Napájecí jednotka (počítač) - Power supply unit (computer)

Napájecí jednotka ATX s odstraněným horním krytem

Napájecí zdroj ( PSU ) konvertuje AC nízkého napětí regulované stejnosměrné napájení pro vnitřní komponenty počítače. Moderní osobní počítače všeobecně používají spínané napájecí zdroje . Některé napájecí zdroje mají manuální spínač pro výběr vstupního napětí, zatímco jiné se automaticky přizpůsobují síťovému napětí.

Většina moderních napájecích zdrojů pro osobní počítače odpovídá specifikaci ATX , která zahrnuje tolerance tvaru a napětí. I když je napájecí zdroj ATX připojen k síťovému napájení, vždy poskytuje napájení 5 voltů v pohotovostním režimu (5VSB), takže funkce pohotovostního režimu na počítači a některých periferních zařízeních jsou napájeny. Napájecí zdroje ATX se zapínají a vypínají signálem ze základní desky . Poskytují také signál základní desce, který indikuje, že jsou stejnosměrná napětí ve specifikaci, takže počítač je schopen bezpečně zapnout a spustit. Nejnovějším standardem ATX PSU je verze 2.31 z poloviny roku 2008.

Funkce

Zjednodušené schéma zapojení typického napájecího zdroje

Schéma typického obvodu regulátoru napětí XT a AT

Interní napájecí zdroj s pasivním PFC (vlevo) a aktivním PFC (vpravo)

Napájecí zdroj stolního počítače převádí střídavý proud (AC) z elektrické zásuvky z elektrické sítě na nízké napětí stejnosměrného proudu (DC) pro ovládání deska, procesor a periferní zařízení. Je požadováno několik stejnosměrných napětí, která musí být regulována s určitou přesností, aby zajišťovala stabilní provoz počítače.Napájecí kolejnice nebo napětí kolejnice označuje jeden napětí poskytované zdroje.

Některé napájecí zdroje také dodávají záložní napětí , takže většinu počítačového systému lze po přípravě na hibernaci nebo vypnutí vypnout a znovu zapnout pomocí události. Pohotovostní napájení umožňuje spuštění počítače na dálku přes Wake-on-LAN a Wake-on-ring nebo lokálně přes Keyboard Power ON (KBPO), pokud to základní deska podporuje. Toto pohotovostní napětí může být generováno malým lineárním napájecím zdrojem uvnitř jednotky nebo spínaným napájecím zdrojem, který sdílí některé komponenty s hlavní jednotkou, aby ušetřil náklady a energii.

Dějiny

Napájecí jednotky mikropočítačů a domácích počítačů první generace používaly těžký sestupný transformátor a lineární napájecí zdroj, jak se používá například v Commodore PET představeném v roce 1977. Apple II , také představený v roce 1977, byl známý svým spínaný napájecí zdroj , který byl lehčí a menší než ekvivalentní lineární napájecí zdroj, a který neměl žádný chladicí ventilátor. Spínaný zdroj používá vysokofrekvenční transformátor s feritovým jádrem a výkonové tranzistory, které se přepínají tisíckrát za sekundu. Úpravou doby sepnutí tranzistoru lze výstupní napětí úzce ovládat, aniž by se v lineárním regulátoru rozptylovala energie jako teplo. Vývoj vysokovýkonových a vysokonapěťových tranzistorů za ekonomické ceny umožnil zavést do stolních osobních počítačů dodávky spínaného režimu, které se používaly v letectví, sálových počítačích, minipočítačích a barevné televizi. Design Apple II od inženýra Atari Roda Holta získal patent a byl v čele moderního designu napájecího zdroje pro počítače. Nyní všechny moderní počítače používají spínané napájecí zdroje, které jsou lehčí, méně nákladné a účinnější než ekvivalentní lineární napájecí zdroje.

Napájecí zdroje počítače mohou mít ochranu proti zkratu, přepětí (přetížení), přepěťovou ochranu, podpěťovou ochranu, nadproudovou ochranu a ochranu proti přehřátí.

Přepínač vstupního napětí

Napájecí zdroje určené pro celosvětové použití byly kdysi vybaveny přepínačem vstupního napětí, který uživateli umožňoval konfigurovat jednotku pro použití v místní elektrické síti. V nižším napěťovém rozsahu, kolem 115 V, je tento přepínač zapnut a mění se usměrňovač napětí napájecí sítě na zdvojovač napětí v provedení delonového obvodu . Výsledkem bylo, že velký primární filtrační kondenzátor za tímto usměrňovačem byl rozdělen na dva kondenzátory zapojené do série, vyvážené odvzdušňovacími odpory a varistory, které byly nezbytné v oblasti horního vstupního napětí, kolem 230 V. Připojení jednotky konfigurované pro nižší rozsah do sítě s vyšším napětím obvykle mělo za následek okamžité trvalé poškození. Když byla požadována korekce účiníku (PFC), byly tyto filtrační kondenzátory nahrazeny kondenzátory s vyšší kapacitou spolu s cívkou instalovanou v sérii pro zpoždění zapínacího proudu. Toto je jednoduchý design pasivního PFC.

Aktivní PFC je složitější a může dosáhnout vyššího PF, a to až 99%. První aktivní obvody PFC jen zpozdily náběh. Novější fungují jako vstupní a výstupní převodník řízený podle stavu vstupu a výstupu, který dodává jeden 400 V filtrační kondenzátor ze širokopásmového vstupního zdroje, obvykle mezi 80 a 240 V. Novější obvody PFC také nahrazují náběhový proud na bázi NTC omezovač, což je drahá součást, která byla dříve umístěna vedle pojistky.

