Energiafogyasztási útmutató Hogyan lehet megtalálni a megfelelő tápegységet a számítógéphez és a szerverhez
Általában a felhasználók nem veszik a fáradtságot a tápegység kiválasztásával. Utólag ez gyakran súlyos hibának bizonyul. Ha megmagyarázhatatlan rendszerösszeomlások vannak, nem ritka, hogy hibásan a helytelenül kiválasztott tápegység a hibás. Ezenkívül egy tápegység pénzt takaríthat meg, ha megfelelően van méretezve. Az energiahatékonyság egyre fontosabb kritériumként jelenik meg az új számítógépek vagy szerverek vásárlásakor. A Tecchannel testvérkiadványunk gyakorlati válaszokat nyújt a tápellátással kapcsolatos fontos kérdésekre a következőkben: Hogyan határozhatja meg a rendszer szükséges elektromos teljesítményét? Mit kell még figyelembe venni a tápegység vásárlásakor? Milyen energiát szolgáltat az áramellátás? Mit jelentenek a tápegységek adattábláján gyakran érthetetlen információk?
A megfelelő specifikációk fontos útmutatót nyújtanak a tápegységek kapcsolásához. Ezekben a bizottságok meghatározzák az energiaszolgáltatók elektromos és mechanikai paramétereit. Ezek a specifikációk gyakran nagy mozgásteret engednek a gyártóknak a kapcsolt üzemmódú tápegységek fejlesztésében, így a típustáblákon szereplő információk nem mindig közvetlenül összehasonlíthatók.
Néhány tápegység-gyártó előszeretettel pompázik a nagy teljesítményű adatokkal. A mottó szerint: "Minél több energia, annál jobb az áramellátás." De különösen a kapcsolt üzemmódú tápegységek esetében nem szabad ennek a tévedésnek alávetni magát, mert néha a túlméretezés hátrányt jelent, amint azt a cikk kifejtette. Ezenkívül elmagyarázzuk, hogyan működik egy kapcsolt üzemmódú tápegység, és kiemeljük a legfontosabb elektromos paramétereket, mint például a hatékonyság, a kombinált teljesítmény és a PFC.
Ez a cikk a Tecchannel testvérkiadványunk közreműködésén alapul. (pah)
Hogyan működnek a kapcsoló tápegységek
A ma is használatos tápegységek alapvetően transzformátorral, egyenirányítóval és lineáris vezérlőelemmel működnek. Ennek a már elavult, de mégis nagyon olcsó megoldásnak hátrányai a nagy teljesítményveszteség, a nagy térfogat és az ennek megfelelően nagy tömeg. Másrészt létezik a kapcsolt üzemmódú tápegység, amelynek viszonylag nagy hatékonysága általában 60-90%, kisebb súlyú és kisebb méretű. Ezeket az előnyöket a hagyományos tápegységgel szemben azonban magasabb áron kell megvásárolni.
A 220 voltos és 50 Hz-es bemeneti hálózati feszültséget egyenirányítón és szűrőkondenzátoron keresztül egyenlítik és durván elsimítják. A távadó és a kapcsoló tranzisztor alkotja a kapcsolóüzemű tápegység szívét. Ez az egység "felaprítja" az egyenfeszültséget körülbelül 50 kHz frekvenciával, és átalakítja alacsonyabb feszültségre. A kimeneti fojtót és a szűrőkondenzátort tartalmazó downstream egyenirányító biztosítja a "tiszta" kimeneti egyenfeszültséget. A kapcsoló tranzisztorra visszavezetett vezérlő és szabályozó áramkör a kimeneti feszültséget állandó értéken tartja, függetlenül a kapcsolt terheléstől. Ez az elv alkalmazható minden feszültségágra, például 12, 5 vagy 3,3 V-ra.
Az asztali számítógépek tápellátásának specifikációi
Az asztali számítógépek tápegységeire nagyrészt a FormFactors.org specifikációi vonatkoznak. Az egyik legfontosabb specifikáció az ATX12V tápegység tervezési útmutató, amelynek 2.3-as verziója 2007 márciusa óta elérhető. A tápegység minden elektromos és mechanikai paraméterét megadják. Az előző 2.2-es verzióhoz képest egyes paramétereknél a feszültségtartományt szigorúbban tolerálták.
Az alábbi táblázat a kimeneti feszültségek megengedett eltéréseit mutatja a tápegység névleges értékétől. Ha a feszültségértékek ezen a tartományon belül vannak, akkor a számítási rendszert nem szabad negatívan befolyásolni. Ezenkívül az ATX specifikációk lehetővé teszik a kimeneti feszültség 50 vagy 120 mV maradék hullámosságát a megfelelő vonalakon.
Feszültségvezeték
Eltérés [%]
Min. [V]
Név [V]
Max. [V]
Ripple [mVpp]
Az ATX specifikáció 2.3-as verziója a 180 és 450 watt közötti tápegységek specifikációit tartalmazza. A 450 wattos tápegység specifikációi a következő áramokat javasolják a megfelelő feszültségágakra. A csúcsáramokat azonban nem szabad 17 másodpercnél tovább használni. Ezen a területen is némileg szigorították a határértékeket. Például a FormFactors.org némileg csökkentette a minimális áramot néhány vonalon, és ennek megfelelően növelte a csúcsáram értékeket.
Feszültségvezeték
Min. Áram [A]
Max. Áram [A]
Csúcsáram [A]
A specifikációk szerint az ATX tápegységnek továbbra is megfelelően kell működnie az elsődleges oldalon a megadott bemeneti feszültségtartományokban. 230 VAC névleges bemeneti feszültség esetén a feszültség 180 és 265 VAC között lehet. 115 VAC hálózat esetén a feszültség 90 és 135 VAC között változhat. A frekvencia nem csökkenhet és nem haladhatja meg a 47 és 63 Hz tűréshatárt.
A szerverek tápellátásának specifikációi
A Server System Infrastructure (SSI) gondoskodik a szerver tápegységeinek specifikációiról. A jelenlegi EPS12V tápegység-tervezési útmutató egyesíti a 2.92-es verzió legfontosabb specifikációit.
Az alábbi táblázat összehasonlítja a különböző feszültségvezetékek névleges értékeitől és a maradék hullámzástól származó feszültségeltéréseket. Az ATX specifikációkhoz képest a szerver tápegységeinek EPS specifikációira sokkal szigorúbb tűrések vonatkoznak. Az ATX áramforrásoknál például a főfeszültségek +/- 5 százalékkal térhetnek el, az EPS-nél csak +5 és -3 százalék.
Feszültségvezeték
Eltérés [%]
Min. [V]
Név [V]
Max. [V]
Ripple [mVpp]
A zárójelben szereplő értékek jelzik a tápegység szorosabban tolerálható kimeneti feszültségének opcionális értékeit.
A megnövekedett energiaigény kielégítése érdekében a specifikációkat mindig a piaci igényekhez kell igazítani, és meg kell határozni a nagyobb teljesítményű tápegységek specifikációit. A 950 W-os tápegység aktuális EPS specifikációjának 2.92 verziója előírja a táblázatban felsorolt áramokat a megfelelő feszültségvezetékekre. A csúcsáramokat azonban csak 12 másodpercen keresztül lehet a tápegységtől venni.
Feszültségvezeték
Min. Áramfelvétel [A]
Max. Áramfelvétel [A]
Csúcsáram-fogyasztás [A]
Az ATX kapcsolt üzemmódú tápegységekhez hasonlóan az EPS kiszolgáló tápellátóinak is változó bemeneti feszültségtartománya van. Ez 180 és 264 VAC között van a 230 VAC feszültségű hálózaton és 90 és 140 VAC között 115 VAC között. A frekvencia eltérhet az 50 Hz-es szabványtól 47 és 63 Hz között.
Kapcsoló tápegységek hatékonysága
A kapcsolt üzemmódú tápegységekben ritkán tekinthető paraméter a hatékonyság. Ez 60 és 80 százalék között van a jelenlegi modelleknél. Az áramellátó egység így felesleges hőként felhasznált energia körülbelül ötödét pazarolja el. Például, ha egy számítógépes rendszer 500 watt villamos energiát használ a csatlakozóaljzaton, 100 wattot szánnak a tápegységre 80 százalékos hatékonysággal. A fennmaradó 400 watt hasznos energiaként a számítógép alkatrészei számára elérhető.
A hatékonyságot a kimenet és a bemenet aktív teljesítményének arányából számítják ki. Minél nagyobb az érték, annál hatékonyabban működik az áramellátás. A jelenlegi ATX és EPS specifikációk legalább 65 százalékos hatékonyságot írnak elő 20 százalékos terhelés mellett. Fél terhelésnél az energiaszolgáltatónak 72 százalékos hatékonysággal kell dolgoznia, teljes terhelés esetén pedig 75 százalék elegendő. Mindkét specifikáció azonban ennek a három terhelési tartománynak legalább 80 százalékos hatékonyságot javasol.
A kép egy kapcsoló tápegység hatékonyságának tipikus görbéjét mutatja (Cisco 34-0873-01). A készülék körülbelül 5 százalékos terhelésig, viszonylag gazdaságtalanul működik, 0–60 százalékos hatékonysággal. A kapcsolt üzemmódú tápegység a legnagyobb hatékonyságot, 85 százalék körüli, 50 százalékos terhelés mellett éri el. Maximális terhelés mellett a hatásfok körülbelül 82 százalékra csökken.
A 80 plusz tápegységek nagyobb energiahatékonyságot kínálnak
Az Energy Star 5.0 irányelvek és a 80 plus szabvány a jövő áramellátásának fontos részét képezik. Ez kifejezetten a számítógépben használt tápegységekre vonatkozik. Az áramellátás új specifikációi nemcsak nagyfokú hatékonyságot, hanem az eszközök jobb energiaminőségét is megkövetelik. Ha a tápegységek megfelelnek a szigorú előírásoknak, azokat a megfelelő logóval lehet díszíteni.
A hatékonyság a kimeneti aktív teljesítmény és a bemenő aktív teljesítmény hányadosa alapján alakul ki. Minél nagyobb ez a tényező (ideális esetben 1 vagy 100 százalék), annál jobb az energiaellátás vagy a hatékonyság. Minél alacsonyabb a hatásfok, annál több elektromos energiát alakít át a tápegység haszontalan hőenergiává. A korábban kereskedelemben kapható tápegységek 60–70 százalékos hatékonysággal, 50 százalékos kihasználtság mellett működnek. A hatékonyság romlik, ha az áramellátás a százalékos irányértéken kívül működik.
A belső asztali tápegységekre vonatkozó 80 plusz szabályozás előírja, hogy az energiaadagoló 20, 50 és 100 százalékos elektromos felhasználása mellett a hatékonyság nem csökkenhet 80 százalék alá. Annak érdekében, hogy 80-as plusz tanúsítást kapjon egy tápegységről, a gyártónak ellenőriznie kell ezeket az értékeket a 80plus.org oldalon. A vizsgálati adatokat egy vizsgálati jegyzőkönyv rögzíti, és közzéteszi a weboldalon. A klasszikus 80 plusz szabvány mellett mostantól léteznek újabb szabványok:
80 PLUS Bronze (82% -os hatékonyság 20% -os terhelésnél, 85% 50% -os terhelésnél, 82% 100% -os terhelésnél)
80 PLUS ezüst (85% WG 20% -os terhelésnél, 88% 50% -os terhelésnél, 85% 100% -os terhelésnél)
80 PLUS Gold (87% WG 20% -os terhelésnél, 90% 50% -os terhelésnél, 87% 100% -os terhelésnél)
80 PLUS Platinum (90 százalékos lapos részesedés 20 százalékos terhelésnél, 92 százalék 50 százalékos terhelésnél, 89 százalék 100 százalékos terhelésnél)
A korábbi belső asztali tápegységekhez képest 80 százalékos hatékonyságot csak a kapcsolt üzemmódú tápegység precíz vezérlő hurokjaival és nagyon szoros tűrésű alkatrészekkel lehet elérni. Ezek az intézkedések ennek megfelelően megnövelik egy ilyen hatékony tápegység termelési költségeit.
Nagyobb hatékonyság: minőség helyett mennyiség
A 80 százalékos hatékonyságnak számos pozitív mellékhatása van. Először is, a tápegység kevesebb haszontalan energiát termel, mint az azonos aktív teljesítményű hagyományos tápegységek. Ez tartósan alacsonyabb villamosenergia-költségeket eredményez a felhasználó számára. Ezenkívül a számítógép gyártója vagy felhasználója alacsonyabb névleges teljesítményű tápegységet is használhat.
A magas hatásfok másik előnye az alacsonyabb hőfejlődés az áramellátásban. Ez többek között meghosszabbítja az elektromos és a mechanikus alkatrészek élettartamát.
A hatékonyság mellett a feszültség torzulásai is nagy szerepet játszanak az áramellátásban. Ezek akkor jelennek meg, amikor a kapcsolt üzemmódú tápegység "helytelenül" működik. Ez harmonikus áramokat hoz létre, amelyek torzítják a hálózati feszültséget. Ez fokozott interferenciát eredményez a fogyasztókban, és növeli a tápegység elektromos veszteségeit. Ezenkívül a továbbfelhasználóknak meg kell küzdeniük ezekkel a problémákkal.
Ezeket a nem kívánt feszültségtorzulásokat csak az alkatrészek, például kondenzátorok és félvezetők nagyobb dielektromos szilárdságával, valamint megfelelő szűrők alkalmazásával lehet kompenzálni. Ez általában a tápegység magasabb költségeivel jár.
A tápegység úgynevezett teljesítménytényezője (PF) vagy teljesítménytényezője figyelembe veszi a 80 plusz specifikációkat is. A teljesítménytényező az aktív teljesítmény (P) wattban kifejezett és a látszólagos teljesítmény (S) aránya VA-ban. A 80plus.org 0,9-nél nagyobb teljesítménytényezőt ír elő a megfelelő 80 plusz tápegységhez, ha az eszközt 100% -ban használják.
Kombinált erő: elmélet
A szerverek, munkaállomások vagy asztali számítógépek hagyományos tápegységei a három fő feszültséget, 12, 5 és 3,3 voltot biztosítják. Ezenkívül további kiegészítő feszültségekkel rendelkeznek, például -5, -12 és 5 voltos készenléti állapotban. Az áramköri erőfeszítések és ezáltal a költségek megtakarítása érdekében a + 3,3 voltos és az 5 voltos feszültségszabályozó hurok megosztja a kimeneti transzformátor tekercsét (kombinált teljesítmény) a legtöbb kereskedelmi energiaszolgáltatóval.
Ez azt jelenti: Ha a kimeneti terhelést az egyik feszültségágon növelik, akkor a másik vezeték maximális kimeneti terhelése egyidejűleg csökken. Az olyan alkatrészek, mint a beépíthető kártyák vagy meghajtók, amelyeket az 5 voltos vezeték táplál, egyidejűleg befolyásolják a processzor teljesítményigényének elérhetőségét a 3,3 voltos vonalon. Ez a két feszültségág közvetlen függése a rendszer instabilitásához vezethet, amikor a maximális terhelés kimerül.
Ezért a tápegység vásárlójának gondosan ellenőriznie kell, hogy a tápegység "kombinált áramellátással rendelkezik-e", és hogy a gyártó hogyan osztja fel a teljesítményadatokat az egyes ágakra. Meg kell jegyezni, hogy a két feszültségág maximális összteljesítménye 3,3 volt és 5 volt kombinált teljesítménnyel lényegesen alacsonyabb, mint a vezetékek egyes összegei.
Kombinált erő: Gyakorlat
Használja a csendes névtáblánk példáját! A Listan Dark Power Pro azt mutatja, hogy a 3,3 voltos elágazás 24 A áramot, az 5 voltos vezeték pedig 30 A-t is ellát. Ez 79,2 vagy 150 W. A gyártó a két ág együttesen legfeljebb 170 W, és nem 230 W együttes teljesítményt határoz meg, amely az egyes ágak összegéből származik. Kombinált teljesítmény esetén a feszültségágak korlátozzák egymást. Például, ha az egyik vonal erősen terhelt, akkor a másiknak kevesebb energiája van.
Ezt orvosolni lehet külön transzformátor tekercsekkel, amelyek minden egyes feszültséghez rendelkezésre állnak, beleértve a vezérlőhurkot is. Ezeket a típustáblán feltüntetett maximális névleges terheléssel lehet működtetni. A korlátozó tényező ekkor csak az a teljes teljesítmény, amelyet a tápegység a gyártó szerint lead.
Teljesítménytényező korrekció (PFC)
A kapcsolóüzemű tápegységek fő hátránya, hogy rövid impulzusok formájában áramot vonnak a bemenetre. Az egyenirányító amplitúdói a bemeneti áramkörben sokszor nagyobbak, mint a kimeneten felvett egyenáram. Ezek a nemlineáris áramok, amelyeket induktivitások és kapacitások erősítenek fel, torzítják és deformálják a bemenet szinuszos oszcillációit. Ezenkívül magas a nemkívánatos harmonikusok aránya, amelyek elektromágneses interferenciát okoznak. Ennek eredményeként más készülékek tápegységei zúgni kezdenek, vagy hátrányosan befolyásolhatja a televízió és telefon vételét. Ezek a zavarok az áramszolgáltatók számára is komoly problémát jelentenek, mivel állandó minőségű váltakozó áramot kell biztosítaniuk minden felhasználó számára.
E hátrányok kiküszöbölése érdekében a gyártók úgynevezett teljesítménytényező-korrekciós áramkörrel (PFC) látják el a tápegységeket. Ennek majdnem lineáris feszültséget kell levonnia a hálózatból, és többé-kevésbé ohmikus terhelésként kell viselkednie, elkerülve ezzel a hálózati zavarokat.
A passzív PFC alacsony frekvenciájú aluláteresztő szűrőként induktivitási fojtót és kondenzátort használ. Ezek csillapítják a fellépő feszültségcsúcsokat, és egyben elnyomják a harmonikusokat. A teljesítménytényező index 0,7–0,8. Ezenkívül terjedelmes kondenzátorokat és tekercseket kell használni, mivel a tápegység bemenete alacsony, 50–60 Hz frekvencián működik.
Az aktív PCF lényegesen jobb teljesítménytényező-korrekciót ér el, 0,9 és 1 között. Ez aktív komponenseket, például IC-ket vagy tirisztor áramköröket használ az áramfogyasztás szabályozására, mintha ohmos terhelés lenne csatlakoztatva. Ezenkívül az aktív PFC vezérlő áramkör a változó bemeneti feszültségek széles tartományát teszi lehetővé 85 és 265 VAC között. Az aktív PFC tehát magasabb szintű hatékonyságot, jobb EMC-kompatibilitást, kis méretet és széles tartományú vezérlést kínál passzív társához képest. Ezeket az előnyöket azonban magasabb áron vásárolják meg.
A tápegységek védelmi funkciói
A kapcsoló tápegységek biztonságos üzemeltetése érdekében a specifikációk olyan védőáramkörök sorozatát javasolják, amelyek vészhelyzet esetén kikapcsolják az áramellátást. Az áramkorlátozás az egyik legfontosabb védintézkedés. Ezt minden feszültségágba be kell építeni. Az áramkorlát akkor aktiválódik, ha bizonyos áramkorlátokat túllépnek a tápegység kimenetén. Ide tartozik a rövidzárlat is, amelyet az energiaellátónak kompenzálnia kell, amikor bekövetkezik.
A túlfeszültség-védelem egy másik biztonsági intézkedés az érzékeny számítógép-alkatrészek károsodásának elkerülése érdekében. Az áramkorlátozáshoz hasonlóan a feszültségágakban lévő áramkör bizonyos küszöbértékek elérésekor inaktiválja az áramellátást.
A túlmelegedés elkerülése érdekében a kapcsolt üzemmódú tápegységekben hőmérséklet-szabályozású ventilátorok és beépített hőmérséklet-érzékelők vannak, amelyek kikapcsolják az áramellátást, amikor egy meghatározott határhőmérséklet eléri. A hőmérséklet-védelmi áramkör megvédi a készülék termikus tönkremenetelét, különösen nagy energiafogyasztás esetén, vagy ha a tápellátó ventilátor meghibásodik.
Annak érdekében, hogy a tápegységet megvédjék a meghatározatlan vezérlési állapotoktól a bemenetek kirakodásakor, a gyártók a kapcsolt üzemmódú tápegységeket úgynevezett terhelés nélküli funkcióval látják el. Ez felismeri a nyitott csatlakozó bemeneteket, és az áramellátást kikapcsolási állapotba helyezi, amíg a terhelés össze nem kapcsolódik.
Tápegységek és villamos energia
Az elmúlt években óriási mértékben megnőtt a számítógépes rendszerek villamos energia iránti igény. Nem utolsósorban az egyre magasabb ütemű és erősebb CPU-k és grafikus chipek miatt. Ennek megfelelően a tápegységeknek több elektromos energiát kell szolgáltatniuk. Az alábbi táblázat áttekintő képet nyújt az egyes alkatrészek teljesítményigényéről egy valamivel régebbi példarendszerben: