SSDs Energy Consumption Method

[crmaris]

<div align="justify"> <img src="http://www.thelab.gr/gallery3/var/albums/Articles/Articles-Icons/icon_mythbusters.png?m=1289065320" align="left" hspace="8" vspace="8" alt="PSU repairs Logo"/>Από τη στιγμή που υλοποίησα το SSD testing suite με έτρωγε να φτιάξω και ένα κύκλωμα για να μετράω την κατανάλωση τους. Βέβαια θα μου πείτε γιατί δεν παίρνεις ένα απλό πολύμετρο και να μετράς τα Amperes κατευθείαν στο καλώδιο των 5V που τροφοδοτεί το δίσκο. Η απάντηση είναι απλή, γιατί χρειάζεται μεγάλη ακρίβεια δεδομένου ότι οι καταναλώσεις των SSDs είναι πολύ μικρές και δεύτερον πρέπει να χρησιμοποιηθεί κάτι με πολύ γρήγορο ADC (Analog to Digital Converter) για να "πιάνει" όλες τις διακυμάνσεις της κατανάλωσης του προς δοκιμή SSD και ως γνωστό ακόμη και τα πανάκριβα πολύμετρα δεν έχουν ιδιαίτερα γρήγορο ADC.

Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στο σημερινό project είτε αγοράστηκαν από το εμπόριο (ebay) είτε στάλθηκαν ως samples από διάφορες εταιρίες. Αλλά καλύτερα ας τα πάρουμε τα πράγματα από την αρχή. Όταν θέλετε να μετρήσετε τα Amps που τραβάει μια συσκευή με ακρίβεια, ο πιο απλός τρόπος είναι να παρεμβάλετε ένα shunt (resistor) στην τροφοδοσία της εν λόγω συσκευής. Το shunt δεν είναι τίποτα άλλο από μια μικρή αντίσταση (συνήθως μερικά milliohm) η οποία σύμφωνα με τον πασίγνωστο νόμο του OHM (V = I × R) παρουσιάζει μια πτώση τάσης όταν περνάει ρεύμα από αυτήν. Με τη βοήθεια της πτώσης τάσης πολύ εύκολα μπορεί κάποιος να υπολογίσει μετέπειτα την ένταση του ρεύματος.

<img width="500" border=0 src="http://www.thelab.gr/gallery3/var/albums/Articles/Articles-Pictures/SSDs-consumption/Shuntresistor50A.jpg" alt="" />

Η τοποθέτηση ενός shunt μπορεί να γίνει είτε πριν το φορτίο (high side) είτε μετά αυτό (low side). Κάθε ένας από τους δύο αυτούς τρόπους έχει τα πλεονεκτήματα του αλλά και μερικά ως αρκετά μειονεκτήματα. Για παράδειγμα όταν τοποθετήσετε το shunt πριν το φορτίο θα πρέπει να βρείτε ένα τρόπο να εξαλείψετε την common-mode τάση τροφοδοσίας μιας και αντί για μερικά mV πτώση τάσης θα έχετε αυτά τα mV συν την τάση τροφοδοσίας. Αυτό κάνει τα πράγματα δύσκολα μιας και θα πρέπει να απομονώσετε με κάποιο τρόπο την common-mode τάση και παράλληλα να ενισχύσετε τα mV της πτώσης τάσης πάνω στο shunt resistor για να μπορέσετε να τα μετρήσετε με ακρίβεια.

Με την τοποθέτηση του shunt μετά το φορτίο (low side) γλυτώνετε από την common-mode τάση αλλά δεν μπορείτε να διαπιστώσετε ένα πιθανό βραχυκύκλωμα της τροφοδοσίας και επίσης διαμοιράζετε η γείωση του κυκλώματος, κάτι που επηρεάζει σημαντικά την ανοχή του σε θόρυβο και ground loops.