Rozvoj

PCB napájecího zdroje z klonu IBM XT

Typický napájecí spínač XT PSU, který je nedílnou součástí napájecího zdroje.

Původní standard IBM PC, XT a AT

První napájecí jednotka IBM PC (PSU) dodávala dvě hlavní napětí: +5  V a +12 V. Dodávala další dvě napětí, −5 V a −12 V, ale s omezeným množstvím energie. Většina mikročipů té doby fungovala na napájení 5 V. Z 63,5  W, které tyto PSU mohly dodat, byla většina na této +5 V liště.

Napájení +12 V se používalo především k ovládání motorů, jako jsou diskové jednotky a chladicí ventilátory. Jak bylo přidáno více periferií, bylo na 12 V kolejnici dodáváno více energie. Protože však většinu energie spotřebovávají čipy, 5 V kolejnice stále dodávala většinu energie. Lišta -12 V byla použita především k zajištění záporného napájecího napětí na sériových portech RS-232 . Pro periferní zařízení na sběrnici ISA (jako jsou zvukové karty) byla poskytnuta kolejnice -5 V, ale nebyla použita jinou základní deskou než původní základní deskou IBM PC.

Další vodič označovaný jako „Power Good“ se používá k zabránění provozu digitálních obvodů během počátečních milisekund zapnutí zdroje, kde výstupní napětí a proudy rostou, ale zatím nejsou dostatečné nebo stabilní pro správnou funkci zařízení. Jakmile je výstupní výkon připraven k použití, signál Power Good řekne digitálním obvodům, že mohou začít fungovat.

Originální napájecí zdroje IBM pro PC (model 5150), XT a AT obsahovaly vypínač síťového napětí, který se protáhl po straně skříně počítače. V běžné variantě nalezené ve věžích byl spínač síťového napětí připojen k napájecímu zdroji krátkým kabelem, což umožňovalo jeho montáž mimo napájecí zdroj.

Časný mikropočítačový napájecí zdroj byl buď plně zapnutý nebo vypnutý, ovládaný mechanickým spínačem síťového napětí a úsporné režimy s nízkým výkonem při nečinnosti nebyly konstrukční úvahou raných počítačových napájecích zdrojů. Tyto napájecí zdroje obecně nebyly schopné režimů úspory energie, jako je pohotovostní režim nebo „měkké vypnutí“ nebo plánované ovládání napájení.

Vzhledem ke stále zapnutému designu by v případě zkratu buď praskla pojistka, nebo by spínaný zdroj opakovaně přerušil napájení, počkal krátkou dobu a pokusil se restartovat. U některých napájecích zdrojů je opakované restartování slyšitelné jako tiché rychlé cvrlikání nebo tikot vyzařovaný ze zařízení.

Standard ATX

Převodník napětí pro procesory 80486DX4 (5 V až 3,3 V). Všimněte si chladiče na lineárním regulátoru , potřebného k rozptýlení zbytečné energie.

Typická instalace počítačového napájecího zdroje formátu ATX

Když Intel vyvinul standardní napájecí konektor ATX (publikovaný v roce 1995), mikročipy pracující na 3,3 V byly stále populárnější, počínaje mikroprocesorem Intel 80486DX4 v roce 1994 a standard ATX dodává tři kladné lišty: +3,3 V, +5 V a +12 V. Starší počítače vyžadující 3,3 V to obvykle odvozovaly z jednoduchého, ale neefektivního lineárního regulátoru připojeného k liště +5 V.

Konektor ATX poskytuje více vodičů a připojení napájení 3,3 V, protože je nejcitlivější na pokles napětí v napájecích přípojkách. Dalším přírůstkem ATX byla kolejnice +5 V SB (pohotovostní režim) pro poskytování malého množství energie v pohotovostním režimu , i když byl počítač nominálně „vypnutý“.

Mezi napájecími zdroji AT a ATX existují dva základní rozdíly : konektory zajišťující napájení základní desky a soft přepínač. V systémech typu ATX poskytuje vypínač na předním panelu pouze řídicí signál napájecímu zdroji a nespíná síťové napětí v síti. Toto řízení nízkého napětí umožňuje zapnout a vypnout systém jiným hardwarem nebo softwarem počítače .

Vzhledem k tomu, že napájecí zdroje ATX sdílejí oba, stejnou šířku a výšku (150 × 86 mm (5,9 × 3,4 palce)) a stejné montážní uspořádání (čtyři šrouby uspořádané na zadní straně jednotky), s předchozím formátem neexistuje zásadní fyzický rozdíl bránící případu AT přijmout napájecí zdroj ATX (nebo naopak, pokud skříň může obsahovat napájecí spínač potřebný pro AT PSU) za předpokladu, že konkrétní napájecí zdroj není pro konkrétní případ příliš dlouhý.

Standard ATX12V

Jak se tranzistory na čipech zmenšují, je výhodnější provozovat je na nižších napájecích napětích a nejnižší napájecí napětí často požaduje nejhustší čip, centrální procesorová jednotka . Aby bylo možné dodávat velké množství nízkonapěťového napájení Pentiu a následným mikroprocesorům, speciálnímu napájecímu zdroji, začal být modul regulátoru napětí součástí základních desek . Novější procesory vyžadují až 100 A při 2 V nebo méně, což je nepraktické z externích napájecích zdrojů.

Zpočátku to bylo napájeno hlavním zdrojem +5 V, ale jak se zvyšovaly požadavky na napájení, vysoké proudy potřebné k napájení dostatečného výkonu se staly problematickými. Aby se snížily ztráty energie v napájení 5 V , Intel zavedením mikroprocesoru Pentium 4 změnil napájení procesoru tak, aby fungovalo na +12 V, a do nového standardu ATX12V 1.0 přidal samostatný čtyřpinový konektor P4 ta síla.

Moderní vysoce výkonné jednotky pro zpracování grafiky dělají totéž, což vede k tomu, že většina požadavků na napájení moderního osobního počítače je na liště +12 V. Když byly poprvé představeny vysoce výkonné GPU, typické napájecí zdroje ATX byly „5 V těžké“ a mohly dodávat pouze 50–60% svého výkonu ve formě 12 V napájení. Proto výrobci GPU, aby zajistili 200–250 W 12 V napájení (špičkové zatížení, CPU+GPU), doporučovali napájecí zdroje 500–600 W nebo vyšší. Modernější zdroje ATX mohou dodávat téměř všechny (obvykle 80–90%) své celkové jmenovité kapacity ve formě napájení +12 V.

Z důvodu této změny je důležité při používání staršího zdroje ATX s novějším počítačem zvážit spíše napájecí kapacitu +12 V než celkovou kapacitu.

Výrobci napájecích zdrojů nízké kvality někdy využívají výhody této nadměrné specifikace přiřazením nerealisticky vysokých jmenovitých hodnot napájecích zdrojů, protože vědí, že jen velmi málo zákazníků plně rozumí hodnotám napájecích zdrojů.

Kolejnice +3,3 V a +5 V

Napájení kolejových napětí +3,3 V a +5 V je zřídka omezujícím faktorem; Obecně platí, že jakékoli napájení s dostatečným jmenovitým napětím +12 V bude mít odpovídající kapacitu při nižších napětích. Většina pevných disků nebo karet PCI však vytvoří větší zátěž na kolejnici +5 V.

Starší CPU a logická zařízení na základní desce byly navrženy pro provozní napětí 5 V. Napájecí zdroje pro tyto počítače přesně regulují výstup 5 V a napájejí lištu 12 V ve specifikovaném napěťovém okně v závislosti na poměru zatížení obou kolejnic. Napájení +12 V bylo použito pro motory ventilátorů počítačů, motory diskových jednotek a sériová rozhraní (která také používala napájení -12 V). Další použití 12 V přišlo se zvukovými kartami pomocí lineárních čipových zesilovačů zvuku , někdy filtrovaných 9 V lineárním regulátorem na kartě, aby se snížil hluk motorů.

Od určitých variant 80386 používají CPU nižší provozní napětí, například 3,3 nebo 3,45 V. Základní desky měly lineární regulátory napětí napájené z kolejnice 5 V. Propojky nebo dip přepínače nastavují výstupní napětí podle specifikací instalovaného CPU. Když novější CPU vyžadovaly vyšší proudy, nahradily z důvodu účinnosti lineární regulátory napěťové regulátory jako buck převodníky .

Od první revize standardu ATX musely napájecí zdroje mít lištu výstupního napětí 3,3 V. Lineární regulátor zřídka generoval těchto 3,3 V, napájených z 5 V a převádějící součin poklesu napětí a proudu na teplo. V nejběžnějším provedení je toto napětí generováno posunutím a transformací impulzů kolejnice 5 V na přídavnou tlumivku , což způsobí zpoždění nárůstu napětí a jeho samostatné usměrnění na vyhrazenou lištu 3,3 V a snížení rostoucího napětí naprázdno zařízením typ TL431 , který se chová podobně jako Zenerova dioda . Pozdější regulátory spravovaly všechny 3,3, 5 a 12 V kolejnice. Řezání impulsu regulátorem napětí je řízeno poměrem 3,3 a 5 V. Některé z těchto napájecích zdrojů používají dvě různé tlumivky, napájející 3,3 V lištu z transformátoru pro řízení měnících se zátěží pomocí pulsu s poměrem mezi 3,3 a 5 V výstupy. V provedeních využívajících identické tlumivky určuje poměr šířka impulzu.

U Pentium 4 a novějších počítačových generací se napětí pro jádra CPU snížilo pod 2 V. Pokles napětí na konektorech přinutil konstruktéry umístit takové převodníky bucku vedle zařízení. Vyšší maximální spotřeba energie vyžadovala, aby převodníky buck již nebyly napájeny z 5 V a změněny na vstup 12 V, aby se snížil požadovaný proud z napájecího zdroje.

V pohonech je instalován malý lineární regulátor napětí, který udržuje stabilitu +3,3 V napájením z kolejnice +5 V.

Specifikace napájecího zdroje základní úrovně

Entry-Level Power Supply Specification (EPS) je napájecí zdroj určený pro počítače s vysokou spotřebou energie a servery základní úrovně. Formulář EPS, vyvinutý na fóru Server System Infrastructure (SSI), skupiny společností včetně společností Intel, Dell, Hewlett-Packard a dalších, který pracuje na serverových standardech, je odvozen od formátu ATX . Poslední specifikace je v2.93.

Standard EPS poskytuje výkonnější a stabilnější prostředí pro kritické serverové systémy a aplikace. Napájecí zdroje EPS mají 24kolíkový napájecí konektor základní desky a osmipinový +12 V konektor. Standard také specifikuje dva další čtyřpinové 12 V konektory pro výkonově náročnější desky (jeden je vyžadován u 700–800 W napájecích zdrojů, oba jsou vyžadovány u 850 W+ napájecích zdrojů). Napájecí zdroje EPS jsou v zásadě kompatibilní se standardními základními deskami ATX nebo ATX12V, které najdete v domácnostech a kancelářích, ale mohou nastat mechanické problémy, kdy konektor 12 V a v případě starších desek přesahuje zásuvky. Mnoho prodejců napájecích zdrojů používá konektory, u nichž lze extra části odepnout, aby se tomuto problému vyhnuli. Stejně jako u novějších verzí standardu ATX PSU neexistuje ani kolejnice −5 V.

Single vs. multiple +12 V rail

Jak se zvyšovala kapacita napájecího zdroje, byl standard napájecího zdroje ATX změněn (počínaje verzí 2.0) tak, aby zahrnoval:

3.2.4. Limit výkonu / nebezpečné úrovně energie
Za normálních podmínek nebo při přetížení nesmí žádný výstup nepřetržitě poskytovat více než 240 VA za jakýchkoli podmínek zatížení včetně zkratu výstupu, podle požadavků UL 1950 / CSA 950 / EN 60950 / IEC 950.

-  Průvodce návrhem napájecího zdroje ATX12V, verze 2.2

Tento požadavek byl později odstraněn z verze 2.3 (březen 2007) specifikací napájecího zdroje ATX12V, ale vedl k rozlišení moderních napájecích zdrojů ATX mezi jednoduchými a více kolejnicemi.

Cílem pravidla bylo stanovit bezpečný limit proudu, který je schopen procházet jakýmkoli jediným výstupním vodičem. Dostatečně velký proud může způsobit vážné poškození v případě zkratu nebo může roztavit vodič nebo jeho izolaci v případě poruchy nebo potenciálně způsobit požár nebo poškodit jiné součásti. Toto pravidlo omezuje každý výstup na méně než 20  ampérů , přičemž typické zásoby zaručují dostupnost 18 A. Napájecí zdroje schopné dodávat více než 18 A při 12 V by poskytovaly svůj výstup ve skupinách kabelů (nazývaných „kolejnice“). Každá kolejnice dodává až omezené množství proudu přes jeden nebo více kabelů a každá kolejnice je nezávisle řízena vlastním proudovým čidlem, které při nadměrném proudu vypne napájení. Na rozdíl od pojistky nebo jističe se tyto limity resetují, jakmile je přetížení odstraněno. Napájecí zdroj obvykle zaručí alespoň 17 A při 12 V s omezením proudu 18,5 A ± 8% . Je tedy zaručeno, že bude dodávat alespoň 17 A, a zaručeně se odpojí před 20 A. Současné limity pro každou skupinu kabelů se poté zdokumentují, aby se uživatel mohl vyvarovat umístění příliš velkého množství silnoproudých zátěží do stejné skupiny.

Původně v době ATX 2.0, napájecí zdroj s „více kolejnicemi +12 V“ předpokládal, že je schopen dodat více než 20 A napájení +12 V, a byl považován za dobrou věc. Lidé však považovali potřebu vyvažovat zátěž napříč mnoha kolejnicemi +12 V za nepohodlnou, zvláště když napájecí zdroje vyšší třídy začaly dodávat mnohem větší proudy až kolem 2000 W nebo více než 150 A při 12 V (ve srovnání s 240 nebo 500 W dřívějších dob). Když je přiřazení konektorů ke kolejnicím provedeno ve výrobním čase, není vždy možné přesunout dané zatížení na jinou kolejnici nebo spravovat přidělování proudu napříč zařízeními.

Spíše než přidávat další obvody omezující proud se mnoho výrobců rozhodlo požadavek ignorovat a zvýšit proudové limity nad 20 A na kolejnici, nebo poskytli napájecí zdroje „s jednou kolejnicí“, které obvody s omezením proudu vynechávají. (V některých případech, v rozporu s jejich vlastními reklamními tvrzeními, že to zahrne.) Kvůli výše uvedeným standardům téměř všechny zdroje vysokého výkonu tvrdily, že implementují samostatné kolejnice, nicméně toto tvrzení bylo často nepravdivé; mnozí vynechali potřebné obvody omezující proud, a to jak z nákladových důvodů, tak proto, že to dráždí zákazníky. (Nedostatek byl a je někdy inzerován jako funkce pod názvy jako „železniční fúze“ nebo „aktuální sdílení“.)

V důsledku toho byl požadavek stažen, nicméně tato otázka zanechala stopy v návrzích napájecích zdrojů, které lze kategorizovat do provedení s jednoduchou a více kolejnicí. Oba mohou (a často obsahují) řadiče omezující proud. Od ATX 2.31 lze výstupní proud konstrukce jedné kolejnice odebírat libovolnou kombinací výstupních kabelů a správa a bezpečné rozdělení této zátěže je ponecháno na uživateli. Konstrukce více kolejnic dělá totéž, ale omezuje proud dodávaný každému jednotlivému konektoru (nebo skupině konektorů) a limity, které ukládá, jsou volbou výrobce, nikoli stanoveny standardem ATX.

Spotřební materiál pouze 12 V.

Konektor pouze 12 V na základní desce Fujitsu

Konektor ATX12VO

Od roku 2011 vyrábí společnost Fujitsu a další výrobci úrovně 1 systémy obsahující varianty základních desek, které vyžadují pouze napájení 12 V z na míru vyrobeného napájecího zdroje, který je obvykle dimenzován na 250–300 W. Konverze DC-DC na 5 V a 3,3 V se provádí na základní desce; návrh je takový, že napájení 5 V a 12 V pro jiná zařízení, jako jsou pevné disky, bude odebíráno na základní desce, nikoli ze samotného napájecího zdroje, i když se nezdá, že by byl od ledna 2012 plně implementován.

Důvodem tohoto přístupu k napájení je, že eliminuje problémy s křížovým zatížením, zjednodušuje a redukuje vnitřní zapojení, které může ovlivnit proudění vzduchu a chlazení, snižuje náklady, zvyšuje účinnost napájení a snižuje hluk tím, že snižuje otáčky ventilátoru napájecího zdroje pod ovládání základní desky.

Minimálně dva obchodní počítače Dell představené v roce 2013, OptiPlex 9020 a Precision T1700, jsou dodávány s napájecími zdroji pouze pro 12 V a implementují převod 5 V a 3,3 V výhradně na základní desce. Poté Lenovo ThinkCentre M93P využívá napájecí zdroj pouze 12 V a provádí převod 5 V a 3,3 V výhradně na základní desce IS8XM.

V roce 2019 Intel vydal nový standard založený na konstrukci všech 12 V, napájecí zdroj ATX12VO poskytuje pouze 12 V napěťový výstup, 5 V, 3,3 V napájení, podle potřeby USB , pevného disku a dalších zařízení, jsou transformovány na základní desce , ATX konektor základní desky je redukován z 24pólového na 10pinový. S názvem ATX12VO se neočekává, že nahradí současné standardy, ale bude existovat vedle něj. Na veletrhu CES 2020 skupina FSP ukázala první prototyp založený na novém standardu ATX12VO.

Podle návrhové příručky k napájení Single Rail Power Supply ATX12VO, kterou společnost Intel oficiálně zveřejnila v květnu 2020, byla v příručce uvedena podrobnost konstrukce pouze pro 12V a hlavní výhoda, která zahrnovala vyšší účinnost a nižší elektrické přerušení.

Jmenovitý výkon

Celkový příkon napájecího zdroje je omezen skutečností, že všechny napájecí lišty procházejí jedním transformátorem a jakýmkoli z jeho primárních bočních obvodů, jako jsou spínací komponenty. Celkové požadavky na výkon pro osobní počítač se mohou pohybovat od 250 W do více než 1000 W pro vysoce výkonný počítač s více grafickými kartami. Osobní počítače bez zvlášť výkonných procesorů nebo grafických karet obvykle vyžadují 300 až 500 W. Napájecí zdroje jsou navrženy přibližně o 40% vyšší než vypočítaná spotřeba energie systému . To chrání před snížením výkonu systému a před přetížením napájecího zdroje. Zdroje označit jejich celkový výkon výkon a štítek, jak je to stanoveno pomocí elektrického proudu limity pro každou z napětí dodávané. Některé napájecí zdroje mají ochranu proti přetížení.

Spotřeba energie systému je součtem jmenovitých výkonů pro všechny součásti počítačového systému, které čerpají z napájecího zdroje. Některé grafické karty (zejména více karet) a velké skupiny pevných disků mohou klást velmi vysoké nároky na 12v řady napájecího zdroje a pro tyto zátěže je hodnocení napájecího zdroje 12 V klíčové. Celkové jmenovité napětí 12 V na napájecím zdroji musí být vyšší než proud požadovaný těmito zařízeními, aby napájecí zdroj mohl plně sloužit systému, když jsou zohledněny jeho další 12 V systémové součásti. Výrobci těchto komponent počítačového systému, zejména grafických karet, mají tendenci nadhodnocovat své požadavky na napájení, aby minimalizovali problémy s podporou kvůli příliš nízkému napájení.

Účinnost

Existují různé iniciativy ke zlepšení účinnosti počítačových napájecích zdrojů. Iniciativa Computing iniciativy Climate Savers podporuje úsporu energie a snižování emisí skleníkových plynů podporou rozvoje a využívání účinnějších zdrojů energie. 80 Plus certifikuje různé úrovně účinnosti napájecích zdrojů a podporuje jejich využívání prostřednictvím finančních pobídek. Účinné napájecí zdroje také šetří peníze tím, že plýtvají méně energie; v důsledku toho spotřebovávají méně elektřiny na napájení stejného počítače a vyzařují méně odpadního tepla, což má za následek výrazné úspory energie na centrální klimatizaci v létě. Zisky z používání účinného napájecího zdroje jsou podstatnější u počítačů, které spotřebovávají hodně energie.

Přestože napájecí zdroj s vyšším než potřebným výkonem bude mít dodatečnou rezervu bezpečnosti proti přetížení, taková jednotka je často méně účinná a plýtvá více elektřiny při nižším zatížení než jednotka vhodnější velikosti. Například napájecí zdroj 900 W s hodnocením účinnosti 80 Plus Silver (což znamená, že takový napájecí zdroj je navržen tak, aby měl účinnost alespoň 85% pro zátěže nad 180 W), může být účinný pouze 73%, pokud je zátěž nižší než 100 W, což je typický klidový výkon stolního počítače. Pro zátěž 100 W by tedy ztráty pro tuto dodávku byly 27 W; pokud by byl stejný napájecí zdroj uveden pod zátěž 450 W, u které účinnost zdroje dosahuje vrcholu 89%, byla by ztráta pouze 56 W, přestože dodává 4,5krát užitečný výkon. Pro srovnání, 500wattový napájecí zdroj s hodnocením účinnosti 80 Plus Bronze (což znamená, že takový napájecí zdroj je navržen tak, aby měl účinnost alespoň 82% pro zátěže nad 100 W) může poskytovat účinnost 84% na 100 W zatížení, ztrácí pouze 19 W. Další hodnocení, jako je 80 plus zlato, 80 plus platina a 80 plus titan, také poskytuje stejné hodnocení. 80 plus zlato poskytuje 87% účinnost při 100% zátěži, 80 plus platina poskytuje 90% účinnost a 80 plus titan poskytuje nejlepší účinnost na 94%. [1]

