Tudo sobre Proteções da Fonte de Alimentação

Obs: Antes de tudo, não nos responsabilizamos por qualquer dano a sua fonte de alimentação. Se você estiver com alguma duvida a respeito do tutorial, pergunte!

Introdução

Neste tutorial, que é uma sequencia do nosso tutorial Anatomia das Fontes de Alimentação Chaveadas, iremos explorar em detalhes todas as proteções da fonte de alimentação, como sobretensão (OVP), subtensão (UVP), sobrecarga de corrente (OCP), sobrecarga de potência (OPP), sobrecarga (OLP), superaquecimento (OTP), carga vazia (NLO) e também o sinal “power good”.

Normalmente as fontes de alimentação têm um circuito integrado de monitoramento em seus secundários (Figura 1), que é o responsável pelas proteções da fonte. As proteções também podem ser controladas por componentes discretos em vez de usarem um circuito integrado específico para esta função – o circuito integrado mais comum para esta opção é o LM339, que é um comparador de tensão. Frequentemente o circuito de monitoramento é construído em uma pequena placa de circuito impresso conectada à placa de circuito impresso principal da fonte de alimentação.

Figura 1: Circuito integrado de monitoramento.

Nas fontes de alimentação baseadas na defasada topologia de meia-ponte, as proteções podem ser fornecidas pelo controlador PWM, que está fisicamente presente no secundário. Algumas fontes de alimentação meias-pontes melhor projetadas têm um circuito de monitoramento além do controlador PWM.

Sinal “Power Good”

Quando ligamos a fonte de alimentação, as tensões não estão imediatamente disponíveis em suas saídas: elas aumentam até atingirem seus valores corretos. Este aumento acontece em uma fração de segundos (máximo de 20 ms ou 0,02 s para sermos mais exatos).

Para evitar que tensões mais baixas do que o normal sejam fornecidas para o computador, a fonte tem um sinal chamado “power good” (também conhecido como “PWR_OK” ou simplesmente “PG”), que diz ao micro que as saídas +12 V, +5 V e +3,3 V estão com seus valores corretos e prontas para serem usadas, e a fonte está pronta para trabalhar de forma contínua. Este sinal está disponível no pino oito (fio cinza) do conector principal da fonte de alimentação.

Existe ainda outra razão para que este sinal exista: a proteção contra subtensão (UVP). Como explicaremos na próxima página, a proteção contra subtensão desliga a fonte caso as tensões em suas saídas estejam abaixo de certo nível. Se a proteção UVP estiver ativa quando a fonte for ligada, a fonte não ligará, porque as tensões estão abaixo do ponto de ativação da proteção UVP. Em outras palavras, como ao ligar a fonte suas tensões estão abaixo de seus valores por uma fração de segundo, a proteção UVP impediria a fonte de ligar. Portanto o circuito de proteção contra subtensão deve esperar até que o sinal “power good” fique ativo para que ela entre em funcionamento.

Este sinal é gerado pelo o circuito integrado de monitoramento ou pelo controlador PWM (no caso de fontes baseadas na topologia meia-ponte).

Abaixo você pode ver o diagrama de tempo para o sinal “power good”, de acordo com a especificação ATX12V. “VAC” é a tensão alternada de entrada, ou seja, a tensão da rede elétrica. PS_ON# é o sinal “power on” (ou seja, você pressionou o botão “standby” do gabinete). “O/P’s” significa “operatings points” ou “pontos de operações”. E PWR_OK é o sinal “power good”.

T1 é menos de 500 ms, T2 fica entre 0,1 ms e 20 ms, T3 fica entre 100 ms e 500 ms, T4 é menor ou igual a 10 ms, T5 é maior ou igual a 16 ms e T6 é maior ou igual a 1 ms. Só para lembrar que ms significa milissegundos e é igual a 0,001 segundo.