Στη συγκεκριμένη περίπτωση επέλεξα αναγκαστικά να τοποθετήσω το shunt στο high side του κυκλώματος τροφοδοσίας του SSD, δηλαδή το παρέμβαλα στο καλώδιο που μεταφέρει την τάση των 5V προς το drive. Οπότε και έπρεπε να βρω ένα τρόπο να ενισχύσω το σήμα των μερικών mV αλλά πρώτα έπρεπε να εξαλείψω την common-mode τάση. Επειδή δεν ήθελα να ξανακαλύψω τον τροχό κατέφυγα στη λύση ενός high side current shunt monitor. Αυτό είναι ένα ολοκληρωμένο που τοποθετείται στο high side, εξαλείφει την common mode τάση και παράλληλα ενσωματώνει έναν op-amp ενισχυτή για να ενισχύει την εξερχόμενη τάση. Μετρώντας αυτή την τάση και με τον κατάλληλο τύπο έχουμε την κατανάλωση του SSD στο πιάτο.

Υλικά και Υλοποίηση

Τα υλικά που χρησιμοποιήσα είναι μια έτοιμη τρυπημένη πλακέτα, ένα shunt των 5Α/75mV (δηλαδή 75mV πτώση τάσης ισοδυναμούν με 5A διερχόμενο ρεύμα), δύο 4pin molex connectors, δύο decoupling πυκνωτές και ένα current sense monitor SOIC. Το τελευταίο το παράγγειλα ως sample από την Analog Devices και ήρθε πολύ γρήγορα, με εταιρία ταχυμεταφορών και το πιο καλό από όλα δωρεάν! Βέβαια μέχρι να καταλήξω στο συγκεκριμένο έπεσε αρκετό διάβασμα και δοκίμασα και μερικά άλλα (τα οποία επίσης παραγγέλθηκαν ως samples).

<img width="500" border=0 src="http://www.thelab.gr/gallery3/var/albums/Articles/Articles-Pictures/SSDs-consumption/IMG_4199.jpg" alt="" />

Το να κολλήσει κάποιος καλώδια πάνω στα ποδαράκια ενός SOIC δεν είναι και ότι το πιο εύκολο, αλλά μετά από αρκετή ώρα και πολύ υπομονή τα κατάφερα. Στη συνέχεια διαβάζοντας το manual του συγκεκριμένου SOIC έκανα τις κατάλληλες συνδέσεις και φυσικά σύνδεσα τους ανάλογους decoupling πυκνωτές στην είσοδο τροφοδοσίας του. Αυτοί οι πυκνωτές φιλτράρουν το ripple στην τάση που τροφοδοτεί το SOIC και έτσι αυτό δεν επηρεάζει τις μετρήσεις. Εδώ να σημειώσω ότι ακόμη και μια μικρή αύξηση του ripple μπορεί να διαστρεβλώσει σημαντικά τα αποτελέσματα, μιας και σε αυτή την περίπτωση το παραγόμενο σήμα (προ της ενίσχυσης) είναι της τάξης των μερικών mV.

<img width="500" border=0 src="http://www.thelab.gr/gallery3/var/albums/Articles/Articles-Pictures/SSDs-consumption/IMG_4196.jpg" alt="" />

Αφού λοιπόν έγιναν όλες οι συνδέσεις πρόχειρα τοποθετήθηκαν τα υπόλοιπα εξαρτήματα πάνω στην πλακέτα και έγινε μια πρώτη δοκιμή, χωρίς φορτίο/SSD στην έξοδο, για να διαπιστωθεί αν υπάρχει κάποια διαρροή ή βραχυκύκλωμα. Αφού όλα ήταν εντάξει στη συνέχεια τοποθετήθηκε το κύκλωμα πάνω στο SSD test station και μετρήθηκε η κατανάλωση του Agility 3 60GB σε idle. Εδώ να σημειώσω ότι ακόμη και μερικά λεπτά μετά το boot και με το PC σε κατάσταση ηρεμίας παρατήρησα ότι ο SSD παρουσίαζε διακυμάνσεις στην κατανάλωση του, όχι σε μεγάλο εύρος αλλά με μεγάλη συχνότητα. Το ταπεινό πολύμετρο (αν και Fluke) που συνδέθηκε στην έξοδο του current sense monitor SOIC δεν μπόρεσε φυσικά να τις πιάσει όλες, αλλά ένας παλμογράφος θα το κάνει με άνεση. Επίσης σε σχέση με μέτρηση απευθείας στην έξοδο του shunt, το current sense monitor SOIC προσφέρει μεγάλη ακρίβεια μιας και ενισχύει είκοσι (20) φορές το σήμα του shunt resistor, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα στο πολύμετρο να το μετρήσει με μεγαλύτερη ακρίβεια. Επιπλέον προσθέτει και ένα output offset το οποίο στη συγκεκριμένη περίπτωση το ρύθμισα στο μισό της τάσης τροφοδοσίας του SSD. Δηλαδή η έξοδος του current sense monitor SOIC είναι:

2.5V + (20 x τα mV πτώσης πάνω στο shunt)

Έστω ότι έχουμε 10mV πτώση τάσης πάνω στο shunt ο παραπάνω τύπος γίνεται:

2.5V + (20 x 0.01V) = 2.7V

Οπότε 2.7V θα μας δείξει το πολύμετρο ή ο data logger στην έξοδο του κυκλώματος. Τώρα για να υπολογίσουμε τα Amps/Watts που καταναλώνονται πάνω στον SSD έχουμε.

2.7V - 2.5V (το output offset είναι ίσο με το μισό της τάσης τροφοδοσίας των 5V δηλαδή 2.5V) = 0.2V

Αφού το SOIC κάνει 20x ενίσχυση η πραγματική έξοδος του shunt είναι 0.2V/20 = 0.01V ή 10mV

Τα 10mV σε ένα 5Α/75mV shunt ισοδυναμούν με 0.66A ή 0.66A x 5V = 3.3W

Το επόμενο βήμα τώρα που τέλειωσε το κύκλωμα και επαληθεύτηκε η ορθή λειτουργία του είναι να αποφασίσω τι θα συνδέσω για την καταγραφή/μέτρηση των τάσεων και κατά συνέπεια της κατανάλωσης. Προσανατολίζομαι είτε σε έναν παλμογράφο, μιας και έχω αρκετούς, είτε σε ένα Labjack που είναι παιχνιδάκι στον προγραμματισμό και διαθέτει αρκετά γρήγορο ADC. Επίσης αν βρω χρόνο θα φτιάξω και μια σωστή πλακέτα μιας και αυτή που χρησιμοποίησα είναι στην ουσία για δοκιμές.

<img width="500" border=0 src="http://www.thelab.gr/gallery3/var/albums/Articles/Articles-Pictures/SSDs-consumption/IMG_4195.jpg" alt="" />

<img width="500" border=0 src="http://www.thelab.gr/gallery3/var/albums/Articles/Articles-Pictures/SSDs-consumption/IMG_4204.jpg" alt="" />

<img width="500" border=0 src="http://www.thelab.gr/gallery3/var/albums/Articles/Articles-Pictures/SSDs-consumption/IMG_4206.jpg" alt="" />

<img width="500" border=0 src="http://www.thelab.gr/gallery3/var/albums/Articles/Articles-Pictures/SSDs-consumption/WD1200BEVS Scorpio.png" alt="" />

Κατανάλωση ενός WD1200BEVS Scorpio σε idle

Κάπου εδώ τελείωσε και το σημερινό μικρό αλλά πιστεύω περιεκτικό άρθρο. Θα τα ξαναπούμε σύντομα (ελπίζω)!

crmaris

[dpolal]

Μερακλίδικα πράματα.

[TifoziF1]

[neuromancer]

ωραία πράγματα - μπράβο

(αν και πλέον καταβάλω λίγη παραπάνω προσπάθεια για να ανακαλέσω τις σχετικές θεωρητικές γνώσεις και να το παρακολουθήσω λεπτομερώς)

[ison]

Ωραιος ο αριστειδης...

[jpavly]

Μ' αρέσεις

Αν βάλεις και logging θα πάει αλλού το project

[crmaris]

Γιάννη το logging ήταν το easy part σε σύγκριση με τις κολλήσεις στα άτιμα τα SOIC. Τον κώδικα τον έχω ήδη έτοιμο, μένει να αποφασίσω αν θα χρησιμοποιήσω τον παλμογράφο ή ένα labjack. Μάλλον προς το δεύτερο το κόβω γιατί ο παλμογράφος πιάνει πολύ χώρο

[Hazzard23Tuner]

Χειροτεχνιες για μεγαλους;

ME GUSTA! (δεν ξεφευγουμε απο τα meme με τιποτα)

Πολυ ωραιος Αριστειδη!

[Seafalco]

Άρη πολύ καλός!!

Παιδεύτηκες όμως φίλε, και θα μπορούσες να το αποφύγεις.

Υπάρχει ένας απλός τρόπος να κανεις τη δουλειά με τα εξαρτήματα επιφανειακής στήριξης.

Βασική προυπόθεση να βρείς κάποια συγκεκριμένα pins

Ή ακόμα καλύτερα αυτά:

Άν χρησιμοποιήσεις τα διπλά, τότε κόβεις αυτό που θα στέκεται ψηλότερα από την πλακέτα (απλά η υπάρξή του άκοπου μέρους θα υποστηρίζει καλύτερα τα "ενεργά" πινς (ανάλογα με το πως σε βολεύει μπορείς να κάνεια και το αντίθετο, να χρησιμοποιήσεις τα πάνω πινς).

Στη συνέχεια με δύο μυτοτσίμπιδα, διαμορφώνεις τα άκρα των πινς έτσι ώστε να έρθουν στην σωστή απόσταση μεταξύ τους, έτσι ώστε να κάθεται σωστά το ολοκληρωμένο πάνω τους.

Είπα για δύο μυτοτσίμπιδα, γιατί με το ένα θα κρατάς σταθερό το πιν κολητά με την πλαστική βάση του και με το άλλο μυτοτσίμπιδο θα κάνεις τα απαραίτητα λυγίσματα, έτσι ώστε στο τελικό απότέλεσμα να μην υπάρχουν παραμένουσες μηχανικές τάσεις (που για την ώρα τις συγκρατεί η πλαστική βάση) οι οποίες θα εκδηλωθούν μόλις πάς να κάνεις τα κολήματα και το πλαστικό μαλακώσει.

Βέβαια αφού κλήσεις τα πινς στην πλακέτα και πρίν τοποθετήσεις τοολοκληρωμένο, μπορείς προσεκτικά να κάνεις μικρομετρικές ρυθμίσεις των αποστάσεων μεταξύ των πινς.

Με τον τρόπο αυτό θα μπορείς να κάνεις εύκολα την δουλειά, και ακοόμα και κάτι να συμβεί θα μπορείς εύκολα να αντικαταστήσεις το ολοκληρωμένο!

Πειραματίσου το , πιστέυω δεν θα δυσκολευτείς καθόλου.

Και μπορείς κάλιστα να αντικαταστήσεις την παρούσα (non μα non pro λύση!

Φίλε να 'σαι καλά να μας φτιάχνεις!!

[crmaris]

φτού και πρέπει να είχα τέτοια!!!

Δεν πειράζει όμως, έκανα εξάσκηση! Δάσκαλε (γιατί μπροστά σε σένα είμαι μαθητούδι ) το καλό ήταν ότι δεν έκαψα κανένα SOIC, γιατί αυτά τα άτιμα καίγονται πανεύκολα με το κολλητήρι.

Όταν βρω χρόνο θα το κάνω αυτό που προτείνεις, απλά δεν ξέρω αν θα αντέξουν τα ίδια SOIC άλλη ταλαιπωρία, οπότε πρέπει να βρω δύο άλλα..

[Seafalco]

Μια καλή ιδέα είναι η εξής:

Περνάς με λίγο καλάι τους ακροδέκτες των πιν όπου θα κοληθούν τα "ποδαράκια του ολοκληρωμένου.

Προσέχεις από την πάνω πλευρά όπου θα ακουμπήσει το ολοκληρωμένο να είναι η καλαωμένη επιφάνεια στο ίδιο επίπεδο (αυτό μπορείς να το ελέγξεις, τοποθετώντας το ολοκληρωμένο πάνω τους όταν είναι κρύα).