Napájecí zdroj, který je sám certifikován výrobcem, může požadovat dvojnásobné nebo vyšší jmenovité hodnoty, než jaké jsou ve skutečnosti poskytovány. Aby se tato možnost ještě více zkomplikovala, když existují dvě kolejnice, které sdílejí energii prostřednictvím down-regulace, také se stává, že buď 12 V kolejnice, nebo 5 V kolejnice se přetíží výrazně pod celkovým jmenovitým výkonem zdroje. Mnoho napájecích zdrojů vytváří svůj 3,3 V výstup down-regulací svých 5 V kolejnic, nebo vytváří 5 V výstup down-regulací svých 12 V kolejnic. Dvě zapojené kolejnice jsou na napájecím zdroji označeny kombinovaným proudovým limitem. Například5  V aKolejnice 3,3  V jsou dimenzovány na kombinovaný celkový proudový limit. Pro popis potenciálního problému může mít lišta 3,3 V hodnocení 10 A sama o sobě (33  W ) a kolejnice 5 V může mít a20  A hodnocení (100  W ), ale oba dohromady mohou být schopny produkovat pouze 110 W.

Test v roce 2005 odhalil, že napájecí zdroje počítače mají obecně účinnost přibližně 70–80%. Aby 75% efektivní napájecí zdroj produkoval 75 W stejnosměrného výkonu, bylo by zapotřebí 100 W střídavého vstupu a zbývajících 25 W by bylo rozptýleno teplem. Vysoce kvalitní napájecí zdroje mohou mít účinnost přes 80%; v důsledku toho energeticky účinné napájecí zdroje plýtvají méně energie teplem a vyžadují menší průtok vzduchu k ochlazení, což má za následek tišší provoz.

Od roku 2012 mohou některé špičkové spotřební napájecí zdroje překročit 90% účinnost při optimálních úrovních zátěže, ale při těžkých nebo lehkých zátěžích klesnou na 87–89%. Zdroje napájení pro servery Google jsou účinné více než 90%. Napájecí zdroje pro servery HP dosáhly účinnosti 94%. Standardní zdroje PSU prodávané pro serverové pracovní stanice mají od roku 2010 účinnost přibližně 90%.

Energetická účinnost napájecího zdroje při nízkém zatížení výrazně klesá. Proto je důležité přizpůsobit kapacitu zdroje napájení potřebám počítače. Účinnost obecně vrcholí při přibližně 50–75% zatížení. Křivka se liší model od modelu (příklady toho, jak tato křivka vypadá, lze vidět na zkušebních protokolech energeticky účinných modelů na webu 80 Plus ).

Vzhled

Různé konektory dostupné z napájecího zdroje počítače

Většina napájecích zdrojů pro osobní počítače je čtvercová kovová krabice a z jednoho konce vychází velký svazek vodičů. Naproti svazku vodičů je zadní strana napájecího zdroje s větracím otvorem a konektorem IEC 60320 C14 pro napájení střídavým proudem. Může existovat vypínač a/nebo přepínač napětí. Historicky byly namontovány na horní část počítačové skříně a měly dva ventilátory: jeden, uvnitř skříně, táhnoucí vzduch směrem k napájecímu zdroji a druhý, odsávající vzduch z napájecího zdroje ven. Mnoho napájecích zdrojů má uvnitř skříně jeden velký ventilátor a je namontován ve spodní části skříně. Ventilátor může být vždy zapnutý nebo zapnutý a může měnit své otáčky v závislosti na zatížení. Některé nemají žádné ventilátory, a proto jsou chlazeny zcela pasivně.

Štítek na jedné straně krabice obsahuje technické informace o napájecím zdroji, včetně bezpečnostních certifikací a maximálního výstupního výkonu. Společné certifikační značky pro bezpečnost jsou UL značka , značka GS , TÜV , NEMKO , SEMKO , DEMKO, FIMKO, CCC , CSA , VDE , GOST R značka a BSMI. Společnými značkami certifikátů pro EMI/RFI jsou značka CE , FCC a C-tick. Označení CE je vyžadováno pro napájecí zdroje prodávané v Evropě a Indii. RoHS nebo 80 Plus může také někdy být viděn.

Rozměry napájecího zdroje ATX jsou 150 mm šířka, 86 mm výška a typicky 140 mm hloubka, i když se hloubka může u jednotlivých značek lišit.

Některé napájecí zdroje jsou vybaveny kabely s rukávy, které kromě toho, že jsou estetičtější, také usnadňují zapojení a mají méně škodlivý vliv na proudění vzduchu.

Konektory

Napájecí zdroje mají obvykle následující konektory (všechny jsou Molex (USA) Inc Mini-Fit Jr, není-li uvedeno jinak):

• Napájecí konektor základní desky ATX (obvykle se nazývá P1 ): Jedná se o konektor, který jde k základní desce, aby jí poskytl energii. Konektor má 20 nebo 24 pinů. Jeden z pinů patří k vodiči PS-ON (obvykle je zelený). Tento konektor je největší ze všech konektorů. Ve starších napájecích zdrojích AT byl tento konektor rozdělen na dvě části: P8 a P9 . Na základní desce s 20kolíkovým konektorem lze použít napájecí zdroj s 24kolíkovým konektorem. V případech, kdy má základní deska 24kolíkový konektor, jsou některé napájecí zdroje dodávány se dvěma konektory (jeden s 20kolíkovým a druhý se 4pólovým, tj. 20+4pólovým tvarem), které lze použít společně k vytvoření 24pólového konektoru. pinový konektor.
• Napájecí konektor pouze 12V (označený P1 , i když není kompatibilní s 20 nebo 24kolíkovým konektorem ATX): Jedná se o 10 nebo 16kolíkový konektor Molex, který dodává základní desce tři nebo šest linek 12 V se společným návratem. Signál OK ', signál' PSU ON 'a pomocné napájení 12 nebo 11 V. Jeden kolík zůstane nevyužit.
• Monitorování systému pouze na 12V ( P10 ): Jedná se o konektor 171822-8 AMP nebo ekvivalentní, který nese napájení ventilátoru napájecího zdroje a zpětné hlášení.
• 4-pinový napájecí konektor ATX12V (také nazývaný napájecí konektor P4 ). Druhý konektor, který jde na základní desku (kromě 24kolíkového konektoru základní desky ATX), který dodává vyhrazené napájení procesoru. 4+4-pin Pro účely zpětné kompatibility, u některých konektorů určených pro základní desky a procesory vyšší třídy, je zapotřebí více energie, proto má EPS12V 8-pinový konektor.
• 