Proteções Contra Subtensão e Sobretensão (UVP e OVP)

Vamos falar das proteções contra subtensão e sobretensão juntas porque elas são construídas usando o mesmo circuito. Essas proteções monitoram as saídas +12 V, +5 V e +3,3 V e desligam a fonte caso qualquer uma dessas saídas estejam acima (OVP) ou abaixo (UVO) de certo valor, também chamado “ponto de ativação”. Essas são as proteções mais básicas disponíveis e praticamente todas as fontes de alimentação as possuem, incluindo modelos bem simples. Isto acontece porque todos os circuitos integrados de monitoramento (controladores PWM, no caso de fontes simples baseadas na topologia de meia-ponte) implementam essas proteções – e também porque a especificação ATX12V requer a proteção contra sobretensão (OVP).

Uma coisa interessante que a maioria das pessoas não sabe é que a especificação ATX12V requer que todas as fontes de alimentação para PCs tenham proteção contra sobretensão (OVP), mas a proteção contra subtensão (UVP) é opcional.

O problema com essas proteções é que elas normalmente são configuradas com pontos de ativação muito distantes das tensões nominais das saídas. Considere os pontos de ativação da proteção contra sobretensão definidos pela especificação ATX12V:

Um fabricante poderia desenvolver uma fonte de alimentação com uma proteção contra sobretensão configurada a 15,6 V na saída de +12 V ou 7 V na saída de +5 V e mesmo assim ainda estaria de acordo com a especificação ATX12V. Portanto esta fonte poderia estar fornecendo, digamos, 15 V em sua saída de +12 V e a proteção contra sobretensão não entraria em ação, o que provavelmente danificaria os componentes do seu computador devido a esta alta tensão.

Em outras palavras, a especificação ATX12V diz que as tensões devem estar entre 5% de seus valores nominais, mas quando se trata da proteção contra sobretensão, permite que os fabricantes configurem esta proteção com até 30% na saída de +12 V, 40% na saída de +5 V e 30% na saída de +3,3 V.

Como os fabricantes escolhem os pontos de ativação das proteções OVP e UVP? Escolhendo o circuito integrado de monitoramento (ou controlador PWM, no caso de fontes simples baseadas na topologia  meia-ponte), porque os valores para essas proteções são programadas dentro deste circuito.

Para um exemplo real, considere o popular circuito integrado de monitoramento PS223, que é usado por várias fontes de alimentação do mercado. Este circuito oferece os seguintes pontos de ativação para a proteção contra sobretensão (OVP):

E os seguintes valores para a proteção contra subtensão (UVP):

Outros circuitos apresentam diferentes pontos de ativação.
Mais uma vez gostaríamos de chamar atenção do quão distante das tensões nominais essas proteções são normalmente configuradas. Para que elas entrem em ação a fonte de alimentação deve enfrentar uma condição muito séria. Na verdade, em nossa experiência fontes de alimentação simples (que não tem nenhuma outra proteção além das proteções OVP e UVP) queimarão antes que essas proteções tenham a chance de entrar em ação.

Proteção Contra Sobrecarga de Corrente (OCP)

Há muitas informações equivocadas a respeito da proteção contra sobrecarga e corrente (OCP) e uma explicação sobre o porquê ela existe é oportuna.

Existe uma regulamentação de segurança internacional chamada IEC 60950-1 (na qual o Brasil não é signatário) que diz que nenhum condutor pode transportar mais de 240 VA em equipamentos de computadores. Como fontes de alimentação para computadores fornecem corrente contínua, significa que nenhum fio de saída da fonte pode transportar mais do que 240 W.

Quando se trata da saída de +12 V, nós temos que isto é igual a uma corrente de 20 A (P = V x I; ou seja, I = P / V ou 240 W / 12 V).

Claro que este limite relativamente baixo impediria que os fabricantes produzissem fontes com potências mais altas. Portanto eles tiveram a ideia de dividir a saída de +12 V em dois ou mais grupos de fios, cada grupo com sua própria proteção contra sobrecarga de corrente. Por exemplo, dois grupos de fios com uma proteção contra sobrecarga de corrente (OCP) configurada a 20 A cada dobrariam a potência máxima permitida para a saída de +12 V de 240 W para 480 W.

Cada grupo de fios com sua proteção contra sobrecarga de corrente (OCP) separada é chamado de “barramento” (embora pessoalmente nós preferimos o termo “barramento virtual”). Portanto uma fonte com “dois barramentos” significa que seus fios de +12 V são divididos em dois grupos e cada grupo tem o seu próprio circuito OCP.

