Surse de alimentare pentru PC-uri și servere: la ce trebuie să acordați atenție!

Atunci când alegeți componentele potrivite, sursa de alimentare joacă adesea un rol subordonat. Retrospectiv, aceasta se poate dovedi a fi o greșeală gravă. Deoarece blocarea inexplicabilă a sistemului poate provoca, de asemenea, o unitate de alimentare selectată incorect. În plus, o unitate de alimentare dimensionată corect (eficiența energetică) joacă un rol din ce în ce mai important pe parcursul creșterii constante a costurilor cu energia. Dar de ce energie electrică are nevoie un sistem și ce trebuie să luați în considerare atunci când cumpărați o unitate de alimentare? Ce putere furnizează și ce înseamnă de fapt informațiile adesea de neînțeles de pe placa de identificare a unităților de alimentare?

Specificațiile corespunzătoare sunt un ghid important pentru comutarea surselor de alimentare. În acestea, comitetele definesc parametrii electrici și mecanici ai furnizorilor de energie. Aceste specificații oferă adesea producătorilor o mare marjă de manevră atunci când dezvoltă surse de alimentare de comutare, astfel încât informațiile de pe plăcuțe nu sunt întotdeauna comparabile direct.

Unii producători de surse de energie le place să prezinte cifre de înaltă performanță. Potrivit devizei: „Cu cât este mai multă putere, cu atât este mai bună sursa de alimentare.” Dar mai ales în cazul surselor de alimentare în modul comutat, nu ar trebui să fii supus acestei erori, deoarece uneori supradimensionarea este un dezavantaj, așa cum explică articolul nostru. În plus, explicăm cum funcționează o sursă de alimentare în modul comutat în principiu și evidențiem cei mai importanți parametri electrici precum eficiența, puterea combinată și PFC.

Dacă sunteți mai interesat de liniile directoare Energy Star 4.0, îl veți găsi în raportul: Energy Star 4.0: Noi linii directoare de economisire a energiei pentru PC-uri și notebook-uri. Articolul Netzteile: Noile standarde pentru PC-uri și servere este dedicat standardelor surselor de alimentare. Modul de economisire a energiei electrice cu hardware-ul serverului este descris în articolul test practic: Economisirea energiei electrice cu hardware-ul serverului.

Cum funcționează sursele de alimentare cu comutare

Sursele de alimentare care sunt încă utilizate astăzi funcționează practic cu un transformator, un redresor și un element de control liniar. Dezavantajele acestei soluții acum învechite, dar încă foarte ieftine sunt disiparea mare a puterii, volumul mare și greutatea corespunzătoare ridicată. Pe de altă parte, există sursa de alimentare cu regim de comutare, cu o eficiență relativ ridicată, de obicei de la 60 la 90%, cu o greutate mai mică și dimensiuni mai mici. Cu toate acestea, aceste avantaje față de o sursă de alimentare convențională trebuie cumpărate la un preț mai mare.

Tensiunea de rețea de intrare de 220 volți și 50 Hz este rectificată și netezită aproximativ printr-un redresor și un condensator de filtrare. Un transmițător de putere și un tranzistor de comutare formează inima unei surse de alimentare în modul de comutare. Această unitate „toacă” tensiunea DC cu o frecvență de aproximativ 50 kHz și o transformă la o tensiune mai mică. Un redresor din aval, care include șocul de ieșire și condensatorul de filtrare, asigură o tensiune continuă de ieșire "curată". Circuitul de control și reglare, care este alimentat înapoi la tranzistorul de comutare, menține tensiunea de ieșire la o valoare constantă, indiferent de sarcina comutată. Acest principiu poate fi aplicat tuturor ramurilor de tensiune, cum ar fi 12, 5 sau 3,3 V.

Specificațiile sursei de alimentare pentru desktopuri

Sursele de alimentare pentru computerele desktop sunt în mare parte supuse specificațiilor FormFactors.org. Una dintre cele mai importante specificații este Ghidul de proiectare a sursei de alimentare ATX12V, a cărui versiune 2.3 este disponibilă din martie 2007. Toți parametrii electrici și mecanici ai unei surse de alimentare sunt specificați în acesta. Comparativ cu versiunea 2.2 anterioară, domeniul de tensiune a fost tolerat mai atent pentru unii parametri.