  4pinový periferní napájecí konektor
  4pinové periferní napájecí konektory: To jsou další, menší konektory, které se používají k různým diskovým jednotkám počítače. Většina z nich má čtyři dráty: dva černé, jeden červený a jeden žlutý. Na rozdíl od US standardní síťový elektrických vodičů barevného kódování , každý černý vodič je důvod je červený vodič je 5 V, a žlutý vodič je 12 V. V některých případech jsou tyto také použit pro další napájení PCI karty, jako karty FireWire 800 .
• 4pinové napájecí konektory Molex (Japonsko) Ltd (obvykle nazývané minikonektor , mini-Molex nebo Berg konektor ): Jedná se o jeden z nejmenších konektorů, který napájí 3,5palcovou disketovou jednotku . V některých případech může být použit jako pomocný konektor pro grafické karty Accelerated Graphics Port (AGP). Jeho konfigurace kabelu je podobná konektoru Peripheral.
• Konektory pomocného napájení: Existuje několik typů pomocných konektorů, obvykle v 6pólové formě, navržených tak, aby v případě potřeby poskytovaly další napájení.
• Napájecí konektory Serial ATA : 15kolíkový konektor pro komponenty, které používají konektory SATA. Tento konektor napájí při třech různých napětí: +3,3, +5 a +12 V, ve třech čepů na drát, prostor, který má plnicí kapacitní zátěže na za tepla ucpávání navržených backplanes .
• 6kolíkové Většina moderních počítačových napájecích zdrojů obsahuje šestipinové konektory, které se obecně používají pro grafické karty PCI Express , ale na nejnovějších napájecích zdrojích by měl být k vidění nově představený osmipinový konektor. Každý 6pinový konektor PCI Express může produkovat maximálně 75 W.
• 6+2kolíkové Za účelem zpětné kompatibility některé konektory určené pro použití s grafickými kartami vyšší třídy PCI Express mají tento typ konfigurace pinů. Umožňuje připojení buď šestipinové karty, nebo osmipinové karty pomocí dvou samostatných připojovacích modulů zapojených do stejného pláště: jeden se šesti piny a druhý se dvěma piny. Každý 8pinový konektor PCI Express může produkovat maximálně 150 W.
• K připojení napájecího zdroje k místní elektrické síti se používá konektor IEC 60320 C14 s příslušným kabelem C13 .

Modulární napájecí zdroje

Polomodulární napájecí zdroj vlevo a nemodulární napájecí zdroj vpravo

Modulární napájecí zdroj poskytuje odnímatelný kabelový systém, který nabízí možnost odstranit nepoužitá připojení na úkor malého množství dodatečného elektrického odporu zavedeného přídavným konektorem. Tím se sníží nepořádek, odstraní se riziko, že by visící kabely zasahovaly do jiných komponent, a může se zlepšit proudění vzduchu ve skříni. Mnoho semi-modulárních dodávek má nějaké trvalé vícevodičové kabely s konektory na koncích, jako je základní deska ATX a 8kolíkový EPS , ačkoli novější zdroje prodávané jako „plně modulární“ umožňují i ​​tyto odpojit. Přiřazení pinů odpojitelných kabelů je standardizováno pouze na výstupním konci, nikoli na konci, který má být připojen k napájecímu zdroji. Kabely modulárního napájecího zdroje tedy musí být použity pouze s tímto konkrétním modulárním modelem napájecího zdroje. Použití s ​​jiným modulárním napájecím zdrojem, i když je kabel na první pohled kompatibilní, může mít za následek nesprávné přiřazení pinů, a proto může vést k poškození připojených komponent napájením 12 V na 5 V nebo 3,3 V pinu.

Jiné formální faktory

Malé Form Factor s konfigurací 12 V konektoru (SFX12V) byl optimalizován pro malé tvarový faktor rozložení systému (SFN). Nízký profil napájecího zdroje se do těchto systémů snadno hodí.

Konfigurace Thin Form Factor s konfigurací 12 V konektoru (TFX12V) byla optimalizována pro malá a nízkoprofilová uspořádání systému microATX a FlexATX . Dlouhý úzký profil napájecího zdroje se snadno vejde do nízkoprofilových systémů. Umístění chladicího ventilátoru lze použít k efektivnímu odsávání vzduchu z procesoru a oblasti jádra základní desky, což umožňuje menší a efektivnější systémy využívající běžné průmyslové komponenty.

Většina přenosných počítačů má napájecí zdroje o výkonu 25 až 200 W. V přenosných počítačích (například v přenosných počítačích ) je obvykle k dispozici externí napájecí zdroj (někdy se mu kvůli jeho podobnosti, velikosti, tvaru a hmotnosti říká „napájecí cihla“). na skutečnou cihlu ), která převádí střídavé napájení na jedno stejnosměrné napětí (nejčastěji 19 V), a dále dochází ke konverzi stejnosměrného proudu v notebooku, aby bylo dodáno různé stejnosměrné napětí požadované ostatními součástmi přenosného počítače.

Externí napájecí zdroj by mohl odesílat data o sobě (hodnocení výkonu, proudu a napětí) do počítače. Například originální napájecí zdroj Dell používá k odesílání dat třetím kabelem do notebooku 1-Wire protokol . Notebook poté odmítne adaptér, který se neshoduje.

Některé počítače používají napájecí napětí 12 V s jedním napětím. Všechna ostatní napětí jsou generována moduly regulátoru napětí na základní desce.

• 

  Zdroj SFX s tvarovým faktorem

• 

  PSX zdrojový faktor TFX

• 

  Zdrojový zdroj FlexATX

• 

  Dříve používaný AT PSU, mechanicky stejné velikosti jako ATX PSU

• 

  Napájení PS3, kratší než ATX, pouze, maximálně 300 W (nezaměňovat s PlayStation 3 )

• 

  Adaptér umožňující napájecímu zdroji SFX nahradit napájecí zdroj ATX nebo PS3

Životnost

Životnost je obvykle specifikována jako střední doba mezi poruchami (MTBF), kde vyšší hodnocení MTBF znamená delší životnost zařízení a lepší spolehlivost. Použití kvalitnějších elektrických komponentů s nižšími hodnotami, než jsou jejich maximální hodnoty, nebo zajištění lepšího chlazení může přispět k vyššímu hodnocení MTBF, protože nižší napětí a nižší provozní teploty snižují poruchovost součástí.

Odhadovaná hodnota MTBF 100 000 hodin (zhruba 140 měsíců) při 25 ° C a při plném zatížení je poměrně běžná. Takové hodnocení očekává, že za popsaných podmínek bude 77% napájecích zdrojů fungovat bez poruch po dobu tří let (36 měsíců); ekvivalentně se očekává, že 23% bloků selže do tří let provozu. Ve stejném příkladu se očekává, že pouze 37% jednotek (méně než polovina) vydrží 100 000 hodin bez selhání. Vzorec pro výpočet predikované spolehlivosti , R (t) , je

R ( t ) = e ^{- t/t _MTBF}

kde t je doba provozu ve stejných časových jednotkách jako specifikace MTBF, e je 2,71828, a t _MTBF je hodnota MTBF specifikovaná výrobcem.

Napájecí zdroje pro servery, průmyslová řídicí zařízení nebo jiná místa, kde je důležitá spolehlivost, mohou být vyměnitelné za provozu a mohou zahrnovat redundanci N +1 a nepřerušitelné napájení ; pokud je ke splnění požadavku zátěže požadováno N napájecích zdrojů, je nainstalován jeden přídavný, který zajistí redundanci a umožní výměnu vadného napájecího zdroje bez prostojů.

Schémata zapojení

Vývody napájecích konektorů základní desky ATX 2.x, 24kolíkové (nahoře) a čtyřpólové „P4“ (dole), při pohledu na protilehlou stranu konektorů

24pinová napájecí zástrčka základní desky ATX; piny 11, 12, 23 a 24 tvoří odpojitelnou samostatnou čtyřpólovou zástrčku, díky čemuž je zpětně kompatibilní s 20kolíkovými zásuvkami ATX

Testování

„Tester napájecího zdroje“ je nástroj používaný k testování funkčnosti napájecího zdroje počítače. Testeři mohou potvrdit přítomnost správného napětí na každém napájecím konektoru. Pro nejpřesnější měření se doporučuje testování při zatížení.

• 

  ATX tester PSU s LCD

• 

  ATX tester PSU s LED indikátory

• 

  Zkoušky zvlnění se provádějí s externím zátěžovým a monitorovacím zařízením

Monitorování

Napětí napájecího zdroje lze monitorovat hardwarovým monitorem většiny moderních základních desek. To lze často provést prostřednictvím sekce v systému BIOS nebo, je -li spuštěn operační systém , pomocí softwaru pro sledování systému, jako jsou lm_sensors v Linuxu , envstat v NetBSD , sysctl hw.sensors v OpenBSD a DragonFly BSD nebo SpeedFan ve Windows.

Většina ventilátorů napájecího zdroje není připojena ke snímači otáček na základní desce, a nelze je tedy monitorovat, ale některé špičkové napájecí zdroje mohou poskytovat digitální ovládání a monitorování, a to vyžaduje připojení k senzoru rychlosti ventilátoru nebo USB portu na základní desce .

Viz také

• IEC 62700 (DC napájecí zdroj pro notebooky)
• Seznam výrobců počítačových napájecích zdrojů
• Řízení spotřeby
• Tiché PC
• Spínané napájecí aplikace

Poznámky

Reference

Další čtení

Specifikace napájecího zdroje ATX

• Průvodce návrhem napájecího zdroje ATX12V, v2.01
• Průvodce návrhem napájecího zdroje ATX12V, v2.2
• ATX12V Power Supply Design Guide, v2.3 (Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factors, v1.1)
• ATX12V Power Supply Design Guide, v2.31 (Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factors, v1.2)
• ATX12V Power Supply Design Guide, v2.4 (Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factors, v1.31)

externí odkazy

• Jak fungují napájecí zdroje pro PC
• Web s informacemi a výzkumem o účinnosti napájení v aktivním režimu
• Opravy a údržba počítače: Podrobný pohled na napájecí zdroj
• Co je napájení pro počítače?
• Různé napájecí kabely a konektory
• Velikosti napájecích zdrojů , konektory a certifikace a zkušební postupy

Počítačové kalkulačky napájení

• Kalkulačka napájení OuterVision (často aktualizovaná)
• Kalkulačka napájení SnooP a goodone's ; zajišťuje distribuci elektrického proudu kolejnic
• Počítačová kalkulačka napájení (aktualizována čtvrtletně)