lastverhalten und die Stabilität untersucht werden. Ein gleichzeitiges Monitoring aller Spannungen ermöglicht eine Berechnung der tatsächlichen Ausgangsleistung. Die Erfassung von Ripple- und Noise-Spannungen muss sehr breitbandig erfolgen.
2 Die Netzteil-Testschaltung
Um auch technische Aspekte wie das Lastregelverhalten, welches in vielen Reviews nicht (genau) berücksichtigt wird, testen zu können, wurde eine Testschaltung entwickelt. Diese umfasst eine Lastschaltung, eine Mess- und A/D-Wandlerschaltung und ein Mikrocontollersystem.
Die Lastschaltung enthält einen NE555 basierenden Impulsgeber, dessen High- und Low-Zykluszeiten getrennt einstellbar sind. Dieser Impulsgeber schaltet OPV-geregelte Stromquellen permanent zwischen hohen und niedrigen Lastströmen an 12V2 (CPU) um, welche getrennt einstellbar sind. Die Stromquellen sind gegenwärtig mit bipolaren Transistoren realisiert, die bis 2x100W (2x8A) belastet werden können. Für höhere Belastungen wären mehr Lastkanäle und der Einsatz von IGBTs notwendig. Die anderen Spannungsschienen werden bisher mit Festwiderständen belastet.
Für die automatisierte Messung und Protokollierung wird ein „Raspberry Pi2“ als Zielsystem eingesetzt. Es verwendet ein BCM2835 System-On-a-Chip, das neben einem klassischen ARM Prozessor-Core verschiedene Funktionseinheiten (Video Core, SDRAM, GPIO) enthält. Seine GPIO-Pins (General Purpose Input/Output) werden auf einer zweireihigen 26-pin Pfostenleiste mit 17 digitalen I/O Pins nach Außen geführt. Einige Pins besitzen eine alternative Funktion, dazu gehört das hier verwendete schnelle SPI-Interface mit 2 Adressleitungen [CS].
Zum „gleichzeitigen“ Messen der Ausgangsspannungen wird der kostengünstige 4-Kanal 12-Bit A/D-Wandler MCP3204 eingesetzt. Er arbeitet nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation und sendet sehr zeiteffektiv synchron zu einem laufenden Wandlungsvorgang die bereits festliegenden höherwertigen Bits seriell über den SPI-Bus.
40KHz Eingangstiefpassfilter schwächen transiente Spannungsspitzen (Spikes) ab. Multi-Turn Trimmer erlauben eine exakte Anpassung an die Eingangspegel entsprechend der softwareseitigen Skalierung. Eine TL431 Spannungsreferenz stellt die angestrebte Genauigkeit unter allen Temperatur- und Lastzuständen sicher.
Für die Ansteuerung der SPI Schnittstelle und der GPIO-PINs unter C erwiesen sich die Linux Systemtreiber als nicht performant genug. Verwendet wurde daher die BCM2835 Bibliothek von Mike McCauley. Der MCP3204 wird bei 3.3V mit einem SPI-Takt von 2MHz betrieben, was 80 KS/s [80000 Messwerte pro Sekunde] erlaubte. Mit höheren SPI-Takten werden die Messergebnisse zunehmend ungenauer. Der Impulsgeber der Lastschaltung wurde auf 500Hz mit einem Tastverhältnis von 1:4 (hoher : niedriger Strom) eingestellt.
Das erstellte Testprogramm initiiert und protokolliert zunächst einen An-/Abschaltvorgang des Netzteils und überwacht dann die Spannungen im eingeschalteten Zustand. Interessante Spannungsverläufe werden in Log-Dateien im CSV-Format protokolliert. Ein separat implementierter Web-Server ermöglicht die Übertragung der Logdateien über das Netzwerk mittels HTTP-GET Befehl. Die Logdateien werden mit der auf numerische Berechnungen spezialisierten Software Matlab auf einem PC ausgewertet und veranschaulicht.
2.1 Lasttest
Für den dynamischen Lasttest wurde eine PC-ähnliche Last konfiguriert. Die Laständerungen entsprechen einer stark übertakteten CPU oder einer Mittelklasse-GPU. Diese Lasten sollten 550W-Netzteile souverän handhaben können ohne auch nur in die Nähe der Toleranzgrenzen zu gelangen.
