Введение

Правильное качественное питание настольного компьютера можно назвать одним из наиболее важных вопросов, решаемых в процессе конструирования надёжной производительной системы. Разумеется, в современном ПК предостаточно значительно более сложных компонентов, нежели блок питания, однако именно от качества работы последнего в конечном итоге зависит стабильность системы в целом. Впрочем, как и безопасность пользователя: не стоит забывать, что БП – это единственный компонент системы, работающий непосредственно с напряжением переменного тока силовой сети.

Компоненты для ПК производят сотни компаний, блоки питания выпускаются фабриками десятка-другого производителей и поступают в продажу под своей торговой маркой или с маркировкой многочисленных OEM-заказчиков. Совместимость разнообразного компьютерного железа с источниками питания определяется сводом индустриальных стандартов, жёстко регламентирующих ключевые параметры качества питания и описывающих дополнительные характеристики в рекомендательной форме.

Основная цель этой публикации – рассказать о ключевых параметрах блоков питания, объяснить разницу между обязательными и рекомендованными  характеристиками, то есть, представить всю необходимую информацию по имеющимся стандартам перед тем, как вы углубитесь в магазинные прайс-листы в поисках подходящего блока питания. Для тех, кто желает изучить требования, предъявляемые к блокам питания более глубоко и детально, в конце этой статьи приведён список ссылок на документы всех ключевых стандартов в этой области.

Стандарты блоков питания для ПК 

По общепринятому определению, компьютерный блок питания – это силовой компонент системы, обеспечивающий питанием остальные элементы ПК. С точки зрения схемотехники, БП представляет собой модуль для преобразования переменного тока силовой сети 100-127В (США, Японии и на Тайване, а также местами в Южной Америке) или 220-240В (Европа и большинство других стран мира) в постоянный ток с уровнями напряжения, приемлемыми для питания компонентов компьютера.

Блок питания – лишь один из компонентов компьютерной системы, поэтому его ключевые характеристики определяются в качестве одной из многочисленных рекомендаций к системам определённого форм-фактора, а не наоборот. Например, именно стандартный форм-фактор ATX (Advanced Technology Extended), разработанный Intel в 1995 году, определяет габариты и другие характеристики блока питания, а не БП определяет форму систем ATX.

Изначально блоки питания, рассчитанные для работы в настольных компьютерных системах, в большинстве своём рассчитывались согласно требованиям стандарта ATX12V. Так было до версии стандарта  ATX12V 2.2 (выпущена в марте 2005), после чего было принято решение объединить в едином документе требования по всем общепринятым форм-факторам настольных платформ, включая CFX12V, LFX12V, ATX12V, SFX12V и TFX12V. Со временем появился документ "Design Guide for Desktop Platform Form Factors, Revision 1.1" (март 2007), актуальный и по сей день.

Для справки: форм-факторы компьютеров определяются, главным образом, форматом системных плат, размеры некоторых из них приведены ниже в миллиметрах:

• WTX - 356х425
• AT – 350х305
• Baby-AT – 330х216
• BTX- 325х266
• ATX- 305х244
• LPX – 330х229
• microBTX – 264х267
• microATX - 244х244
• microATX (минимум) – 171х171
• FlexATX – 229х191
• Mini-ITX – 170х170
• Nano-ITX – 120х120
• Pico-ITX – 100х72
• PC/104 (-Plus) – 96х90
• mobile-ITX – 60х60

Таким образом, если вы увидите в спецификациях блока питания упоминание о "соответствии стандарту ATX12V 2.3", имейте в виду, что такого документа в природе не существует. Последним, отдельно представленным документом был ATX12V 2.2, а маркировка версии "2.3" означает соответствие требованиям подпункта "ATX12V Specific Guidelines 2.3" в выше упомянутом документе руководства по дизайну настольных платформ, версии 1.1, общем для всех настольных форм-факторов.

Несмотря на то, что ATX12V является лишь подмножеством среди других форм-факторов ПК, говоря о настольных системах, мы обычно подразумеваем именно этот стандарт. Если, конечно, не идёт речь о миниатюрных "примочках к телевизору" для просмотра видео, компактных офисных машинках, серверных системах и прочих особых случаях, не вписывающихся в определение домашней или игровой настольной системы. Сегодня речь идёт именно о блоках питания ATX12V.  

Также следует отметить, что публикация новых стандартов по блокам питания не отменяет предыдущие рекомендации и требования, а, как правило, лишь ужесточает их. Поэтому, сегодня мы изучим стандарт ATX12V 2.2, и в дополнение к нему дополнения "ATX12V Specific Guidelines 2.3" из документа "Design Guide for Desktop Platform Form Factors, Revision 1.1".

Требования этих документов можно назвать достаточными для выбора модели БП, подходящей для конструирования системы в целом, однако если говорить о конструировании именно современной системы, к обязательному рассмотрению необходимо принять ещё как минимум один документ – рекомендации 80PLUS.

И вот почему.

Так или иначе, часть подводимой к ПК мощности рассеивается непосредственно самим блоком питания процессе его работы. Например, суммарное энергопотребление системы порядка 500 Вт и КПД блока питания уровня 75% на практике означают, что БП тратит на себя четверть потребляемой энергии. Около 125 Вт – а это мощность приличного паяльника, уходят у БП на "обогрев" самого себя! Если же БП обладает более высоким КПД – скажем, 87%, расходы на оплату электричества, равно как и охлаждение системы, можно значительно сократить.

Ещё один интересный пример. Допустим, вы запланировали купить блок питания "с запасом". Мало ли… Выбор пал на блок киловаттной мощности. Запас карман не тянет? Может быть, но не в случае с блоками питания. Представьте, как будет "вести" себя БП мощностью 1 кВт в системе, максимальная нагрузка которой даже на пике не превышает 500 Вт, от силы – 600 Вт. Редкая современная система – даже на 6-ядерном процессоре и паре мощнейших видеокарт, потребляет большую мощность.

Обычно блоки питания выходят на хороший показатель КПД при нагрузке от 40-50% и выше, оптимум – в районе 70-100% нагрузки. При меньшей загруженности коэффициент полезного действия обычно ниже. Посчитаем: киловаттник, да ещё и в случае, если он сертифицирован только по стандарту ATX12V, "обязан" показывать КПД при лёгкой загруженности на уровне 65-72%, то есть, нагрузив такой БП лишь 400-Вт нагрузкой, более четверти энергии будет затрачено на обогрев, а с учётом того, что большинство производительных настольных систем потребляют при нормальной нагрузке не более 250-350 Вт, потери могут достигать трети всей потребляемой энергии.

Вот почему к рекомендациям 80PLUS не стоит относиться пренебрежительно, как и в целом, к выбору блока питания не стоит подходить по остаточному принципу.

Стандарт ATX12V 2.2

Прежде всего, стандарт описывает требования ко входному напряжению силовой сети, с которым должен работать блок питания. 

 

Сеть	Минимум	Номинал	Максимум
115В	90В	115В	135В
230В AC	180В	230В	265В
Частота	47 Гц	50/60Гц	63 Гц

 

На практике практически все производители блоков питания в последние годы освоили схемотехнику с активной коррекцией коэффициента мощности (Active PF Correction), позволяющую создавать модели под переменное входное напряжение любой силовой сети мира, в диапазоне от 90В до 260 В. Обязательным требованием стандарта является наличие защиты входных цепей БП от токовой перегрузки, для чего предписывается обязательное наличие плавкого предохранителя.

Базовые спецификации стандарта ATX определяют требования как к основным напряжениям питания, +3,3В, +5В и +12В, так и к вспомогательным шинам питания, −12В и +5VSB (Standby). В первых своих редакциях стандарт ATX также описывал требования по шине -5В, поскольку это напряжение требовалось для питания шины ISA, однако после исчезновения шины ISA требования по этому напряжению были удалены из стандарта ATX.

Первоначально в списке обязательных шин и разъёмов питания стандарт ATX предписывал обязательное наличие 20-контактного разъёма для питания материнских плат, однако, со временем, по мере усложнения компонентов, требования к питанию выросли и стали более жёсткими, и стандарт ATX12V в редакциях 2.x уже предписывает наличие двух разъёмов питания материнской платы: основного 24-контактного (усовершенствованная 20-контактная версия) и дополнительного 4-контактного для питания центрального процессора.

Вот так выглядит цоколёвка современного 24-контактного разъёма питания материнской платы по стандарту ATX12V версий 2.x.  

24-контактный разъём ATX12V 2.x (к 20-контактной версии добавлены 11, 12, 23 и 24 контакты)
Цвет	Напряжение	Контакт	Контакт	Напряжение	Цвет
Оранжевый	+3,3В	1	13	+3,3В	Оранжевый
				+3,3В сигн.	Коричневый
Оранжевый	+3,3В	2	14	−12В	Голубой
Чёрный	Земля	3	15	Земля	Чёрный
Красный	+5В	4	16	Power On	Зелёный
Чёрный	Земля	5	17	Земля	Чёрный
Красный	+5В	6	18	Земля	Чёрный
Чёрный	Земля	7	19	Земля	Чёрный
Серый	Power Good	8	20	Без контакта
Лиловый	+5В standby	9	21	+5В	Красный
Жёлтый	+12В	10	22	+5В	Красный
Жёлтый	+12В	11	23	+5В	Красный
Оранжевый	+3,3В	12	24	Земля	Чёрный
Контакты 8, 13 и 16 являются сигнальными, а не силовыми)
Контакт 20 может использоваться в системах ATX и ATX12V версий 1.2 и старее, для питания шины −5VDC (белый). В версии 1.2 этот контакт пропал, а с версии 1.3 он запрещён.

 

Отдельного описания заслуживают четыре контакта, на которые возложены специальные функции:

• 8 контакт - PWR_OK, или "Power Good" – выходной сигнал блока питания, сигнализирующий финальной стабилизации выходного напряжения и готовности БП к стабильной работе. Обычно сигнал остаётся низким на протяжении 100-500 мс после "заземления" сигнала PS_ON#.
• 16 контакт - PS_ON#, или "Power On" – сигнальный 5-вольтовый контакт. Когда контакт со стороны системной платы подключен к общему проводу ("заземлён"), блок питания включается.
• 9 контакт - +5VSB, или "+5V standby" –дежурное напряжение, остаётся даже после отключения блока питания. Необходимо для питания схем, управляющих сигналом "Power On".
• 13 контакт – питающее напряжение +3,3В, (+3.3 V sense) – подключается к шине +3,3В материнской платы или её разъёма питания, позволяет обнаруживать падение питающего напряжения дистанционно.

Одним из наиболее важных параметров, регламентируемых стандартом, является стабильность выходного напряжения, обеспечиваемого блоком питания, а также остаточные пульсации, присутствующие в выходном постоянном напряжении. Именно от этих параметров отталкиваются производители при проектировании цепей преобразования, стабилизации и фильтрации напряжений, необходимых для питания компонентов материнских плат.

Для ключевых напряжений питания разброс питающих напряжений не должен превышать ±5% от номинала во всём диапазоне нагрузок. Для менее критичных напряжений допускается разброс порядка ±10% от номинального напряжения. В таблице ниже приведены требования по допустимому отклонению напряжений и максимальным выходным пульсациям.

Шина	Отклонение	Диапазон	Пульсации (макс. амплитуда)
+5В	±5% (±0,25В)	+4,75В - +5,25В	50 мВ
−5В	±10% (±0,50В)	-4,50В - -5,50В	50 мВ
+12В	±5% (±0,60В)	+11,40В - +12,60В	120 мВ
−12В	±10% (±1,2В)	-10,8В - -13,2В	120 мВ
+3,3В	±5% (±0,165В)	+3,135В - +3,465В	50 мВ
+5В	±5% (±0,25В)	+4,75В - +5,25В	50 мВ

 

Разумеется, чем отклонение питающих напряжений от номинала меньше, тем более стабильной работы можно ожидать от системы в целом. Некоторые производители БП даже заявляют отклонение основных напряжений не более ±3% во всём диапазоне допустимых нагрузок. Это не нормируется стандартом, но, в то же время, говорит об очень высоком качестве этого изделия.

Кроме того, стандарт также описывает кросс-нагрузочные требования шин +5В и +3,3В в зависимости от нагрузки +12В шин для нескольких типовых конфигураций – 250 Вт, 300 Вт, 350 Вт, 400 Вт и 450 Вт. Так, например, выглядит кросс-нагрузочная диаграмма для 450 Вт конфигурации:

Как уже было отмечено выше, начиная с со стандарта ATX12V версии 2.0, основной разъём питания системной платы превратился в 24-контактный, при сохранении обратной совместимости с предыдущим 20-контактным дизайном, при этом дополнительные четыре контакта обеспечивают питание +3,3В, +5В и +12В. Кроме того, в этой версии стандарта дополнительный 6-контактный разъём питания AUX, появившийся в ATX12V версий 1.x, был упразднён, поскольку дополнительные шины питания +3,3В и + 5В были интегрированы в 24-контактный разъём.

Основным напряжением питания системы с этого момента (февраль 2003) считаются шины +12В, поэтому стандарт с этого времени определяет необходимость наличия как минимум двух шин +12В (12V2 для 4-контактного разъёма питания процессора и 12V1 для всего остального), с независимой защитой от токовой перегрузки  по каждому каналу. На практике, наиболее мощные блоки питания с тех пор начали обзаводиться и большим количеством шин +12В, однако стандарт требует наличия в обязательном порядке как минимум двух таких шин.

В связи с ростом "ответственности" шин +12В, были снижены требования мощности к шинам +3,3В и +5В. Кроме того, начиная с этой версии обязательным требованием стало наличие разъёмов питания устройств Serial ATA.

В ATX12V версии 2.01 стандарт окончательно избавился от шины -5В, а следующая ревизия, ATX12V v2.1, потребовала обязательного наличия 6-контактного разъёма питания для графических карт PCIe, поскольку слот PCIe, появившийся на материнских платах, требовал питания до 75 Вт. В ATX12V версии 2.2 добавилось требование к обязательному наличию 8-контактного разъёма для питания карт PCIe, обеспечивающего нагрузку до 150 Вт.

В отношении порога срабатывания защит выходного напряжения приняты следующие требования:

Шина	Минимум	Номинал	Номинал
+12В	+13,4В	+15,0В	+15,6В
+5В	+5,74В	+6,3В	+7,0В
+3,3В	+3,76В	+4,2В	+4,3В

 

Защита от короткого замыкания предписывает обязательное срабатывание при сопротивлении цепи менее 0,1 Ом, при этом блок питания должен отключиться.

В плане шумовых характеристик стандарт предписывает ограничение акустического шума уровнем не более 40 дБ.

Дополнения стандарта ATX12V 2.3

В дополненной версии ATX12V 2.3, выполненной в виде подпункта общего руководства "Design Guide for Desktop Platform Form Factors, Revision 1.1" (март 2007), ключевых изменений было представлено немного. В частности, требования к минимальному КПД были увеличены до 80% (взамен нижнего 70% предела в предыдущих версиях). Впрочем, про КПД и требования стандартов, связанные с этим, мы поговорим подробно чуть ниже.

Другим дополнением стандарта ATX12V версии 2.3 стало появление кросс-нагрузочных требований к шинам +5В и +3,3В в зависимости от нагрузки +12В шин, для нескольких новых типовых конфигураций в диапазоне от 180 Вт до 450 Вт. В частности, требования к типовым конфигурациям 300 Вт, 350 Вт, 400 Вт и 450 Вт подверглись определённым изменениям, а взамен 250 Вт дизайна появилось сразу три новых – 180 Вт, 220 Вт и 270 Вт.

Однако, наиболее серьёзным и ключевым изменением требований, реализованном в стандарте ATX12V 2.3, можно назвать значительное изменение требований к нижнему пределу нагрузки по всем основным каналам питания.

Изменения по сравнению с версией ATX12V 2.2 произошли следующие:

• Нижний предел токовой нагрузки по каналу +3,3В для всех конфигураций (180 – 450 Вт) снижен с 0,5А до 0,1А;
• Нижний предел токовой нагрузки по каналу +5В для всех конфигураций (180 – 450 Вт) снижен с 0,3А до 0,2А;
• Нижний предел токовой нагрузки по каналу +12В1 для конфигураций 180 Вт, 220 Вт и 270 Вт (там этот канал теперь единственный) снижен с 1,0А до 0,6А;
• Нижний предел токовой нагрузки по каналу +12В1 для конфигураций 300 Вт, 350 Вт, 400 Вт и 450 Вт (шина общего питания системы) снижен с 1,0А до 0,1А;
• Нижний предел токовой нагрузки по каналу +12В2 для конфигураций 300 Вт, 350 Вт, 400 Вт и 450 Вт (шина питания процессора) снижен с 1,0А до 0,6А.

 

Также в новой версии стандарта были сняты ограничения по максимальной токовой нагрузке по каждой шине +12В (240ВА на шину), и теперь производители могут выпускать модели БП нагрузкой более 20А по каждой шине +12В, не выходя при этом за требования стандарта.

КПД: требования ATX12V  и рекомендации 80PLUS 

Чем выше коэффициент полезного действия (КПД) устройства, тем меньше энергии он тратит на собственные нужды, и тем меньше в итоге общий расход энергии.

Стандарт ATX12V 2.2 нормировал КПД блоков питания на уровне не менее 70% при полной нагрузке (100%), не менее 72% при "типичной" нагрузке (50%), и не менее 65% при "малой" нагрузке (20%).

Индустриальная инициатива 80PLUS, впервые представленная в марте 2004 года, изначально пропагандировала идею создания и широкого распространения блоков питания с высоким КПД. Изначальная версия стандарта 80PLUS, появившаяся в том же 2004 году, определяла сертификацию блоков питания на соответствие 80PLUS  при условии КПД не менее 80% при 20%, 50% и 100% уровне нагрузки, и коэффициенте мощности не менее 0,9 или выше при 100% нагрузке.

Первый блок питания, полностью соответствующий требованиям стандарта 80PLUS, был представлен компанией Seasonic  в феврале 2005 года, а чуть позже – в июле 2007 года, рекомендации 80PLUS по 80% минимальному уровню КПД были также включены в требования нового энергосберегающего ("зелёного") индустриального стандарта Energy Star 4.0.

К декабрю 2007 года на рынке уже присутствовало более 200 моделей БП с сертификацией 80PLUS, а в первом квартале 2008 года стандарт вышел на новый уровень – были добавлены более строгие сертификации уровней Bronze, Silver и Gold.

Кроме того, в настоящее время уже появились блоки питания, сертифицированные по высочайшим требованиям стандарта 80PLUS Platinum (2009 год) – правда, пока только для серверных приложений; о блоках питания для настольных систем с сертификатом 80PLUS Platinum мне пока слышать не приходилось.

Сводная таблица требований разных стандартов к эффективности питания приведена ниже. 

Стандарт	Сети переменного тока 115В			Сети переменного тока 230В
Нагрузка	20%	50%	100%	20%	50%	100%
ATX12V 2.2 мин.	65%	72%	70%	65%	72%	70%
ATX12V 2.2 реком.	75%	80%	77%	75%	80%	77%
80 PLUS	80%	80%	80%	Не определено
80 PLUS Bronze	82%	85%	82%	81%	85%	81%
80 PLUS Silver	85%	88%	85%	85%	89%	85%
80 PLUS Gold	87%	90%	87%	88%	92%	88%
80 PLUS Platinum	Не определено			90%	94%	91%

К этому также стоит добавить, что требования стандартов 80PLUS Bronze, Silver и Gold по коэффициенту мощности остались неизменными – 0,9 и более во всём диапазоне нагрузок, в то время как для стандарта 80PLUS Platinum это требование увеличено до уровня 0,95 и более.

Стандарт EPS12V

Характеристики некоторых блоков питания, особенно мощных, иногда включают в себя упоминание о соответствии требованиям стандарта EPS12V. Этот стандарт, утверждённый индустриальным форумом SSI (Server System Infrastructure Forum), имеет отношение главным образом к многопроцессорным системам на процессорах класса Core 2, Core i7, Opteron или Xeon. Требования этого стандарта определяют наличие 24-контактного разъёма (как в стандартах ATX12V v2.x) и 8-контактного дополнительного разъёма для питания системной платы (процессора/процессоров) - вместо привычного 4-контактного разъёма, который в этом стандарте представлен лишь опционально. Впрочем, для обратной совместимости со стандартом ATX12V, производители блоков питания, как правило, исполняют 8-контактный разъём в виде комбинации двух 4-контактных разъёмов.

Полезные ссылки и список литературы для дополнительного изучения:

• Спецификации ATX12V 2.2
• Power Supply. Design Guide for Desktop Platform Form Factors. Revision 1.1
• EPS12V Power Supply Design Guide, v2.91
• Официальный сайт стандарта 80 PLUS 

Обсуждение данного материала происходит в специальной ветке нашего форума.