As fontes de alimentação que têm apenas um circuito de proteção contra sobrecarga de corrente (ou nenhum) são chamadas de “barramento único”.

Atualmente existem várias fontes de alimentação de barramento único que apresentam um limite de corrente muito acima de 20 A no barramento de +12 V. Como isto é possível? Se você prestar atenção, a exigência da IEC 60950-1 é por condutor. Portanto se você pega um barramento com alta corrente e o divide em vários fios certificando-se de que nenhum deles irá conduzir mais do que 20 A/240 W, não há problema.

Em resumo, a diferença entre um projeto com um único barramento e múltiplos barramentos é a presença de mais de um circuito OCP para os fios de +12 V.

Alguns fabricantes incluem padrões de cores diferentes nos fios de +12 V (amarelo) da fonte para diferenciar os barramentos.

Fontes de alimentação simples, no entanto, normalmente mentem a respeito da presença de dois barramentos de +12 V. Em suas etiquetas você verá a descrição de dois barramentos de +12 V (inclusive tendo alguns fios de +12 V – normalmente os que estão conectados no cabo ATX12V/EPS12V – com um padrão de cor diferente), mas internamente as fontes não têm nem mesmo um circuito de proteção contra sobrecarga de corrente (OCP) e todos os fios são conectados juntos no mesmo lugar, o que classifica essas fontes como produtos de um barramento único.

Mas como visualmente identificar a presença de circuitos de proteção contra sobrecarga de corrente separados? Só olhando para os fios não é suficiente, já que um fabricante pode simplesmente incluir fios com cores diferentes para enganá-lo.

Existem dois componentes básicos necessários para montar o circuito de proteção contra sobrecarga de corrente: a fonte precisa ter um circuito integrado de monitoramento suportando OCP (e com a quantidade de canais compatíveis com o número de barramentos anunciados pelo o fabricante) e sensores de corrente, também conhecidos como “shunts”, que são resistores de alta potência com uma resistência conhecida muito baixa. Nas Figuras 3 e 4 você pode ver o aspecto físico mais comum de um desses “shunts”.

Figura 3: Exemplo de “shunts” (sensores de corrente).

Figura 4: Exemplo de “shunts” (sensores de corrente).

Cada “shunt” representa um barramento de +12 V. As duas fontes de alimentação mostradas acima têm quatro sensores e por isso provavelmente tem quatro barramentos de +12 V. Se você seguir os fios verá facilmente quais fios estão conectados em quais barramentos.

Há um detalhe, no entanto. Alguns fabricantes utilizam a mesma placa de circuito impresso para produtos com apenas um barramento e para produtos com múltiplos barramentos. Portanto você pode encontrar fontes com mais de um “shunt” que são na verdade produtos com apenas um barramento, porque apesar do fabricante incluir “shunts” eles estão na verdade conectados no mesmo circuito, em vez de usar circuitos separados.

Portanto se você abrir uma fonte e encontrar apenas um (ou nenhum) “shunt”, ela tem apenas um barramento; se você encontrar mais de um “shunt”, provavelmente ela tem múltiplos barramentos (a quantidade de “shunts” diz a quantidade de barramentos de +12 V), mas ela pode ter apenas um barramento. Você pode dar uma olhada no documento técnico no circuito integrado de monitoramento para ver quantos circuitos de proteção contra sobrecarga de corrente (“canais OCP”) ele tem. Se ele tiver apenas um canal, obviamente você está diante de uma fonte com um barramento.

Embora teoricamente seja requerida pela a especificação ATX12V, várias fontes simplesmente não tem esta proteção ou apenas a instalam nos barramentos de +5 V e de +3,3 V, mas não no barramento de +12 V, o que não faz nenhum sentido.

Para você entender ainda mais como este circuito funciona considere o diagrama da Figura 5, que é baseado no popular circuito de monitoramento PS223, que tem quatro canais. Os componentes marcados como RS5, RS33, RS12(1) e RS12(2) são os “shunts”. Note como neste exemplo a fonte de alimentação tem apenas dois barramentos de +12 V, já que os outros dois canais OCP estão sendo usados para monitorar as saídas +5 V e +3,3 V.

Figura 5: Proteção contra sobrecarga de corrente.

O ponto de ativação do circuito OCP – isto é, em que valor ele entrará em ação – é manualmente configurado pelo fabricante da fonte, normalmente escolhendo os valores de resistores externos que são instalados ao circuito integrado (resistores ROC5, ROC33, ROC12(1), ROC12(2) e RI na Figura 4).

Proteção Contra Superaquecimento (OTP)

A proteção contra superaquecimento, como o próprio nome já diz, desligará a fonte caso sua temperatura interna atinja determinado nível. Apesar de vários circuitos integrados de monitoramento terem esta capacidade, nem todas as fontes implementam esta proteção. Esta é uma proteção opcional.

Ao abrir uma fonte você verá facilmente um termistor instalado no dissipador de calor do secundário (algumas fontes utilizam um pequeno sensor soldado no lado da solda da placa de circuito impresso). Este termistor é conectado no circuito controlador da ventoinha, fazendo com que a fonte ajuste a velocidade de rotação da ventoinha de acordo com a temperatura interna. Este componente não é usado pela proteção contra superaquecimento: fontes de alimentação com proteção contra superaquecimento normalmente têm dois termistores, um para o circuito da ventoinha e outro separado para a proteção contra superaquecimento.

Figura 6: Fonte de alimentação com dois termistores e, portanto, com proteção OTP.

A temperatura de ativação desta proteção é configurada pelo fabricante da fonte, através da escolha do valor de um resistor que está conectado ao circuito integrado de monitoramento (RT na Figura 5; nesta mesma figura NTC é o sensor térmico – NTC significa Negative Temperature Coefficient ou Coeficiente de Temperatura Negativo, o que significa que a resistência deste componente diminui com a temperatura).

Outras Proteções

Sobrecarga de Potência/Sobrecarga (OPP/OLP)

As proteções contra sobrecarga de potência (OPP) e sobrecarga (OLP) são nomes diferentes para a mesma coisa. Esta é uma proteção opcional e desliga a fonte caso ela comece a fornecer mais potência do que o seu ponto de ativação.

Em fontes de alimentação simples baseadas na topologia meia-ponte esta proteção é controlada pelo circuito integrado de monitoramento PWM – desde que ele a suporte, é claro. Em fontes com circuito PFC ativo, esta proteção é implementada no controlador PFC.

Em ambos os casos o que o circuito está realmente monitoramento é a corrente total extraída da rede elétrica. Se ela aumentar acima de certo valor, a proteção entra em ação, desligando a fonte de alimentação.

Proteção Contra Curto-Circuito (SCP)

A proteção contra curto-circuito é provavelmente a forma de proteção mais antiga, sendo muito fácil de implementar (ela normalmente é implementada fora do circuito integrado de monitoramento usando alguns transistores). Esta é uma proteção obrigatória que desligará a fonte caso alguma de suas saídas entre em “curto-circuito”, ou seja, toque na linha terra (fio preto) acidentalmente ou caso algum componente do micro queime-se.

Proteção Contra Carga Vazia (NLO)

A operação carga vazia é uma proteção obrigatória que permite a fonte ligar e funcionar corretamente mesmo que não haja carga em suas saídas. Ela não é exatamente uma “proteção” como as que já vimos até agora, é mais um requerimento para o projeto da fonte.

Comparação Entre os Circuitos Integrados de Monitoramento

Na tabela abaixo nós comparamos as principais proteções suportadas pela a maioria dos circuitos integrados de monitoramento. Nós separamos os circuitos em dois tipos: primeiro aqueles que utilizam controlador PWM integrado (usado por fontes de baixo custo baseadas na topologia meia-ponte) e em seguida os circuitos usados em fontes com topologias mais modernas.

Os circuitos OVP e UVP monitoram apenas as principais tensões positivas (+12 V, +5 V e +3,3 V).

Obs: ATX2005 também é conhecido por outros nomes como 2005AZ, SDC2005, etc.

* Também monitora as saídas -12 V e -5 V.

** Não monitora a saída +12 V.

Fonte: Clube do Hardware