Min-Last: 37W
Für die Betrachtung von Ripple und Noise auf den Ausgangsspannungen mit einem 100MHz-Oszilloskop wurde eine höhere 12V-Last verwendet. Im Interesse möglichst aussagekräftiger und vergleichbarer Ergebnisse wurden die Messungen in Anlehnung an Intels Empfehlungen für einen "Differential Noise Test Setup" mit kleinen Abblockkondensatoren (0.1+10uF) an den Ausgängen des Netzteils durchgeführt, welche eine angeschlossene Last simulieren.
Osz-Last: 291W
3 Das Enermax Revolution 87+ 550W ERV550AWT-G
Von der 2012 auf dem Markt eingeführten 80+ Gold zertifizierten Netzteil-Serie wird heute nur noch das 850W- und 1000W-Modell angeboten, die anderen Modelle wurden von der Platimax-Serie abgelöst. Diese besitzt die gleiche technische Basis, einige Komponenten wurden für eine geringfügig bessere Effizienz auf Platinum-Level optimiert. Das Netzteil besitzt ein durch Enermax selbst entwickeltes PCB. Das Modell besitzt alle modernen technische Kernmerkmale, wie Aktiv-PFC, LLC-Resonanzwandler, aktive Synchrongleichrichtung und DC-DC-Module für 5V und 3.3V und ein komplettes Schutzschaltungs-Set. Die 12V-Ausgänge wurden als drei getrennt stromüberwachte Schienen (12V1-V3) realisiert. Das 16cm tiefe Gehäuse wurde mit einer robuste Pulverbeschichtung versehen und einem wirksam Temperatur-geregelten 139mm Lüfter mit langlebigem und laufruhigem „Twister-Lager“ ausgestattet. Die Kabel für Laufwerke und Grafikkarten sind modular realisiert. Enermax hebt die Tauglichkeit für einen 24/7-Betrieb bei 50 Grad hervor und gewährt 5 Jahre Garantie. Dazu passt ein innovativer Schutzbügel gegen versehentliches Herausziehen des Netzsteckers. Damit stellt Enermax Serverqualitäten heraus, was aber nicht unbedingt zur fest-konfigurierten Silent-Belüftung passt.
3.1 Kommentierung technischer Details
Das PCB besitzt ein aufgeräumtes Layout mit hochwertigen Komponenten und 5 einzelnen, gestanzten Profil-Kühlkörpern. Das single-layer PCB basiert leider nur auf Hartpapier (Pertinax), das aber durch die Komponenten und angeschraubte Kupferschienen stabilisiert und Leiterbahn-seitig durch eine dicke Lackschicht geschützt wird.
Vorbildlich servicefreundlich und funktionssicher wurden der PCB-Netzeingang und der Netzschalter mit abziehbaren Flachsteckern versehen. Im Netz-Eingangsfilter werden überraschenderweise keine X-Kondensatoren eingesetzt. Die größere der beiden Strom-kompensierten Eingangsdrosseln wurde mit einem Schrumpfschlauch isoliert, was auch lastabhängigem Spulen-Summen entgegen wirkt.
Die Einschaltstrombegrenzung findet vorbildlich mit einem kleinen, im Betrieb per Relais überbrückten NTC statt. Die sekundäre Ausgangskapazität ist trotz der großen PCB-Abmessungen eher gering. Auf der 12V-Schiene stehen 6x470µF Polymer-Kondensatoren zur Ripple-Unterdrückung bereit, aber nur 2x2200µF Elektrolytkondensatoren als Lastpufferkapazität. Die Ausgänge der 5V- und 3.3V-VR-Module besitzen nur jeweils 2x820uF + 100µF Polymer-Kapazität. Zur Unterdrückung von hochfrequenten Spikes besitzen alle Haupt-Ausgangs-Schienen und 5Vsb Ringkern-Entstördrosseln, große keramische Ausgangskondensatoren (MLCs) wurden hingegen nicht vorgesehen. An den 3.3V- und 5V-Ausgängen wurden die erwähnten 100µF Polymerkondensatoren bestückt, welche aber nicht direkt gegen die Masseschiene sondern die Gehäusemasse geschaltet wurden. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung des Gehäuses ist ihre Wirksamkeit eingeschränkt.
Bis auf ein paar manuell gefertigte Einzelstellen ist die Lötqualität gut, das PCB wurde auch ausreichend gereinigt.
4 Test
4.1 Impulslast
Bei der Beaufschlagung mit 180W Lastimpulsen an 12V brach die 12V-Spannung in der Spitze lediglich um 1.7% ein, bei der folgenden Entlastung schießt sie aber 2.8% über den Grundwert hinaus, welcher ohnehin erhöht liegt. In der Spitze liegt die 12V-Spannung damit 4.6% über dem Normwert, also bereits dicht an der Toleranzgrenze. Das ist für ein 550W-Netzteil ein ziemlich schlechtes Ergebnis. Hier rächen sich auch die knapp bemessene Ausgangskapazität und die ungenaue Ausgangsspannung. Die 5V- und 3.3V-DC-DC-VRM Module lassen sich von den 12V-Schwankungen erfreulich wenig beeindrucken. Die Impulslast war nur aus relativer Nähe akustisch leicht wahrnehmbar - was ein sehr gutes Ergebnis ist.
Das 80+Bronze-zertifizierte Enermax Triathlor FC, das ohne LLC-Resonanzwandler auskommt, weist ein wesentlich besseres dynamisches Lastregelverhalten auf. Das Triathlor regelt Lastschwankungen schneller aus.
Ein Vergleich mit dem ebenfalls 80+Gold-zertifizierten CoolerMaster V550S Rev. V1 zeigt, dass mit einem präziseren 12V-Spannungswert ein besseres Ergebnis möglich gewesen wäre. Beide Netzteile zeigen eine ähnlich hohe maximale 12V-Drift: das V550S bei Belastung, das Revolution 87+ bei Entlastung.
4.2 Kapazitive Last
Bei kapazitiver Belastung der 12V-Ausgänge mit 3600µF, was etwas mehr ist, als in heutigen PC-Systemen erwartet werden kann, verbessert sich das dynamische Lastregelverhalten etwas. Dabei kommt es auch nicht zu einer stärkeren Schwingneigung.
4.3 An-/Ausschaltvorgang
Die Auswertung eines kompletten An-/Abschaltzyklus bei aktivierter Impulslast zeigt keine Überraschungen.
4.4 Ripple und Noise
Ein Blick mit dem Oszilloskop auf das halb-ausgelastete Netzteil zeigt, wie sauber die Ausgangsspannungen sind. Es erwies sich als schwierig, bei diesem Netzteil aussagekräftige und stabile Ozillogramme zu triggern, da die Ausgangsspannungen nur einen geringen Ripple aufweisen, aber hochfrequente Spikes unterschiedlichen Ursprungs und gleichzeitig der 12V Spannung eine niederfrequente Welligkeit (~ 10Hz) überlagert ist:
Die Ripplewerte sind gering. Das Fehlen niederinduktiver Masseflächen der einseitig kuperkaschierten Platine und keramischer Abblock-Kondensatoren machen sich in unschönen hochfrequenten Spikes bemerkbar. An 3.3V erreichen diese 60mV pp, an 5Vsb über 100mV pp. Das ist mit einem besseren Design vermeidbar.
4.5 Wirkungsgrade
Abschliessend wurde eine vergleichende Berechnung der Effizienzen durchgeführt. Dafür wurde die aufgenommene primäre Wirkleistung mit einem NZR SEM 16+ Energiemonitor gemessen. Bei diesem einfachen Versuchsaufbau sind die bestimmten Wirkungsgrade allerdings nicht bis zur letzten Stelle genau.
5 Fazit
Das Design von Enermax wirkt sorgfältig und funktionssicher. Das PCB-Basismaterial ist preiswertes aber gut verarbeitetes Pertinax, die Lötqualität ist gut und die Bauteilqualität erstklassig. Der Lüfter arbeitet generell sehr leise, die Elektronikgeräusche bei Impulslast sind sehr gering. Das Netzteil besitzt damit wirkliche Silent-Qualitäten und verträgt laut Hersteller dennoch bis 50 Grad Celsius Dauerlast. Das dynamische Lastregelverhalten ist aufgrund von Schwierigkeiten mit plötzlichen Entlastungen auf ein sehr geringes (Idle-)Niveau nicht gut. Bedingt durch die einseitig kupferkaschierte Platine ist die Entstörung der Ausgangsspannungen nur befriedigend gelungen. Der Wirkungsgrad kann bei höherer Last überzeugen, bei geringer Last gibt es auch in der 80+Gold-Klasse deutlich effizientere Netzteile.
Hinweis: das Netzteil wurde mir ursprünglich von Enermax zur Verfügung gestellt, wofür ich meinen späten Dank aussprechen möchte.
Verwendete Grafiken:
Von Reinhard Szalghary.
Gliederung
- 1 Allgemeines zu PC-Netzteil-Tests
- 2 Die Netzteil-Testschaltung
- 3 Das Enermax Revolution 87+ 550W
- 4 Test
- 5 Fazit
1 Allgemeines zu PC-Netzteil-Tests
Unter allen Komponenten, die in modernen PCs eingesetzt werden, gibt es nirgends so große Qualitätsunterschiede wie bei Netzteilen. Und gleichzeitig sind bei keiner anderen Komponente qualifizierte Tests derart aufwändig.
Die Messung der Ausgangsspannungen eines PC-Netzteils bei Aufschaltung definierter Lasten ergibt alleine noch keinen besonders aussagekräftigen Test. Moderne CPUs und GPUs haben sowohl einen hohen Leistungsbedarf unter voller Last, als auch effektive Energiesparmechanismen. Zwischen diesen Leistungsprofilen können sie schnell umschalten. Ein PC-Netzteil muss wechselnde Lastsituationen ausregeln und darf dabei auch nicht kurzzeitig den Toleranzbereich der Spannungen verletzen.
Einige Tester verwenden günstige (~ 2000–5000$) automatische PC-Netzteil-Testsysteme (ATE) aus Taiwan (Sunmoon, Fast Auto, TechRed), andere nutzen die teuren Testsysteme (Chroma) der Labore von Netzteil-Distributoren oder -herstellern. Der letzte Ansatz bietet theoretisch die meisten Möglichkeiten, erfordert aber auch, dass sich die Tester gründlich mit dem Testsystem vertraut machen, dieses frei konfigurieren und ausnutzen können.
1.1 Netzteil-Technik
Effiziente Netzteile arbeiten heute meist nach dem Prinzip des LLC-Resonanzwandlers. Hierbei wird ein LC-Serien-Schwingkreis mit dem Transformator in Reihe geschaltet. Die Ansteuerung erfolgt nahe der Resonanzfrequenz. Somit fliessen Sinus-ähnliche Ströme, welche verlustarm bei Spannungsnulldurchgängen geschaltet werden können (Zero-Voltage-Switching). Als Nebeneffekt werden auch hochfrequente Spikes und Störstrahlung minimiert, wodurch die sekundärseitigen Entstördrosseln kleiner ausfallen oder ganz entfallen können. Die Lastregelung ist aber nur in gewissen Grenzen über eine Anpassung der Schaltfrequenz möglich. Bei geringer Last wird die Effizienz zunehmend schlechter und schließlich versagt die Regelung. Nun muss der Regler in einen anderen Modus wechseln und beispielsweise die Pulsweite anpassen.
Wir haben damit heute einerseits Hardwarekomponenten mit immer aggressiver arbeitenden Stromsparmechanismen und gleichzeitig Netzteile, für welche die Anpassung an plötzliche Lastschwankungen eine große Herausforderung darstellt.
1.2 Technische Standards und Anforderungen
Die technischen Anforderungen an PC-Netzteile spezifiziert der Intel „Power Supply Design Guide“. Dessen Vorgaben sind als Mindestanforderungen zu verstehen, die in einigen Bereichen von der Praxis überholt wurden. Auch im Interesse der Zukunftssicherheit ist es vorteilhaft, diese Vorgaben zu übertreffen. So wurde 2013 mit ATX12V 2.4 für den "Deep stand by mode"-C6/C7 der Haswell-CPUs der CPU-Mindestlaststrom (12V2) von 0.5 auf 0.05A abgesenkt, was nicht alle älteren Netzteile stabil beherrschten. Intel kümmert sich als CPU-Hersteller hier auch nicht weiter um die Anforderungen für Grafikkarten.
Für die Stromversorgung stehen allen PCI-Express-Erweiterungskarten 12V und 3.3V (max. 3A) zur Verfügung. Ein x1 Slot kann 10W bereitstellen, x4/x8 Slot 25W und ein x16 Slot 75W. Alle Laufwerke in einem PC werden aus 12V und 5V versorgt, vorgesehen aber (noch?) ungenutzt sind auch 3.3V.
Die PCI Express Workgroup spezifizierte 12V-Stromversorgungsstecker (2x3-polige: "150W Graphics Spec 1.0", 2x4 polig: "225 W/300 W High Power Card Specification 1.0"), die zusätzliche Leistung bereitstellen. Die Spannungswandler der Grafikkarten müssen dann selbst für eine entsprechende Lastverteilung der einzelnen Spannungsquellen sorgen.
Silentpcreview hatte die reale Lastverteilung auf den einzelnen PC-Versorungsleitungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass heute die 12V-Schiene die Hauptlast trägt und für CPU und GPU alleine verantwortlich ist. Damit wird auch nur diese Schiene hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt, während die 5V und 3.3V Schienen nur eine weniger schwankende Grundlast für einige On-Board-Komponenten, Erweiterungskarten und Laufwerke tragen.
1.3 Ausgewählte Netzteil-Anforderungen
Gemäß Intels Spezifikationen wird in bezug auf die Spannungsregulation die Einhaltung von 5% Toleranzen gefordert - mit Ausnahme der jetzt optionalen -12V-Schiene, die 10% abweichen darf. Das Netzteil muss auch mit kapazitiven Lasten von 10mF an jeder positiven Ausgangsspannung stabil arbeiten. In bezug auf das dynamische Lastregelverhalten (Output Transient Response) wird ein gleichzeitiger und zügiger (1A/µs, d.h. ~20µs Anstiegszeit) Belastungsimpuls auf eine Höhe von 40%, 60%, 30%, 30% des Maximalstroms von 12V1 (Mainboard), 12V2 (CPU), 5V und 3.3V vorgesehen, bei dem die Toleranzen ebenfalls nicht verletzt werden dürfen.
„Ripple“ bezeichnet periodische und „noise“ zufällige Schwankungen der Ausgangsspannungen. Niederfrequenter Ripple geht auf Wechselanteile der Eingangsnetzspannung zurück, hochfrequenter auf die Schaltfrequenz. Gemäß Spezifikation dürfen die Ripple- und Noisespannungen dabei maximal 120mVpp (pp: peak-to-peak) für die +/-12V-Schienen und 50mVpp für die Übrigen betragen - gemessen in einem Frequenzbereich von 10Hz bis 20MHz. Gute Netzteile unterschreiten diese Werte erfahrungsgemäß deutlich.
Ein hoher Ripple auf den Ausgangsspannungen kann zu einer verminderten Lebenserwartung von (Elektrolyt-) Kondensatoren auf den PC-Komponenten führen oder die Stabilität eines übertakteten Systems gefährden.
1.4 Abgeleitete Folgerungen für den Netzteil-Test
Es werden präzise, programmier- oder einstellbare elektronische Lasten benötigt, welche eine schnelle Umschaltung zwischen verschiedenen Lastprofilen erlauben. So kann auch das dynamische Lastverhalten und die Stabilität untersucht werden. Ein gleichzeitiges Monitoring aller Spannungen ermöglicht eine Berechnung der tatsächlichen Ausgangsleistung. Die Erfassung von Ripple- und Noise-Spannungen muss sehr breitbandig erfolgen.
2 Die Netzteil-Testschaltung
Um auch technische Aspekte wie das Lastregelverhalten, welches in vielen Reviews nicht (genau) berücksichtigt wird, testen zu können, wurde eine Testschaltung entwickelt. Diese umfasst eine Lastschaltung, eine Mess- und A/D-Wandlerschaltung und ein Mikrocontollersystem.
Die Lastschaltung enthält einen NE555 basierenden Impulsgeber, dessen High- und Low-Zykluszeiten getrennt einstellbar sind. Dieser Impulsgeber schaltet OPV-geregelte Stromquellen permanent zwischen hohen und niedrigen Lastströmen an 12V2 (CPU) um, welche getrennt einstellbar sind. Die Stromquellen sind gegenwärtig mit bipolaren Transistoren realisiert, die bis 2x100W (2x8A) belastet werden können. Für höhere Belastungen wären mehr Lastkanäle und der Einsatz von IGBTs notwendig. Die anderen Spannungsschienen werden bisher mit Festwiderständen belastet.
Für die automatisierte Messung und Protokollierung wird ein „Raspberry Pi2“ als Zielsystem eingesetzt. Es verwendet ein BCM2835 System-On-a-Chip, das neben einem klassischen ARM Prozessor-Core verschiedene Funktionseinheiten (Video Core, SDRAM, GPIO) enthält. Seine GPIO-Pins (General Purpose Input/Output) werden auf einer zweireihigen 26-pin Pfostenleiste mit 17 digitalen I/O Pins nach Außen geführt. Einige Pins besitzen eine alternative Funktion, dazu gehört das hier verwendete schnelle SPI-Interface mit 2 Adressleitungen [CS].
Zum „gleichzeitigen“ Messen der Ausgangsspannungen wird der kostengünstige 4-Kanal 12-Bit A/D-Wandler MCP3204 eingesetzt. Er arbeitet nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation und sendet sehr zeiteffektiv synchron zu einem laufenden Wandlungsvorgang die bereits festliegenden höherwertigen Bits seriell über den SPI-Bus.
40KHz Eingangstiefpassfilter schwächen transiente Spannungsspitzen (Spikes) ab. Multi-Turn Trimmer erlauben eine exakte Anpassung an die Eingangspegel entsprechend der softwareseitigen Skalierung. Eine TL431 Spannungsreferenz stellt die angestrebte Genauigkeit unter allen Temperatur- und Lastzuständen sicher.
Für die Ansteuerung der SPI Schnittstelle und der GPIO-PINs unter C erwiesen sich die Linux Systemtreiber als nicht performant genug. Verwendet wurde daher die BCM2835 Bibliothek von Mike McCauley. Der MCP3204 wird bei 3.3V mit einem SPI-Takt von 2MHz betrieben, was 80 KS/s [80000 Messwerte pro Sekunde] erlaubte. Mit höheren SPI-Takten werden die Messergebnisse zunehmend ungenauer. Der Impulsgeber der Lastschaltung wurde auf 500Hz mit einem Tastverhältnis von 1:4 (hoher : niedriger Strom) eingestellt.
Das erstellte Testprogramm initiiert und protokolliert zunächst einen An-/Abschaltvorgang des Netzteils und überwacht dann die Spannungen im eingeschalteten Zustand. Interessante Spannungsverläufe werden in Log-Dateien im CSV-Format protokolliert. Ein separat implementierter Web-Server ermöglicht die Übertragung der Logdateien über das Netzwerk mittels HTTP-GET Befehl. Die Logdateien werden mit der auf numerische Berechnungen spezialisierten Software Matlab auf einem PC ausgewertet und veranschaulicht.
2.1 Lasttest
Für den dynamischen Lasttest wurde eine PC-ähnliche Last konfiguriert. Die Laständerungen entsprechen einer stark übertakteten CPU oder einer Mittelklasse-GPU. Diese Lasten sollten 550W-Netzteile souverän handhaben können ohne auch nur in die Nähe der Toleranzgrenzen zu gelangen.
Min-Last: 37W
12V: 13.4W
5V:13.3W
3.3V:7.7W
5Vsb: 2.5W
Max-Last: 217W 12V: +180W
Für die Betrachtung von Ripple und Noise auf den Ausgangsspannungen mit einem 100MHz-Oszilloskop wurde eine höhere 12V-Last verwendet. Im Interesse möglichst aussagekräftiger und vergleichbarer Ergebnisse wurden die Messungen in Anlehnung an Intels Empfehlungen für einen "Differential Noise Test Setup" mit kleinen Abblockkondensatoren (0.1+10uF) an den Ausgängen des Netzteils durchgeführt, welche eine angeschlossene Last simulieren.
Osz-Last: 291W
12V: +74W
3 Das Enermax Revolution 87+ 550W ERV550AWT-G
Von der 2012 auf dem Markt eingeführten 80+ Gold zertifizierten Netzteil-Serie wird heute nur noch das 850W- und 1000W-Modell angeboten, die anderen Modelle wurden von der Platimax-Serie abgelöst. Diese besitzt die gleiche technische Basis, einige Komponenten wurden für eine geringfügig bessere Effizienz auf Platinum-Level optimiert. Das Netzteil besitzt ein durch Enermax selbst entwickeltes PCB. Das Modell besitzt alle modernen technische Kernmerkmale, wie Aktiv-PFC, LLC-Resonanzwandler, aktive Synchrongleichrichtung und DC-DC-Module für 5V und 3.3V und ein komplettes Schutzschaltungs-Set. Die 12V-Ausgänge wurden als drei getrennt stromüberwachte Schienen (12V1-V3) realisiert. Das 16cm tiefe Gehäuse wurde mit einer robuste Pulverbeschichtung versehen und einem wirksam Temperatur-geregelten 139mm Lüfter mit langlebigem und laufruhigem „Twister-Lager“ ausgestattet. Die Kabel für Laufwerke und Grafikkarten sind modular realisiert. Enermax hebt die Tauglichkeit für einen 24/7-Betrieb bei 50 Grad hervor und gewährt 5 Jahre Garantie. Dazu passt ein innovativer Schutzbügel gegen versehentliches Herausziehen des Netzsteckers. Damit stellt Enermax Serverqualitäten heraus, was aber nicht unbedingt zur fest-konfigurierten Silent-Belüftung passt.
3.1 Kommentierung technischer Details
Das PCB besitzt ein aufgeräumtes Layout mit hochwertigen Komponenten und 5 einzelnen, gestanzten Profil-Kühlkörpern. Das single-layer PCB basiert leider nur auf Hartpapier (Pertinax), das aber durch die Komponenten und angeschraubte Kupferschienen stabilisiert und Leiterbahn-seitig durch eine dicke Lackschicht geschützt wird.
Vorbildlich servicefreundlich und funktionssicher wurden der PCB-Netzeingang und der Netzschalter mit abziehbaren Flachsteckern versehen. Im Netz-Eingangsfilter werden überraschenderweise keine X-Kondensatoren eingesetzt. Die größere der beiden Strom-kompensierten Eingangsdrosseln wurde mit einem Schrumpfschlauch isoliert, was auch lastabhängigem Spulen-Summen entgegen wirkt.
Die Einschaltstrombegrenzung findet vorbildlich mit einem kleinen, im Betrieb per Relais überbrückten NTC statt. Die sekundäre Ausgangskapazität ist trotz der großen PCB-Abmessungen eher gering. Auf der 12V-Schiene stehen 6x470µF Polymer-Kondensatoren zur Ripple-Unterdrückung bereit, aber nur 2x2200µF Elektrolytkondensatoren als Lastpufferkapazität. Die Ausgänge der 5V- und 3.3V-VR-Module besitzen nur jeweils 2x820uF + 100µF Polymer-Kapazität. Zur Unterdrückung von hochfrequenten Spikes besitzen alle Haupt-Ausgangs-Schienen und 5Vsb Ringkern-Entstördrosseln, große keramische Ausgangskondensatoren (MLCs) wurden hingegen nicht vorgesehen. An den 3.3V- und 5V-Ausgängen wurden die erwähnten 100µF Polymerkondensatoren bestückt, welche aber nicht direkt gegen die Masseschiene sondern die Gehäusemasse geschaltet wurden. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung des Gehäuses ist ihre Wirksamkeit eingeschränkt.
Bis auf ein paar manuell gefertigte Einzelstellen ist die Lötqualität gut, das PCB wurde auch ausreichend gereinigt.
4 Test
4.1 Impulslast
Bei der Beaufschlagung mit 180W Lastimpulsen an 12V brach die 12V-Spannung in der Spitze lediglich um 1.7% ein, bei der folgenden Entlastung schießt sie aber 2.8% über den Grundwert hinaus, welcher ohnehin erhöht liegt. In der Spitze liegt die 12V-Spannung damit 4.6% über dem Normwert, also bereits dicht an der Toleranzgrenze. Das ist für ein 550W-Netzteil ein ziemlich schlechtes Ergebnis. Hier rächen sich auch die knapp bemessene Ausgangskapazität und die ungenaue Ausgangsspannung. Die 5V- und 3.3V-DC-DC-VRM Module lassen sich von den 12V-Schwankungen erfreulich wenig beeindrucken. Die Impulslast war nur aus relativer Nähe akustisch leicht wahrnehmbar - was ein sehr gutes Ergebnis ist.
Das 80+Bronze-zertifizierte Enermax Triathlor FC, das ohne LLC-Resonanzwandler auskommt, weist ein wesentlich besseres dynamisches Lastregelverhalten auf. Das Triathlor regelt Lastschwankungen schneller aus.
Ein Vergleich mit dem ebenfalls 80+Gold-zertifizierten CoolerMaster V550S Rev. V1 zeigt, dass mit einem präziseren 12V-Spannungswert ein besseres Ergebnis möglich gewesen wäre. Beide Netzteile zeigen eine ähnlich hohe maximale 12V-Drift: das V550S bei Belastung, das Revolution 87+ bei Entlastung.
4.2 Kapazitive Last
Bei kapazitiver Belastung der 12V-Ausgänge mit 3600µF, was etwas mehr ist, als in heutigen PC-Systemen erwartet werden kann, verbessert sich das dynamische Lastregelverhalten etwas. Dabei kommt es auch nicht zu einer stärkeren Schwingneigung.
4.3 An-/Ausschaltvorgang
Die Auswertung eines kompletten An-/Abschaltzyklus bei aktivierter Impulslast zeigt keine Überraschungen.
4.4 Ripple und Noise
Ein Blick mit dem Oszilloskop auf das halb-ausgelastete Netzteil zeigt, wie sauber die Ausgangsspannungen sind. Es erwies sich als schwierig, bei diesem Netzteil aussagekräftige und stabile Ozillogramme zu triggern, da die Ausgangsspannungen nur einen geringen Ripple aufweisen, aber hochfrequente Spikes unterschiedlichen Ursprungs und gleichzeitig der 12V Spannung eine niederfrequente Welligkeit (~ 10Hz) überlagert ist:
Die Ripplewerte sind gering. Das Fehlen niederinduktiver Masseflächen der einseitig kuperkaschierten Platine und keramischer Abblock-Kondensatoren machen sich in unschönen hochfrequenten Spikes bemerkbar. An 3.3V erreichen diese 60mV pp, an 5Vsb über 100mV pp. Das ist mit einem besseren Design vermeidbar.
4.5 Wirkungsgrade
Abschliessend wurde eine vergleichende Berechnung der Effizienzen durchgeführt. Dafür wurde die aufgenommene primäre Wirkleistung mit einem NZR SEM 16+ Energiemonitor gemessen. Bei diesem einfachen Versuchsaufbau sind die bestimmten Wirkungsgrade allerdings nicht bis zur letzten Stelle genau.
5 Fazit
Das Design von Enermax wirkt sorgfältig und funktionssicher. Das PCB-Basismaterial ist preiswertes aber gut verarbeitetes Pertinax, die Lötqualität ist gut und die Bauteilqualität erstklassig. Der Lüfter arbeitet generell sehr leise, die Elektronikgeräusche bei Impulslast sind sehr gering. Das Netzteil besitzt damit wirkliche Silent-Qualitäten und verträgt laut Hersteller dennoch bis 50 Grad Celsius Dauerlast. Das dynamische Lastregelverhalten ist aufgrund von Schwierigkeiten mit plötzlichen Entlastungen auf ein sehr geringes (Idle-)Niveau nicht gut. Bedingt durch die einseitig kupferkaschierte Platine ist die Entstörung der Ausgangsspannungen nur befriedigend gelungen. Der Wirkungsgrad kann bei höherer Last überzeugen, bei geringer Last gibt es auch in der 80+Gold-Klasse deutlich effizientere Netzteile.
Hinweis: das Netzteil wurde mir ursprünglich von Enermax zur Verfügung gestellt, wofür ich meinen späten Dank aussprechen möchte.
Verwendete Grafiken:
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