Как да намерите правилното захранване за компютър и сървър

Обикновено потребителите не си правят труда да изберат захранването. В ретроспекция това често се оказва сериозна грешка. Ако има необясними сривове в системата, не е необичайно да е виновен неправилно избран източник на захранване. Освен това захранването може да спести пари, ако е правилно оразмерено. Енергийната ефективност става все по-важен критерий, когато става въпрос за закупуване на нови компютри или сървъри. Нашата сестра публикация Tecchannel ви дава следните практически отговори на важни въпроси относно захранванията: Как определяте необходимата електрическа мощност на системата? Какво друго трябва да имате предвид, когато купувате захранване? Каква мощност доставя захранването? Какво означава често неразбираемата информация на табелката на захранващите блокове?

Съответните спецификации са важно ръководство за превключване на захранванията. В тях комитетите определят електрическите и механичните параметри на доставчиците на енергия. Тези спецификации често дават на производителите много свобода при разработването на захранвания с превключен режим, така че информацията на табелките с данни не винаги е пряко сравнима.

Някои производители на захранвания обичат да се хвалят с цифри с висока производителност. Според девиза: „Колкото повече мощност, толкова по-добре е захранването.“ Но особено при захранващите устройства с превключен режим, не бива да се подлагате на тази заблуда, защото понякога прекаляването е недостатък, както е обяснено в статията. Освен това обясняваме как принципно работи захранването с превключен режим и подчертаваме най-важните електрически параметри като ефективност, комбинирана мощност и PFC.

Тази статия е базирана на принос от нашата сестра публикация Tecchannel. (па)

Как работят импулсните захранвания

Захранванията, които се използват и до днес, работят основно с трансформатор, токоизправител и линеен контролен елемент. Недостатъци на това вече остаряло, но все още много евтино решение са големите загуби на мощност, големият обем и съответно голямото тегло. От друга страна, има захранването с включен режим с относително висока ефективност от 60 до 90 процента и по-ниско тегло и по-малки размери. Тези предимства пред конвенционалното захранване обаче трябва да бъдат закупени на по-висока цена.

Входното мрежово напрежение от 220 волта и 50 Hz се коригира и грубо изглажда чрез токоизправител и филтриращ кондензатор. Предавател на мощност и превключващ транзистор образуват сърцевината на захранването в режим на превключване. Това устройство „нарязва“ постояннотоковото напрежение с честота около 50 kHz и го преобразува в по-ниско напрежение. Изправител надолу по веригата, включващ изходен дросел и филтриращ кондензатор, осигурява "чисто" изходно напрежение. Схемата за управление и регулиране, която се подава обратно към превключващия транзистор, поддържа изходното напрежение на постоянна стойност, независимо от включения товар. Този принцип може да се приложи към всички разклонения на напрежението като 12, 5 или 3,3 V.

Спецификации на захранването за настолни компютри

Захранванията за настолни компютри до голяма степен са предмет на спецификациите на FormFactors.org. Една от най-важните спецификации е Ръководството за проектиране на захранването ATX12V, версия 2.3 на която е достъпна от март 2007 г. В него са посочени всички електрически и механични параметри на захранващ блок. В сравнение с предишната версия 2.2, обхватът на напрежението се толерира по-отблизо за някои параметри.

Следващата таблица показва допустимите отклонения на изходните напрежения от номиналната стойност на захранващ блок. Ако стойностите на напрежението са в тези диапазони, изчислителната система не трябва да се влияе отрицателно. В допълнение, спецификациите ATX позволяват остатъчно пулсиране на изходните напрежения от 50 или 120 mV на съответните линии.

Линия за напрежение

Отклонение [%]

Мин. [V]

Ном. [V]

Макс. [V]

Пулсация [mVpp]

Спецификацията ATX версия 2.3 съдържа спецификации за захранвания между 180 и 450 вата. Спецификациите за захранващ блок с мощност 450 вата препоръчват следните токове за съответните разклонения на напрежението. Пиковите токове обаче не трябва да се използват повече от 17 секунди в минута. И в тази област пределните стойности са донякъде затегнати. Например FormFactors.org леко е намалил минималния ток на някои линии и съответно е увеличил пиковите стойности на тока.