Tabelul următor arată abaterile permise ale tensiunilor de ieșire de la valoarea nominală a unei unități de alimentare. Dacă valorile tensiunii se încadrează în aceste intervale, sistemul de calcul nu trebuie să fie influențat negativ. În plus, specificațiile ATX permit o ondulare reziduală a tensiunilor de ieșire de 50 sau 120 mV pe liniile corespunzătoare.

Linia de tensiune

Deviere [%]

Min. [V]

Nom. [V]

Max. [V]

Ripple [mVpp]

Specificația ATX versiunea 2.3 conține specificații pentru surse de alimentare între 180 și 450 de wați. Specificațiile pentru o unitate de alimentare de 450 wați recomandă următorii curenți pentru ramurile de tensiune corespunzătoare. Cu toate acestea, curenții de vârf nu trebuie folosiți mai mult de 17 secunde pe minut. Și în acest domeniu, valorile limită au fost oarecum înăsprite. De exemplu, FormFactors.org a redus ușor curentul minim pe unele linii și a mărit valorile curentului de vârf în consecință.

Linia de tensiune

Curent minim [A]

Curent maxim [A]

Curent de vârf [A]

Conform specificațiilor, o sursă de alimentare ATX trebuie să funcționeze în continuare corespunzător pe partea primară în intervalele de tensiune de intrare specificate. Cu o tensiune nominală de intrare de 230 VAC, tensiunea poate fi între 180 și 265 VAC. Cu o rețea de 115 VAC, tensiunea poate varia între 90 și 135 VAC. Frecvența nu trebuie să scadă sub sau să depășească pragurile de toleranță de 47 și 63 Hz.

Specificații de alimentare cu energie pentru servere

Infrastructura de sistem server (SSI) are grijă de specificațiile surselor de alimentare ale serverului. Actualul ghid de proiectare a sursei de alimentare EPS12V combină cele mai importante specificații din versiunea 2.92.

Tabelul următor compară abaterile de tensiune de la valorile nominale ale diferitelor linii de tensiune și ondulația reziduală. Comparativ cu specificațiile ATX, specificațiile EPS pentru sursele de alimentare ale serverului sunt supuse unor toleranțe mult mai stricte. Cu sursele de alimentare ATX, de exemplu, tensiunile principale pot devia cu +/- 5%, cu EPS este doar +5 și -3%.

Linia de tensiune

Deviere [%]

Min. [V]

Nom. [V]

Max. [V]

Ripple [mVpp]

Valorile dintre paranteze indică valorile opționale pentru tensiunile de ieșire mai tolerate ale unei unități de alimentare.

Pentru a satisface cererea crescută de energie, specificațiile trebuie să fie întotdeauna adaptate la nevoile pieței și să definească specificațiile pentru surse de alimentare mai puternice. Versiunea curentă a specificației EPS 2.92 pentru o unitate de alimentare de 950 W prescrie curenții enumerați în tabel pentru liniile de tensiune corespunzătoare. Cu toate acestea, curenții de vârf pot fi preluați numai de la unitatea de alimentare pe o perioadă de 12 secunde.

Linia de tensiune

Consum curent minim [A]

Consum maxim de curent [A]

La fel ca sursele de alimentare cu comutare ATX, furnizorii de energie pentru serverul EPS au, de asemenea, un interval de tensiune variabilă de intrare. Aceasta este între 180 și 264 VAC pentru rețeaua de tensiune de 230 VAC și între 90 și 140 VAC pentru 115 VAC. Frecvența se poate abate de la standardul de 50 Hz între 47 și 63 Hz.

Eficiența surselor de alimentare de comutare

Un parametru rar luat în considerare în sursele de alimentare cu comutare este eficiența. Pentru modelele actuale, aceasta este între 60 și 80%. Aceasta înseamnă că unitatea de alimentare cu energie irosește aproximativ o cincime din energia utilizată ca căldură inutilă. De exemplu, dacă un sistem computerizat extrage 500 de wați de energie electrică de la priză, atunci cu o eficiență de 80 la sută, 100 de wați sunt alocați unității de alimentare. Restul de 400 de wați sunt disponibili pentru componentele computerului ca energie utilă.

Eficiența se calculează din raportul puterii active la ieșire și la intrare. Cu cât valoarea este mai mare, cu atât mai eficient funcționează sursa de alimentare. Specificațiile actuale ATX și EPS stipulează o eficiență de cel puțin 65% cu o sarcină de 20%. La jumătate de sarcină, furnizorul de energie ar trebui să lucreze cu o eficiență de 72 la sută, iar la sarcini complete 75 la sută este suficient. Cu toate acestea, ambele specificații recomandă o eficiență de cel puțin 80% pentru aceste trei game de sarcină.

Imaginea arată o curbă tipică a eficienței unei surse de alimentare de comutare (Cisco 34-0873-01). Dispozitivul funcționează relativ neeconomic până la o încărcare de aproximativ 5% cu o eficiență de la 0 la 60%. Sursa de alimentare cu comutare atinge cea mai mare eficiență de aproximativ 85%, cu o sarcină de 50%. La sarcină maximă, eficiența scade la aproximativ 82%.

Sursele de alimentare de 80 de plus oferă o eficiență energetică mai mare

Liniile directoare Energy Star 4.0 și nou-creatul standard 80-plus sunt o parte importantă a viitoarelor surse de alimentare. Aceasta se referă în mod specific la sursele de alimentare utilizate în computer. Noile specificații pentru sursa de alimentare necesită nu numai un grad ridicat de eficiență, ci și o calitate mai bună a energiei dispozitivelor. Dacă sursele de alimentare respectă reglementările stricte, acestea pot fi împodobite cu sigla corespunzătoare.

Eficiența se formează din coeficientul puterii active de ieșire la puterea activă de intrare. Cu cât acest factor este mai mare (în mod ideal 1 sau 100%), cu atât este mai bună sursa de alimentare sau eficiența. Cu cât eficiența este mai mică, cu atât unitatea de alimentare cu energie electrică se transformă în energie termică inutilă. Sursele de alimentare disponibile anterior în comerț funcționează cu o eficiență de aproximativ 60 până la 70 la sută la 50 la sută de utilizare. Eficiența se deteriorează dacă sursa de alimentare funcționează în afara valorii procentuale de ghidare.

Regulamentul cu 80 de plus pentru sursele de alimentare interne pentru birou stipulează că eficiența nu trebuie să scadă sub 80 la sută cu 20, 50 și 100 la sută utilizarea electrică a distribuitorului de energie. Pentru a obține o certificare de 80 de plus pentru o sursă de alimentare, producătorul trebuie să verifice aceste valori de către 80plus.org. Datele testului sunt înregistrate într-un raport de testare și publicate pe site-ul web.

Comparativ cu unitățile de alimentare interne de birou anterioare, o eficiență de 80% poate fi obținută numai cu bucle de control precise în unitatea de alimentare cu comutare și cu componente foarte bine tolerate. Prin urmare, aceste măsuri cresc costurile de producție pentru o unitate de alimentare cu energie atât de eficientă.

Mai multă eficiență: calitate în loc de cantitate

Eficiența de 80% are mai multe efecte secundare pozitive. În primul rând, unitatea de alimentare generează mai puțină energie inutilă în comparație cu unitățile de alimentare convenționale cu aceeași putere activă. Acest lucru are ca rezultat costuri mai mici de energie electrică pentru utilizator. În plus, producătorul sau utilizatorul computerului poate utiliza o unitate de alimentare care are o putere nominală mai mică.

Un alt avantaj al eficienței ridicate este dezvoltarea mai mică a căldurii în sursa de alimentare. Printre altele, acest lucru are ca efect extinderea duratei de viață a componentelor electrice, precum și a componentelor mecanice.