Εφ' όσον είναι επίπεδα και ακουμπούν σωστά τα πόδια του, το στερεώνεις με έλαφρά πίεση (π.χ. με μια μπροσέλα από αυτές που τις πατάς για να ανοίξουν) και μετά ζεσταίνεις τα πινς όχι πάνω στο σημείο που εφάπτονται τα ποδαράκια του ολοκληρωμένου, αλλά πιο πριν -προς την πλαστική βάση των πινς.

Με τον τρόπο αυτό το πιν θα ζεσταθεί αρκετά ώστε να λιώσει το καλάι, στην άκρη του πιν και κατά συνέπεια να μεταφερθεί αρκετή θερμότητα και στο ποδαράκι του ολοκληρωμένου, με αποτέλεσμα να κολήσει το ποδαράκι στην άκρη του πιν.

Για να διευκολύνης την συγκόληση, καλό θα ήταν στα ποδαράκια του ολοκληρωμένου να έχεις βάλει λίγη σολντερίνη (φλουξάιτ).

Αυτό εξατμιζόμενο θα καθαρίσει αφ' ενός τις επιφάνειες και αφετέρου θα σου δώσει ένα καλό σήμα ότι το ποδαράκι κόλλησε.

Αν δείς ότι υπάρχει ανάγκη να προστεθεί κόλληση, την ώρα που κολλάς ακούμπα την κόληση _προσεξε όχι την μύτη του κολητηριού, αυτή μένει μακρυά από το ποδαράκι-, ακούμπα το συρματάκι της κόλησης στην επιφάνεια του πίν όσο πιο κοντά μπορείς στο ποδαράκι, το καλάι θα λιώσει και το τριχοειδές φαινόμενο θα τραβήξει την κόληση ανάμεσα στην επιφάνεια του πιν και του παδαρακίου (!)

Μόλις κολήσεις δύο ποδαράκια μπορείς να αφαιρέσεις την μποσέλα, το ολοκληρωμένο δεν θα φύγει από τη θέση του.

Στη συνέχεια και για μεγαλύτερη ασφάλεια, μπορείς με λίγη θερμοαγώγιμη πάστα να "κολλήσεις" (ακουμπήσεις) στην πάνω πλευρά του ολοκληρωμένου ένα μικρό μεταλικό (κατά προτίμηση χάλκινο) φύλο (λαμάκι) , να είναι πρόσωπο με την πλευρά που κολλάς.

Κολάς 'ενα ποδαράκι και περιμένεις να κρυώσει και μετά πάς σε άλλο, όταν τελειώσεις την μία πλευρά, αλλάζεις την θέση της "ψύκτρας" και κολλάς και τη άλλη πλευρά.

Και μετά από ολα αυτά , καθαρίζεις καλά το όλο χειροτέχνημα, με διαλυτικό, για να φύγουν τελείως τα υπολείματα της σολντερίνης κ.λπ.

Καλού κακού, αφού καθαρίσεις καλά τα ποδαράκια κύτα με ένα μεγεθυντικό φακό αν έχει πάει σωστά η κόλληση ανάμεσα στα πινς και στα ποδαράκια.

Άρη καλή επιτυχία και περιμένουμε update!!

[crmaris]

δεν βρήκα τελικά αυτά τα rails με τα pins και έκανα άλλη πατέντα. Μετά από μερικές ώρες που αφιέρωσα η πλακέτα έγινε πολύ πιο σοβαρή.

[crmaris]

τελικά με το πολύμετρο χάνεις πάρα πολλά από τις μετρήσεις κατανάλωσης SSD/HDD

Ιδού τι έδειξε ο παλμογράφος από έναν WD1200BEVS Scorpio σε idle.

Το max και το low τα έχασε κατά πολύ μιας και το πολύμετρο δείχνει μια τιμή κοντά στο average (0.85) ενός όπως βλέπετε από το γράφημα ο παλμογράφος με το πολύ γρήγορο DAC πιάνει peaks στα 1.4W και min στα 0.61W!!!