Линия за напрежение

Минимален ток [A]

Макс. Ток [A]

Пиков ток [A]

Според спецификациите, захранването ATX все още трябва да функционира правилно от първичната страна в определени диапазони на входното напрежение. При номинално входно напрежение 230 VAC, напрежението може да бъде между 180 и 265 VAC. При 115 VAC мрежа напрежението може да варира между 90 и 135 VAC. Честотата не трябва да пада под или надвишава праговете на допустимо отклонение от 47 и 63 Hz.

Спецификации на захранването за сървъри

Сървърната системна инфраструктура (SSI) се грижи за спецификациите на сървърните захранвания. Настоящото ръководство за проектиране на захранването EPS12V във версия 2.92 съчетава най-важните спецификации.

Следващата таблица сравнява отклоненията на напрежението от номиналните стойности на различните линии на напрежение и остатъчната пулсация. В сравнение със спецификациите ATX, спецификациите на EPS за сървърните захранвания са обект на много по-строги допустими отклонения. Например при източниците на захранване ATX основните напрежения могат да се отклоняват с +/- 5 процента, а при EPS това е само +5 и -3 процента.

Линия за напрежение

Отклонение [%]

Мин. [V]

Ном. [V]

Макс. [V]

Пулсация [mVpp]

Стойностите в скоби показват незадължителните стойности за по-толерирани изходни напрежения на захранващ блок.

За да се отговори на повишеното търсене на енергия, спецификациите винаги трябва да бъдат адаптирани към нуждите на пазара и да определят спецификации за по-мощни захранвания. Настоящата версия на спецификацията EPS 2.92 за захранващ блок от 950 W предписва токовете, изброени в таблицата за съответните линии на напрежение. Пиковите токове обаче могат да бъдат взети от захранващия блок само за период от 12 секунди.

Линия за напрежение

Минимална консумация на ток [A]

Макс. Консумация на ток [A]

Пикова консумация на ток [A]

Подобно на ATX превключващите захранвания, доставчиците на захранване на EPS сървъри също имат променлив диапазон на входното напрежение. Това е между 180 и 264 VAC за мрежата с напрежение 230 VAC и между 90 и 140 VAC за 115 VAC. Честотата може да се отклонява от стандарта 50 Hz между 47 и 63 Hz.

Ефективност на превключващите захранвания

Рядко разглеждан параметър в захранващите устройства с превключен режим е ефективността. Това е между 60 и 80 процента за сегашните модели. Това означава, че захранващият блок губи около една пета от енергията, използвана като безполезна топлина. Например, ако компютърна система използва 500 вата електрическа мощност в контакта, 100 вата се разпределят към захранващия блок с ефективност от 80 процента. Останалите 400 вата са на разположение на компютърните компоненти като полезна енергия.

Ефективността се изчислява от съотношението на активната мощност на изхода и на входа. Колкото по-висока е стойността, толкова по-ефективно работи захранването. Настоящите спецификации ATX и EPS предвиждат ефективност от поне 65 процента с товар от 20 процента. При половин натоварване доставчикът на енергия трябва да работи с ефективност от 72 процента, а при пълно натоварване е достатъчно 75 процента. И двете спецификации обаче препоръчват ефективност от поне 80 процента за тези три диапазона на натоварване.

Картината показва типична крива на ефективността на импулсно захранване (Cisco 34-0873-01). Устройството работи относително неикономично до около 5 процента натоварване с ефективност от 0 до 60 процента. Импулсното захранване постига най-високата си ефективност от около 85 процента с товар от 50 процента. При максимално натоварване ефективността спада до около 82%.

80-плюс захранващи устройства предлагат по-висока енергийна ефективност

Насоките на Energy Star 5.0 и стандартът 80 plus са важна част от бъдещите захранвания. Това се отнася конкретно до захранващите блокове, използвани в компютъра. Новите спецификации за захранването изискват не само висока степен на ефективност, но и по-добро качество на захранването на устройствата. Ако захранващите устройства отговарят на строгите разпоредби, те могат да бъдат украсени със съответното лого.

Ефективността се формира от коефициента на изходната активна мощност към входната активна мощност. Колкото по-висок е този фактор (в идеалния случай 1 или 100 процента), толкова по-добро е захранването или ефективността. Колкото по-ниска е ефективността, толкова повече електрическа енергия преобразува захранващият блок в безполезна топлинна енергия. Наличните преди това захранвания работят с ефективност от около 60 до 70 процента при 50 процента на използване. Ефективността се влошава, ако захранването работи извън процентната ориентировъчна стойност.

