Khám phá quy trình thiết kế và thử nghiệm bộ nguồn máy tính với Cooler Master

Bài viết được dịch trực tiếp từ: Exploring PSU Design and Testing with Cooler Master

Mình tự dịch nên có gì sai sót mong mọi người đóng góp. Lưu ý cụm từ "chúng tôi" là chỉ bên bit-tech chứ ko phải mình làm đâu nhé

Việc chọn lựa bộ nguồn máy tính (PSU) đối với hầu hết người dùng trước đây có vẻ như tương đối đơn giản: chọn khoảng công suất cần thiết cho dàn máy, dự tính khả năng nâng cấp rồi chọn bộ nguồn đủ công suất dự tính và phù hợp với túi tiền. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian chục năm trở lại đây, cùng với sự phát triển công nghệ là kiến thức người dùng cũng nâng cao hơn, họ nhận biết được rằng chỉ quan tâm tới công suất là không đủ. Các chương trình như nhãn 80 Plus ra mắt năm 2004, cùng các nhãn Bronze/Silver/Gold bổ sung năm 2008 đã giúp nâng cao nhận thức của người dùng về hiệu suất của PSU. Tuy vậy, hiệu suất mới chỉ là một phần nhỏ của câu chuyện. Một PSU tốt còn cần phải cung cấp điện áp chính xác với độ biến thiên trong khoảng cho phép, những biến thiên nhỏ này của điện áp còn gọi là các gợn sóng, gợn điện áp hay noise. Những bộ nguồn rẻ tiền, không rõ nguồn gốc và không có các chứng nhận kiểm tra chất lượng có thể có noise lớn quá mức cho phép, gây ra hỏng hóc một số linh kiện hoặc thậm chí là cả dàn máy của bạn.

​

Việc kiểm tra chất lượng của PSU thực sự không hề rẻ, cũng không dễ dàng gì, nhưng điều đó bắt buộc phải có vì những lý do đã nêu ở trên – lý do tại sao bạn thấy rất nhiều hình ảnh và đồ thị trong những bài kiểm tra PSU. Trong thời gian ở trụ sở Cooler Master tại Eindhoven, chúng tôi đã may mắn được ngồi lại với René Grau – người quản lý phụ trách quảng bá công nghệ – để tham dự một buổi kiểm tra PSU. Ông đã đưa chúng tôi xem qua các giai đoạn kiểm tra và các trang bị kỹ thuật cần thiết, có trị giá lên tới 50,000 Euros. Tất các các mẫu PSU được sản xuất bởi Cooler Master đều phải qua kiểm định chất lượng, sử dụng trang thiết bị trong phòng lab. Tất nhiên, Cooler Master cũng có thể sử dụng nó để nghiên cứu các sản phẩm của đối thủ cạnh tranh, mặc dù điều đó không thực sự là trọng tâm.

Khi thử nghiệm các PSU, có một số tiêu chuẩn cần phải ghi nhớ. Đầu tiên, và quan trọng nhất, đó là các tiêu chuẩn thiết kế bộ nguồn Intel ATX, trong đó có các thông số bắt buộc và khuyến cáo mà một bộ nguồn cần/nên có, bao gồm cả các đặc tính về điện như điện áp đầu ra, mức gợn chấp nhận được. Sau đó là các nhãn 80 Plus, xác định hiệu suất PSU ở các mức tải khác nhau. Với các PSU bán ra ở EU, còn có thêm nhãn ecoPSU được quy định bởi Ủy ban EU số 617/2013, có hiệu lực từ 1/7/2014. Chứng nhận ecoPSU cũng chủ yếu dựa trên hiệu suất, mức tiêu thụ ở chế độ chờ (dưới 0.5W). Việc chứng nhận cũng đòi hỏi lấy mẫu ngẫu nhiên chứ không phải theo mẫu mà nhà sản xuất cung cấp. Nhãn ecoPSU bao gồm một URL duy nhất (có thể thêm QR code) để khách hàng có thể nhanh chóng và dễ dàng tiếp cận các kết quả thử nghiệm, tất nhiên là bao gồm cả điện áp ra.