În plus față de eficiență, distorsiunile de tensiune joacă un rol major în sursele de alimentare. Acestea apar atunci când sursa de alimentare în modul comutat funcționează „necorespunzător”. Acest lucru creează curenți armonici care distorsionează tensiunea de rețea. Acest lucru duce la creșterea interferenței cu consumatorii și crește pierderile electrice din unitatea de alimentare. În plus, consumatorii din aval trebuie să facă față acestor probleme.

Aceste distorsiuni de tensiune nedorite pot fi compensate numai cu rezistența dielectrică mai mare a componentelor, cum ar fi condensatorii și semiconductorii, precum și prin utilizarea filtrelor adecvate. Acest lucru este de obicei asociat cu costuri mai mari pentru unitatea de alimentare.

Așa-numitul factor de putere (PF) sau factorul de putere al unei unități de alimentare ia în considerare și specificațiile de 80-plus. Factorul de putere este raportul dintre puterea activă (P) în wați și puterea aparentă (S) în VA. 80plus.org prescrie un factor de putere mai mare de 0,9 pentru o unitate de alimentare corespunzătoare cu plus de 80, atunci când dispozitivul este utilizat la 100%.

Puterea combinată: teoria

Sursele de alimentare convenționale pentru servere, stații de lucru sau computere desktop asigură cele trei tensiuni principale de 12, 5 și 3,3 volți. Au, de asemenea, tensiuni auxiliare suplimentare, cum ar fi -5, -12 și 5 volți de așteptare. Pentru a economisi efortul și astfel costurile circuitului, bucla de control a tensiunii + 3,3 volți și + 5 volți împarte o bobină a transformatorului de ieșire (putere combinată) cu majoritatea furnizorilor comerciali de energie.

Aceasta înseamnă: Dacă sarcina de ieșire este crescută pe o ramură de tensiune, sarcina maximă de ieșire pe cealaltă linie este redusă în același timp. Componentele, cum ar fi cardurile plug-in sau unitățile care sunt alimentate de linia de 5 volți, influențează, prin urmare, disponibilitatea necesităților de putere ale unui procesor pe linia de 3,3 volți, de exemplu. Această dependență directă a celor două ramuri de tensiune poate duce la instabilitatea sistemului în anumite circumstanțe atunci când sarcina maximă este epuizată.

Din acest motiv, cumpărătorul unei surse de alimentare ar trebui să verifice cu atenție dacă unitatea de alimentare are „putere combinată” și modul în care producătorul împarte datele de performanță în ramurile individuale. Trebuie remarcat faptul că puterea totală maximă a celor două ramuri de tensiune de 3,3 volți și 5 volți cu putere combinată este semnificativ mai mică decât sumele individuale ale liniilor.

Puterea combinată: practică

Folosind exemplul plăcuței noastre pentru a fi liniștiți! Dark Power Pro de la Listan arată că ramura de 3,3 volți furnizează 24 A de energie electrică, iar linia de 5 volți furnizează, de asemenea, 30 A. Adică 79,2 sau 150 W. Producătorul specifică o putere combinată de maximum 170 W pentru cele două ramuri împreună și nu 230 W, care rezultă din suma ramurilor individuale. Cu putere combinată, ramurile de tensiune se limitează reciproc. De exemplu, dacă o linie este încărcată puternic, cealaltă are mai puțină energie disponibilă.

Acest lucru poate fi remediat prin bobine de transformare separate, care sunt disponibile pentru fiecare tensiune individuală, inclusiv circuitul de comandă. Acestea pot fi acționate cu sarcina nominală maximă specificată pe plăcuța de identificare. Factorul limitativ este atunci numai puterea totală pe care o furnizează unitatea de alimentare conform producătorului.

Corecția factorului de putere (PFC)

Un dezavantaj major al surselor de alimentare în modul comutat este consumul de curent la intrare sub formă de impulsuri scurte. Amplitudinile redresorului din circuitul de intrare sunt de multe ori mai mari decât curentul continuu tras la ieșire. Acești curenți neliniari, amplificați de inductanțe și capacități, provoacă distorsiuni și deformări ale oscilațiilor sinusoidale la intrare. În plus, există o proporție mare de armonici nedorite care provoacă interferențe electromagnetice. Ca urmare, sursele de alimentare ale altor dispozitive pot începe să fredoneze sau să poată fi afectate negativ recepția telefonică. Aceste perturbații sunt, de asemenea, o problemă serioasă pentru furnizorii de energie electrică, deoarece trebuie să furnizeze curent alternativ de calitate constantă fiecărui utilizator.

Pentru a elimina aceste dezavantaje, producătorii echipează unitățile de alimentare cu așa-numitul circuit de corecție a factorului de putere (PFC). Aceasta ar trebui să extragă o tensiune aproape liniară din rețea și să se comporte mai mult sau mai puțin ca o sarcină ohmică, evitând astfel perturbările rețelei.

PFC pasiv folosește un inductor de inductanță și un condensator ca filtru trece-jos cu frecvență joasă. Acestea diminuează vârfurile de tensiune care apar și în același timp suprimă armonicele. Indicele factorului de putere este de la 0,7 la 0,8. În plus, trebuie utilizate condensatoare voluminoase și bobine, deoarece intrarea sursei de alimentare funcționează la o frecvență scăzută de 50 până la 60 Hz.

PCF activ realizează o corecție semnificativ mai bună a factorului de putere de 0,9 la 1. Aceasta folosește componente active, cum ar fi circuite integrate sau circuite tiristorice, pentru a regla consumul de curent, ca și cum ar fi conectată o sarcină ohmică. În plus, circuitul de control PFC activ permite o gamă largă de tensiuni variabile de intrare între 85 și 265 VAC. PFC activ oferă astfel un grad mai ridicat de eficiență, o compatibilitate EMC mai bună, dimensiuni reduse și control cu gamă largă comparativ cu omologul său pasiv. Cu toate acestea, aceste avantaje sunt cumpărate la un preț mai mare.

Funcțiile de protecție ale surselor de alimentare

Pentru funcționarea în siguranță a surselor de comutare, specificațiile recomandă o serie de circuite de protecție care dezactivează sursa de alimentare în caz de urgență. Limitarea curentului este una dintre cele mai importante măsuri de protecție. Aceasta trebuie să fie încorporată în fiecare ramură de tensiune. Limita de curent intră în acțiune atunci când anumite limite de curent sunt depășite la ieșirea unității de alimentare. Aceasta include și scurtcircuitul, care trebuie compensat de furnizorul de energie atunci când apare.

Protecția la supratensiune este o altă măsură de siguranță pentru a evita deteriorarea componentelor sensibile ale computerului. Similar cu limitarea curentului, un circuit din ramurile de tensiune dezactivează sursa de alimentare atunci când sunt atinse anumite valori prag.

Pentru a preveni supraîncălzirea, unitățile de alimentare cu regim de comutare au ventilatoare cu temperatură controlată și senzori de temperatură integrați care opresc sursa de alimentare când se atinge o limită de temperatură specificată. Circuitul de protecție a temperaturii protejează împotriva distrugerii termice a dispozitivului, în special în cazul unui consum ridicat de energie sau în cazul în care ventilatorul sursei de alimentare este defect.

Pentru a proteja sursa de alimentare împotriva stărilor de control nedefinite atunci când intrările nu sunt încărcate, producătorii echipează sursa de alimentare în modul comutat cu o așa-numită funcție fără sarcină. Aceasta recunoaște intrările conectorului deschis și pune alimentarea într-o stare de oprire până când este conectată o sarcină.

Surse de alimentare și energie electrică

Cererea de sisteme de calculatoare pentru energie electrică a crescut enorm în ultimii ani. Nu în ultimul rând, datorită procesorelor și cipurilor grafice din ce în ce mai mari, cu ceas mai mare și mai puternice. În consecință, unitățile de alimentare trebuie să furnizeze mai multă energie electrică. Următorul tabel oferă o prezentare generală a cerințelor de putere ale componentelor individuale într-un exemplu de sistem: