Mesures & Tests : Qualité de régulation
Nous allons maintenant nous intéresser aux basses tensions continues générées par l'alimentation. Vous le savez déjà : une alimentation actuelle délivre plusieurs niveaux tensions, bien que le 12 Volts ait nettement pris le pas sur les autres depuis quelques années. Voici donc un petit récapitulatif des tensions présentes :
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Reste maintenant à mesurer la qualité des tensions délivrées par l'alimentation en termes de stabilité, de bruit ou encore de caractéristiques. Car, mettons tout de suite fin à un mythe qui à la vie dure : la tension relevée sur les connecteurs n’a quasiment aucun lien avec la qualité de l’alimentation. Une tension de 11.75 Volts relevée en charge sur le rail +12V ne pose pas le moindre problème et reste largement dans la norme, qui spécifie +/- 5%. De plus, quasiment aucune des tensions de l’alimentation n’est utilisée telle quelle : celles-ci sont souvent re-régulées par un autre étage d’alimentation situé prés du périphérique. Nous allons maintenant voir les mesures (représentatives de la qualité du bloc d'alimentation) que nous effectuerons sur nos cobayes de test.
- Analyse des transitoires
L'un des points les plus importants pour une alimentation est de supporter correctement les états transitoires, tout en respectant les spécifications. Eclaircissons tout cela. Comme nous l’avons vu, la tension et le courant sont deux paramètres étroitement liés (P = U x I et U = R * I). Or, dans un PC, des composants très gourmands en énergie comme le processeur ou la carte graphique sont toujours utilisés par intermittence et leurs besoins en énergie fluctuent très fortement en quelques millièmes de secondes. Un processeur pourra ainsi passer de idle à full load en quelques microsecondes, avec une variation du courant débité passant de 2A à 12A tout aussi rapidement. Or, vu qu’une alimentation à découpage classique ne commute pas plus vite que 100 KHz, la tension aura fortement chuté avant que le régulateur ne réagisse.
Conclusion : une forte hausse de courant entraine une baisse importante de la tension, et vice-versa. Pour atténuer les transitoires, on utilise des condensateurs qui sont capables de stocker et de restituer l’énergie instantanément. Mais malgré cela, de fortes variations de tension apparaissaient toujours lors d’état transitoires. On différenciera une bonne alimentation d’une mauvaise à sa capacité à gérer ces fluctuations rapides. Pour les analyser, nous utiliserons l’oscilloscope afin d’afficher visuellement la courbe de tension lors de transitoires, ainsi qu’un Fluke 287 pour mesurer les crêtes. Ce multimètre haut de gamme présente l’avantage de disposer d’une excellente précision (0.025%) ainsi que d’un mode de détection des transitoires l’ordre de 250 µS. Voyons cela par la pratique :
 Fluke 287 |
 Transitoire lors du passage de 12A à 2A |
Sur cette alimentation, nous avons fait varier brutalement une charge connectée sur le rail +12V de 12A à 2A. On voit parfaitement le pic de tension qui atteint 13.6 Volts et met environ 10 µS à se stabiliser. Plus une alimentation mettra du temps à se stabiliser après une transition, plus le pic de tension sera important, et moins elle sera de bonne qualité. De plus, vu que les rails +12V et +5V sont issus du même transformateur, un pic du même type sera aussi présent sur le rail +5V, surtout si celui-ci est très peu chargé.
Ce que nous allons mesurer : Transitoires Pour mesurer les transitoires, nous chargerons l’alimentation avec un courant de 5 Ampères sur le rail +3.3 Volts, 2 Ampères sur le rail +5 Volts et 2 Ampères sur le rail +12 Volts du connecteur ATX principal. Ceci fait, nous ferons varier très rapidement une charge connectée au +12V2 (le connecteur 4 ou 8 broches qui alimente le CPU) de 2A à 12A et vice-versa. Dans les deux cas, nous mesurerons l’intensité du pic ou de la chute de tension, ainsi que la durée de stabilisation et ce, sur les rails +12V et +5V. Soit un total de 8 mesures. |
- Bruit électrique
Parlons maintenant du bruit electronique. Bien que la tension qui sorte de l'alimentation soit donnée comme continue, ce n'est pas tout à fait le cas dans la pratique. En effet, si l'on observe le signal avec une très haute sensibilité, on s'aperçoit que de multiples micro-variations de la tension sont présentes. La norme ATX spéficie d'ailleurs le niveau maximum d'oscillation : 120 mV (soit 0.12V) pour les rails 12 Volts et 50 mV pour les autres. Un bruit important provoque une usure plus rapide des condensateurs et est donc à éviter. Pour ce type de mesure, un oscilloscope standard comme notre Tektronix suffit parfaitement dans la majorité des cas. Toutefois, dans le cas de très bonnes alimentations avec un très faible bruit (moins de 5 mV), la résolution de 8 bits du TDS1012 risque d'etre insuffisante. Nous nous somme donc équipé d'un petit "oscilloscope" USB Stingrey DS1M12, très lent, mais disposant d'un convertisseur analogique/numérique de 12 bits :
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On voit ici très bien un bruit electrique d'environ 30 mV sur le rail +12V. A noter que pour cette mesure et afin d'être en accord avec les normes, nous avons intercalé un condensateur disque de 0.1 µF ainsi qu'un condensateur au tantale de 10 µF sur la sortie. De même, la charge était isolée de la masse de l'alimentation et la tension est relevée à l'aide d'une sonde différentielle.
Ce que nous allons mesurer : Bruit électrique A l’aide d’une sonde différentielle et de deux condensateurs, nous mesurerons le bruit électrique provoqué par l’alimentation sur les sorties continues +3.3V, +5V et +12V avec des courants de charge de 500 mA et de 15A et nous nous assurerons que ce bruit ne dépasse pas les limites spécifiées par la norme ATX 2.2. |
- Délais et latences
La mise sous tension et l'extinction d'une alimentation soumettent les composants à un stress particulier. Les tolérances lors de ces brefs instants sont toutefois définies très strictement par la norme ATX afin de ne pas endommager les périphériques connectés à l’alimentation. Dans le détail, le cycle d’activation commence lorsque la ligne PS_ON du connecteur ATX est mise à la masse. Cet action correspond à l’instant ou vous appuyer sur le bouton ON de la carte-mère. A partir de cet instant, le bloc d’alimentation a 500 ms (1/2 seconde) pour que les rails 3.3V, 5V et 12V atteignent leurs valeurs nominales. Chaque rail doit, individuellement, passer de 10% à 95% de sa tension nominale en moins de 20 ms et avec une croissance linéaire. C’est ce que nous allons vérifier à l’oscilloscope. Exemple :
 PS_ON / PWR_OK Time |
 +12V Ramp Time |
Sur la capture de gauche, la courbe du haut représente le signal PS_ON, actif à l'état bas. La courbe du bas montre l'état du signal PWR_OK, qui indique que tous les rails sont opérationnels, avec des tensions correctes. Dans cet exemple, l’alimentation à mis 360 ms pour démarrer, un temps inférieur aux 500 ms maximum requit par la norme ATX. Sur la capture de droite, on voit le démarrage du rail +12V. Celui-ci passe de 10% (1.2 Volt) à 95% (11.4 Volts) de sa tension nominale en 10.8 ms, et avec une courbe bien linéaire, conformément à la norme.
Ce que nous allons mesurer : Délais et latences Grâce à l'oscilloscope, nous vérifierons le temps écoulé entre PS_ON et PWR_OK, qui ne doit pas excéder 500 ms, ainsi que la mise sous tension des rails 3.3V, 5V et 12V (de façon linéaire et en moins de 20 ms). Pour compléter le tout, nous testerons un autre paramètre appelé « Power-up Cross Loading Condition » : une alimentation doit être capable de démarrer avec une charge nulle sur le rail +12V et de 5A sur les rails 3.3V et/ou 5V. |