​

Cooler Master hiện có 3 dòng PSU chính: B, GM, V. Dòng thấp nhất là dòng B, với các mức công suất 500W, 600W và 700W, gần đây mới được nâng cấp lên ver. 2. Và đây là những PSU đầu tiên trên thế giới đạt chứng nhận ecoPSU (đang chờ thêm kết quả của mẫu ngẫu nhiên), tức là chúng đều đạt hiệu suất 85% ở mức tải 50%. Dòng sản phẩm này chỉ bán ở EU, với khoảng điện áp vào cho phép khá hẹp: 200-240VAC nên sẽ giúp giảm bớt giá thành sản phẩm. Dòng sản phẩm tầm trung là dòng GM, với mức công suất 550W, 650W và 750W, bán modular và đạt nhãn 80 Plus Bronze – hiệu suất 88% ở tải 50%. Cuối cùng, cao cấp nhất là dòng V, chia thành 2 nhánh bán modular (550W, 650W, 750W) và modular hoàn toàn (850W, 1000W, 1200W). Dòng V sử dụng 100% tụ Nhật Bản và tất cả đều đạt ít nhất là nhãn 80 Plus Gold, chiếc V1200 đạt nhãn 80 Plus Platinum. Một điều thú vị khác là việc sản xuất nguồn modular sẽ khiến tăng trở kháng của dây dẫn do có mối nối, khiến cho việc chế tạo khó khăn hơn để có thể duy trì được mức hiệu suất cao.

​

Tất cả các bộ nguồn của Cooler Master đều sử dụng đường 12V là single-rail. Không chỉ là vì nhu cầu cao hơn so với loại multi-rail, mà còn vì các PSU single-rail được coi là tốt nhất cho việc ép xung. Single-rail cũng tốt hơn cho việc chia sẻ công suất cho các linh kiện trong máy, chẳng hạn như không lo bị quá tải trên một đường 12V nào đó cung cấp điện cho card đồ họa. Hiệu suất điện cũng gần mức tối ưu, trừ khi bạn định sử dụng tất cả các rail cùng lúc, điều khiến cho “mớ cáp” trở nên lộn xộn hơn, mặc dù sự khác biệt hiệu năng này phải thừa nhận là không có tác động nào đáng kể trong thực tế.

​

Về những gì bạn có thể mong chờ ở những PSU Cooler Master trong tương lai, chúng tôi không thể tiết lộ quá nhiều. Tuy nhiên Cooler Master cũng đã xác nhận rằng họ đang làm việc với một bộ nguồn kỹ thuật số. Giống như các PSU kỹ thuật số của Corsair, nó sẽ cho phép điều khiển các thông số như điện áp và các thông số khác dựa trên phần mềm.

Từ khi bản thân Cooler Master không còn là nhà sản xuất OEM cho các hãng khác, chúng tôi đã hỏi công ty có thể hói gì về các thiết kế PSU khi được thuê sản xuất. Câu trả lời đơn giản là “rất nhiều”. Khi công việc được giao cho các nhà máy khác nhau thực hiện, thiết kế sẽ được kiểm soát chính xác thông qua datasheet (bảng chỉ dẫn các thông số của sản phẩm). Cooler Master cho thuê toàn bộ dây chuyền sản xuất và có những nhân viên kiểm tra chất lượng riêng, đảm bảo kiểm soát toàn bộ quá trình ở mức độ cao.

Thử nghiệm một PSU với Cooler Master

Thử nghiêm các thiết bị điện có thể là một công việc nguy hiểm. Do đó, việc kiểm tra tất cả các PSU được thực hiện trên một tấm dẫn điện, được nối với một chuyển mạch an toàn. Công tắc ngắt cũng được sử dụng, và tất nhiên, có một Nút Đỏ Lớn trên tường để sử dụng trong trường hợp nghiêm trọng – nó sẽ cắt toàn bộ nguồn điện của phòng lab.

​

Trong khi bài viết này tập trung vào việc thử nghiệm các đặc tính điện của PSU, một mối quan tâm lớn khác của người dùng là độ ồn (phần lớn là của quạt). Tuy nhiên, các thiết bị thử nghiệm cũng tạo rất nhiều tiếng ồn, do đó không thể kiểm tra độ ồn của PSU trong cùng một phòng được. Giải pháp là sử dụng một máy laser đo tốc độ quạt khi PSU ở mức tải cao nhất. Sau đó quạt được tháo ra và mang đi đo riêng trong điều kiện phòng yên tĩnh và chạy với tốc độ tương đương với tốc độ đã đo được.

​

Để thử nghiệm bất kỳ một PSU nào, tất nhiên bạn cần phải cấp nguồn. Ở đây, bộ nguồn AC Chroma được sử dụng, cho phép cài đặt điện áp và tần số để cung cấp nguồn điện thích hợp trong một dải rộng (ví dụ như ở Mĩ là 120V/60Hz). Bộ nguồn này có thể cung cấp dòng lớn 10A hoặc 16A (chân 16A riêng, dùng với những bộ nguồn công suất siêu cao). Các bộ nguồn ATX cần hoạt động trong dải 90-264V và 47-63Hz, mặc dù dải sử dụng thực tế là hẹp hơn, tùy theo từng vùng. Bộ đo nguồn kỹ thuật số Yokogawa WT210 sẽ đo năng lượng tiêu thụ của bất kỳ PSU nào được kết nối. Nó sẽ thể thể hiện cả theo VA (công suất biểu kiến) và theo W (công suất thực tế), do đó ở mọi mức tải, hệ số công suất sẽ được xác định – nó luôn phải nằm trong mức 0.9 – 1 để đảm bảo đạt chuẩn 80 Plus và ecoPSU.

​

Mỗi rail trong PSU đều có hạn mức dòng, từ đó tính ra mức tải tối đa mà nó có thể cung cấp, ví dụ như đường 3.3V với hạn mức dòng 20A sẽ có thể cung cấp tối đa 66W. Tổng tất cả các mức tải tối đa này thường là lớn hơn giới hạn công suất của nguồn, có nghĩa là sử dụng 100% tải không đơn giản là đưa tất cả các rail lên mức tải tối đa, khi đó có thể vượt mức tổng công suất mà PSU có thể cung cấp. Thay vào đó, công suất toàn phần (ví dụ 750W đối với PSU 750W) sẽ được chia sẻ giữa các rail dựa trên tỷ lệ của tổng hợp các mức tải tối đa, vì đây là những gì mà chuẩn 80 Plus và ecoPSU chỉ định. Cooler Master có một bảng tính tay, chỉ dẫn cho các nhân viên thử nghiệm giá trị chính xác dòng điện mà họ cần đưa qua mỗi rail ở mỗi mức tải (ví dụ như 100%, 50%, 20% hay 10% tải).

​

Các đầu nối tương ứng của một bộ nguồn được nối với một bo mạch (PCB) đặc biệt được thiết kế riêng, và PCB này được nối tới một loạt các bộ tạo tải DC Chroma. Để tạo tải trên 1 rail, bạn đơn giản chỉ cần chọn dòng điện cần thiết theo bảng hướng dẫn.

​

Với mức tải được ấn định, bộ tạo tải hiển thị dòng điện và điện áp cung cấp trên từng rail. Điện áp cần phải càng gần chuẩn càng tốt, như chuẩn Intel ATX quy định sai số không quá 5% trên hầu hết các rail, tức là đường 12V sẽ cho phép điện áp trong khoảng 11.4 – 12.6V. Tuy nhiên, vì điện áp sẽ bị giảm dần theo chiều dài cáp dẫn từ bộ tạo tải, điện áp đọc từ 3 rail chính (12V, 5V và 3.3V) được lấy từ đồng hồ đo chính xác đa năng Fluke 8845A, với các dây dẫn sử dụng loại cáp trở kháng thấp được hàn trực tiếp lên PCB, bỏ qua bộ tạo tải.

Một chuyển mạch đơn giản (tất nhiên là có trở kháng thấp) cho phép bạn cắm các đầu ra 3.3V, 5V và 4 đường 12V. Lý do có tới 4 đường 12V là vì bạn có thể giả lập hệ thống đa-GPU bằng cách cắm nhiều đầu nối nguồn PCI-e vào PCB – điều đó thực sự quan trọng để các PSU công suất cao có thể cung cấp điện áp chính xác cho các linh kiện cần thiết cùng một lúc.

​

Từ các kết quả điện áp và dòng điện đo được, bạn sẽ tính được công suất thực đang được sử dụng bởi mỗi rail và tổng cộng bởi PSU. Chia cho công suất đầu vào tính theo W, được thể hiện trên máy đo, bạn sẽ có được hiệu suất cho mức tải đang chạy, sau đó lặp lại quá trình này với các mức tải và điện áp khác (thường là 115V và 230V để đạt nhãn 80 Plus).

​

Một kẹp đo dòng được kẹp quanh dây màu nâu trực tiếp trên cáp điện đầu vào, đo tổng méo hài hòa trên máy Tektronix DPO 3034 Digital Phosphor Oscilloscope, chiếc máy này có thể xuất ảnh chụp màn hình ra thẻ nhớ ngoài. Máy ô-xi-lô cũng nhận đầu vào từ các đường 3.3V, 5V và 12V thông qua PCB gắn thêm, cho phép xem các gợn sóng điện áp của mỗi đường. Cuối cùng, ô-xi-lô có thể sử dụng để xác định thời gian duy trì (hold-up time) (thời gian mà PSU vẫn cung cấp được điện trong khi điện lưới bị ngắt – ít nhất phải đạt 17ms) và dòng khởi động (mức dòng cao đột ngột khi PSU mới được bật lên) của PSU.

​

Chiếc PSU mà chúng tôi thử nghiệm với Cooler Master là một chiếc G750M, có công suất 750W và nhãn 80 Plus. Trong tất cả các phép thử, kết quả đạt được là tuyệt vời. Điện áp đường 12V dao động trong khoảng 11.91 đến 12.08V, với các rail khác cũng cho kết quả tốt như vậy. Hiệu suất đạt được với điện áp lưới 230V là 85.6% (tải 100%), 89.5% (tải 50%) và 88.9% (tải 20%), còn với điện áp lưới 115V thì tương ứng là các mức 83%, 87.5% và 87.3%. Những kết quả này đã xác thực nhãn 80 Plus Bronze mà G750M đạt được.

​

Chúng tôi cũng ấn tượng với kết quả kiểm tra gợn điện áp. Mặc dù không được thiết kế như một PSU cao cấp dành cho OC, đường 12V chỉ có gợn điện áp là 21.1mV ở mức tải 100%, thực sự là rất nhỏ. Chuẩn Intel ATX cho phép gợn tới 120mV với đường 12V và tới 50mV cho đường 3.3V và 5V, các rail này cũng vượt chuẩn dễ dàng. Chúng tôi đã hỏi liệu có phải Cooler Master đã cố gắng để đạt gợn thấp hơn mức mà chuẩn ATX đề ra, nhưng chỉ được trả lời rằng, điều đó dựa trên từng model và theo yêu cầu của việc cạnh tranh.

​

Với các kết quả chính thu được, còn một việc rất quan trọng là kiểm tra các tính năng bảo vệ của PSU, ví dụ như bảo vệ theo điện áp, bảo vệ đoản mạch, bảo vệ quá dòng và nhiều thứ khác. Một số tính năng này có thể được điều khiển thủ công (ví dụ như bảo vệ ngắn mạch) và một số sẽ cần phải sử dụng bộ tạo tải Chroma để gây quá tải cho các rail. Với mỗi PSU, thông thường cần đến 2-2,5 giờ để chạy qua hết các bài test.

Xin cảm ơn Cooler Master, đặc biệt là René đã dành thời gian đưa chúng tôi tham quan các công đoạn thiết kế và thử nghiệm PSU. Bài này cũng kết thúc chuyến tham quan Cooler Master HQ của chúng tôi – cảm ơn tất cả.