Регламентът от 80 плюс за вътрешни настолни захранвания предвижда, че ефективността не трябва да пада под 80 процента при 20, 50 и 100 процента електрическо използване на енергийния дозатор. За да получи сертификат над 80 за захранващ блок, производителят трябва да провери тези стойности от 80plus.org. Данните от теста се записват в протокол от теста и се публикуват на уебсайта. В допълнение към класическия стандарт над 80, сега съществуват и по-нови стандарти:

80 PLUS бронз (82% ефективност при 20% натоварване, 85% при 50% натоварване, 82% при 100% натоварване)

80 PLUS сребро (85% WG при 20% натоварване, 88% при 50% натоварване, 85% при 100% натоварване)

80 PLUS Злато (87% WG при 20% натоварване, 90% при 50% натоварване, 87% при 100% натоварване)

80 PLUS Platinum (90 процента плосък дял при 20 процента натоварване, 92 процента при 50 процента натоварване, 89 процента при 100 процента натоварване)

В сравнение с предишните вътрешни настолни захранвания, ефективност от 80 процента може да бъде постигната само чрез прецизни контури за управление в захранването с превключен режим и чрез компоненти с много близки допуски. Тези мерки съответно увеличават производствените разходи за такъв ефективен захранващ блок.

Повече ефективност: качество вместо количество

Ефективността от 80% има няколко положителни странични ефекта. Първо и най-важно, захранващият блок генерира по-малко безполезна енергия в сравнение с конвенционалните захранващи блокове със същата активна мощност. Това води до трайно по-ниски разходи за електроенергия за потребителя. Освен това производителят на компютър или потребителят може да използва захранващ блок, който има по-ниска номинална мощност.

Друго предимство на високата ефективност е по-ниското развитие на топлина в захранването. Наред с други неща, това води до удължаване на живота на електрическите компоненти, както и на механичните компоненти.

В допълнение към ефективността, изкривяванията на напрежението играят основна роля в захранванията. Те се появяват, когато захранването с превключен режим работи „неправилно“. Това създава хармонични токове, които изкривяват мрежовото напрежение. Това води до повишена намеса в потребителите и увеличава електрическите загуби в захранващия блок. Освен това потребителите надолу по веригата трябва да се справят с тези проблеми.

Тези нежелани изкривявания на напрежението могат да бъдат компенсирани само с по-висока диелектрична якост на компонентите, като кондензатори и полупроводници, както и с помощта на подходящи филтри. Това обикновено е свързано с по-високи разходи за захранващия блок.

Така нареченият фактор на мощността (PF) или фактор на мощността на захранващия блок също вземат предвид 80-плюс спецификациите. Коефициентът на мощност е съотношението на активната мощност (P) във ватове към привидната мощност (S) във VA. 80plus.org предписва коефициент на мощност по-голям от 0,9 за съответния 80-плюс захранващ блок, когато устройството се използва на 100 процента.

Комбинирана мощност: теория

Конвенционалните захранвания за сървъри, работни станции или настолни компютри осигуряват трите основни напрежения от 12, 5 и 3,3 волта. Те също така имат допълнителни спомагателни напрежения като -5, -12 и 5-волтова готовност. За да се спестят усилията на веригата и по този начин разходите, + 3.3-волтовият и + 5-волтовият контур за управление на напрежението споделят една намотка на изходния трансформатор (комбинирана мощност) с повечето търговски доставчици на енергия.

Това означава: Ако изходното натоварване се увеличи на един клон на напрежение, едновременно се намалява и максималното изходно натоварване на другата линия. Следователно компоненти като вградени карти или устройства, захранвани от 5-волтовата линия, влияят едновременно на наличието на изискванията за мощност на процесора на 3,3-волтовата линия. Тази пряка зависимост на двете клонове на напрежението може да доведе до нестабилност на системата, когато максималното натоварване е изчерпано.

Поради тази причина купувачът на захранващ блок трябва да провери внимателно дали захранващият блок има „комбинирана мощност“ и как производителят разделя данните за ефективността на отделните клонове. Трябва да се отбележи, че максималната обща мощност на двете клонове на напрежението 3,3 волта и 5 волта с комбинирана мощност е значително по-ниска от отделните суми на линиите.

Комбинирана мощност: Практика

Използвайки примера на нашата табелка за be be quiet! Dark Power Pro от Листан показва, че клонът с 3.3 волта доставя 24 A електричество, а 5-волтовата линия също доставя 30 A. Това е 79,2 или 150 W. Производителят определя комбинирана мощност от максимум 170 W за двата клона заедно, а не 230 W, което се получава от сумата на отделните клонове. При комбинирана мощност разклоненията на напрежението се ограничават взаимно. Например, ако едната линия е силно натоварена, другата има по-малко налична мощност.

Това може да бъде отстранено чрез отделни намотки на трансформатора, които са на разположение за всяко отделно напрежение, включително контура за управление. Те могат да се експлоатират с максималното номинално натоварване, посочено на табелката. Тогава ограничителният фактор е само общата мощност, която захранващият блок доставя според производителя.

Корекция на фактора на мощността (PFC)

Основен недостатък на захранващите устройства с превключен режим е консумацията на ток на входа под формата на къси импулси. Амплитудите на токоизправителя във входната верига са в пъти по-високи от постоянния ток, изтеглен на изхода. Тези нелинейни токове, усилени от индуктивности и капацитети, причиняват изкривявания и деформации на синусоидалните трептения на входа. Освен това има висок процент на нежелани хармоници, които причиняват електромагнитни смущения. В резултат на това захранващите блокове на други устройства могат да започнат да бръмчат или приемането на телевизия и телефон може да бъде неблагоприятно засегнато. Тези смущения също са сериозен проблем за доставчиците на електроенергия, тъй като те трябва да осигуряват променлив ток с постоянно качество на всеки потребител.

За да изгладят тези недостатъци, производителите оборудват захранващите блокове с така наречената схема за корекция на фактора на мощността (PFC). Това трябва да изтегли почти линейно напрежение от мрежата и да се държи горе-долу като омично натоварване, като по този начин се избягват смущения в мрежата.

Пасивният PFC използва индуктивен дросел и кондензатор като нискочестотен нискочестотен филтър. Те намаляват пиковете на напрежението, които се появяват, и в същото време потискат хармониците. Индексът на фактора на мощността е 0,7 до 0,8. Освен това трябва да се използват обемисти кондензатори и намотки, тъй като входът на захранването работи при ниска честота от 50 до 60 Hz.

Активният PCF постига значително по-добра корекция на фактора на мощността от 0,9 до 1. Това използва активни компоненти като интегрални схеми или тиристорни вериги, за да регулира консумацията на ток, сякаш е свързан омичен товар. В допълнение, активната верига за управление на PFC позволява широк диапазон от променливи входни напрежения между 85 и 265 VAC. По този начин активният PFC предлага по-висока степен на ефективност, по-добра EMC съвместимост, малък размер и контрол в широк диапазон в сравнение с пасивния си аналог. Тези предимства обаче се купуват на по-висока цена.

Защитни функции на захранващите устройства

За безопасна работа на превключващите захранвания, спецификациите препоръчват серия от защитни вериги, които деактивират захранването при аварийни ситуации. Ограничението на тока е една от най-важните защитни мерки. Това трябва да бъде вградено във всеки клон на напрежението. Ограничението на тока се активира, когато на изхода на захранващия блок са превишени определени ограничения на тока. Това включва и късо съединение, което трябва да бъде компенсирано от доставчика на енергия, когато възникне.

Друга мярка за безопасност, за да се избегнат увреждания на чувствителни компютърни компоненти, е защитата от пренапрежение. Подобно на ограничението на тока, верига в клоните на напрежението деактивира захранването, когато се достигнат определени прагови стойности.

За да се предотврати прегряване, захранващите модули с включен режим имат вентилатори с контролирана температура и вградени температурни сензори, които изключват захранващия блок при достигане на определена гранична температура. Веригата за температурна защита предпазва от термично разрушаване на устройството, особено в случай на висока консумация на енергия или при отказ на вентилатора.

За да предпазят захранването от недефинирани контролни състояния при разтоварване на входовете, производителите оборудват захранващите устройства с превключен режим с така наречената функция без товар. Това разпознава входовете с отворен конектор и поставя захранването в състояние на изключване, докато се свърже товар.

Захранвания и електрическа енергия

Търсенето на компютърни системи за електрическа енергия се увеличи значително през последните години. Не на последно място заради все по-високи тактови и по-мощни процесори и графични чипове. Съответно захранващите блокове трябва да осигуряват повече електрическа енергия. Следващата таблица дава груб преглед на изискванията за мощност на отделни компоненти в малко по-стара примерна система: