Najdôležitejšie kritériá pre správny zdroj napájania
Pri výbere správnych komponentov zohráva napájací zdroj často podradnú úlohu. Pri spätnom pohľade sa to môže ukázať ako vážna chyba. Pretože nevysvetliteľné pády systému môžu spôsobiť aj nesprávne zvolenú jednotku napájania. Okrem toho správne dimenzovaná jednotka napájania (energetická účinnosť) zohráva v priebehu neustáleho zvyšovania nákladov na energiu čoraz dôležitejšiu úlohu. Akú elektrickú energiu však systém potrebuje, a čo musíte brať do úvahy pri kúpe napájacieho zdroja? Aký výkon dodáva a čo vlastne znamenajú často nepochopiteľné informácie na typovom štítku napájacích zdrojov?
Zodpovedajúce špecifikácie sú dôležitým sprievodcom pri prepínaní napájacích zdrojov. V týchto výboroch sa určujú elektrické a mechanické parametre dodávateľov energie. Tieto špecifikácie často poskytujú výrobcom veľký priestor pri vývoji prepínaných zdrojov napájania, takže informácie na typových štítkoch nie sú vždy priamo porovnateľné.
Niektorí výrobcovia napájacích zdrojov sa radi oháňajú vysokými výkonmi. Podľa hesla: „Čím viac energie, tým lepšie napájanie.“ Ale najmä pri spínaných napájacích zdrojoch by sa vás tento omyl nemal týkať, pretože niekedy je nadmerná veľkosť nevýhodou, ako vysvetľuje náš článok. Ďalej vysvetľujeme, ako funguje spínaný napájací zdroj, a zdôrazňujeme najdôležitejšie elektrické parametre, ako je účinnosť, kombinovaný výkon a PFC.
Ak vás pokyny Energy Star 4.0 zaujímajú viac, nájdete ich v správe: Energy Star 4.0: Nové pokyny na úsporu energie pre počítače a notebooky. Článok Netzteile: Nové štandardy pre počítače a servery sú venované štandardom napájacích zdrojov. Ako ušetriť elektrinu pomocou hardvéru servera je popísané v praktickom teste článku: Úspora elektriny pomocou hardvéru servera.
Ako fungujú spínané zdroje
Napájacie zdroje, ktoré sa používajú dodnes, fungujú v zásade s transformátorom, usmerňovačom a lineárnym ovládacím prvkom. Nevýhody tohto dnes už zastaraného, ale stále veľmi lacného riešenia sú veľká strata výkonu, veľký objem a zodpovedajúco vysoká hmotnosť. Na druhej strane je tu spínaný napájací zdroj s jeho relatívne vysokou účinnosťou zvyčajne 60 až 90 percent a nižšou hmotnosťou a menšími rozmermi. Tieto výhody oproti klasickému zdroju napájania je však potrebné kúpiť za vyššiu cenu.
Vstupné sieťové napätie 220 voltov a 50 Hz je usmernené a zhruba vyhladené pomocou usmerňovača a filtračného kondenzátora. Vysielač výkonu a spínací tranzistor tvoria jadro zdroja napájania v spínacom režime. Táto jednotka „rozsekáva“ jednosmerné napätie na frekvencii okolo 50 kHz a transformuje ho na nižšie napätie. Následný usmerňovač vrátane výstupnej tlmivky a filtračného kondenzátora zaisťuje „čisté“ výstupné jednosmerné napätie. Riadiaci a regulačný obvod, ktorý je napájaný späť do spínacieho tranzistora, udržuje výstupné napätie na konštantnej hodnote bez ohľadu na spínanú záťaž. Tento princíp je možné aplikovať na všetky vetvy napätia, napríklad 12, 5 alebo 3,3 V.
Špecifikácia napájacieho zdroja pre stolné počítače
Zdroje napájania pre stolné počítače do veľkej miery podliehajú špecifikáciám servera FormFactors.org. Jednou z najdôležitejších špecifikácií je Sprievodca návrhom napájacieho zdroja ATX12V, ktorého verzia 2.3 je k dispozícii od marca 2007. Sú v ňom uvedené všetky elektrické a mechanické parametre napájacej jednotky. V porovnaní s predchádzajúcou verziou 2.2 bol rozsah napätia pre niektoré parametre tolerovaný prísnejšie.
Nasledujúca tabuľka zobrazuje prípustné odchýlky výstupného napätia od menovitej hodnoty napájacieho zdroja. Ak sú hodnoty napätia v týchto rozsahoch, nesmie to mať negatívny vplyv na výpočtový systém. Okrem toho špecifikácie ATX umožňujú zvyškové zvlnenie výstupného napätia 50 alebo 120 mV na zodpovedajúcich linkách.
Vedenie napätia
Odchýlka [%]
Min. [V]
Nom. [V]
Max. [V]
Zvlnenie [mVpp]
Špecifikácia ATX verzie 2.3 obsahuje špecifikácie napájacích zdrojov od 180 do 450 wattov. Špecifikácie napájacieho zdroja s výkonom 450 W odporúčajú pre zodpovedajúce vetvy napätia nasledujúce prúdy. Špičkové prúdy sa však nesmú používať dlhšie ako 17 sekúnd za minútu. Aj v tejto oblasti boli limitné hodnoty trochu sprísnené. Napríklad FormFactors.org mierne znížil minimálny prúd na niektorých linkách a zodpovedajúcim spôsobom zvýšil hodnoty špičkového prúdu.
Vedenie napätia
Min. Prúd [A]
Max. Prúd [A]
Špičkový prúd [A]
Podľa špecifikácií musí napájací zdroj ATX stále fungovať správne na primárnej strane v určených rozsahoch vstupného napätia. Pri menovitom vstupnom napätí 230 VAC môže byť napätie medzi 180 a 265 VAC. V sieti 115 VAC sa napätie môže pohybovať medzi 90 a 135 VAC. Frekvencia by nemala klesnúť pod prah tolerancie 47 a 63 Hz alebo by ju nemala prekročiť.
Špecifikácie napájania serverov
O špecifikácie napájacích zdrojov servera sa stará serverová systémová infraštruktúra (SSI). Aktuálny Sprievodca návrhom napájacieho zdroja EPS12V vo verzii 2.92 kombinuje najdôležitejšie špecifikácie.
Nasledujúca tabuľka porovnáva odchýlky napätia od nominálnych hodnôt rôznych napäťových vedení a zvyškové zvlnenie. V porovnaní so špecifikáciami ATX podliehajú špecifikácie EPS pre napájanie serverov oveľa prísnejším toleranciám. Napríklad pri zdrojoch energie ATX sa môžu hlavné napätia líšiť o +/- 5 percent, pri EPS je to iba +5 a -3 percentá.
Vedenie napätia
Odchýlka [%]
Min. [V]
Nom. [V]
Max. [V]
Zvlnenie [mVpp]
Hodnoty v zátvorkách označujú voliteľné hodnoty pre lepšie tolerované výstupné napätia napájacieho zdroja.
Aby sa uspokojil zvýšený dopyt po energii, musia sa špecifikácie vždy prispôsobiť potrebám trhu a definovať špecifikácie výkonnejších zdrojov napájania. Aktuálna verzia 2.92 špecifikácie EPS pre napájací zdroj s výkonom 950 W predpisuje prúdy uvedené v tabuľke pre príslušné vedenia napätia. Špičkové prúdy sa však môžu odoberať z napájacej jednotky iba po dobu 12 sekúnd.
Vedenie napätia
Minimálna spotreba prúdu [A]
Max. Prúdový odber [A]
Špičkový prúdový odber [A]
Rovnako ako spínacie napájacie zdroje ATX, aj dodávatelia napájania na serveri EPS majú variabilný rozsah vstupného napätia. To je medzi 180 a 264 VAC pre sieť napätia 230 VAC a medzi 90 a 140 VAC pre 115 VAC. Frekvencia sa môže líšiť od normy 50 Hz medzi 47 a 63 Hz.
Účinnosť prepínania napájacích zdrojov
Účinnosťou je zriedka považovaný parameter v spínaných zdrojoch napájania. To je v prípade súčasných modelov 60 až 80 percent. Jednotka napájania tak premrhá asi pätinu energie použitej ako zbytočné teplo. Napríklad, ak počítačový systém spotrebuje na zásuvku 500 wattov elektrickej energie, 100 wattov sa pridelí napájacej jednotke s účinnosťou 80 percent. Zvyšných 400 wattov je k dispozícii počítačovým komponentom ako užitočná energia.
Účinnosť sa počíta z pomeru činného výkonu na výstupe a na vstupe. Čím vyššia je hodnota, tým efektívnejšie funguje napájanie. Súčasné špecifikácie ATX a EPS stanovujú účinnosť najmenej 65 percent pri zaťažení 20 percent. Pri polovičnom zaťažení by mal dodávateľ energie pracovať s účinnosťou 72 percent, pri plnom zaťažení stačí 75 percent. Obe špecifikácie však odporúčajú pre tieto tri rozsahy zaťaženia účinnosť minimálne 80 percent.
Obrázok ukazuje typickú krivku účinnosti spínaného zdroja napájania (Cisco 34-0873-01). Zariadenie pracuje pomerne neekonomicky až do zhruba 5-percentného zaťaženia s účinnosťou 0 až 60 percent. Spínaný napájací zdroj dosahuje najvyššiu účinnosť okolo 85 percent so záťažou 50 percent. Pri maximálnom zaťažení účinnosť klesá na zhruba 82 percent.
Napájacie zdroje 80 a viac ponúkajú vyššiu energetickú účinnosť
Pokyny Energy Star 4.0 a novo ustanovený štandard 80 plus sú dôležitou súčasťou budúcich napájacích zdrojov. Týka sa to konkrétne napájacích zdrojov použitých v počítači. Nové špecifikácie napájania vyžadujú nielen vysoký stupeň účinnosti, ale aj lepšiu kvalitu napájania zariadení. Ak napájacie zdroje vyhovujú prísnym predpisom, môžu byť zdobené príslušným logom.
Účinnosť je tvorená kvocientom výstupného činného výkonu k vstupnému činnému výkonu. Čím vyšší je tento faktor (ideálne 1 alebo 100 percent), tým lepšie je napájanie alebo účinnosť. Čím nižšia je účinnosť, tým viac elektrickej energie agregát premieňa na neužitočnú tepelnú energiu. Predtým komerčne dostupné zdroje napájania pracujú s účinnosťou okolo 60 až 70 percent pri 50-percentnom využití. Účinnosť sa zhoršuje, ak napájací zdroj pracuje mimo percentuálnej smernej hodnoty.
Nariadenie 80-plus stanovuje, že interné stolové napájacie zdroje nesmú klesnúť pod 80-percentnú účinnosť pri 20, 50 a 100-percentnom elektrickom zaťažení výdajníka energie. Na získanie certifikátu 80-plus pre jednotku napájacieho zdroja musí výrobca nechať tieto hodnoty skontrolovať na serveri 80plus.org. Údaje o teste sú zaznamenané v protokole o teste a zverejnené na webovej stránke.
V porovnaní s predchádzajúcimi internými stolnými napájacími zdrojmi je možné dosiahnuť účinnosť 80 percent iba pomocou presných regulačných obvodov v spínanom napájacom zdroji a veľmi prísne tolerovaných komponentov. Tieto opatrenia zodpovedajúcim spôsobom zvyšujú výrobné náklady na takúto efektívnu jednotku napájania.
Vyššia účinnosť: kvalita namiesto množstva
80-percentná účinnosť má niekoľko pozitívnych vedľajších účinkov. V prvom rade napájacia jednotka generuje menej zbytočnej energie v porovnaní s bežnými napájacími jednotkami s rovnakým činným výkonom. To má za následok trvale nižšie náklady na elektrinu pre používateľa. Výrobca alebo užívateľ PC môže navyše používať napájací zdroj, ktorý má nižší nominálny výkon.
Ďalšou výhodou vysokej účinnosti je nižší vývoj tepla v napájacom zdroji. Okrem iného to má za následok predĺženie životnosti elektrických komponentov, ako aj mechanických komponentov.
Okrem účinnosti hrajú v napájacích zdrojoch hlavnú úlohu skreslenia napätia. Objavujú sa, keď spínaný napájací zdroj pracuje „nesprávne“. To vytvára harmonické prúdy, ktoré deformujú sieťové napätie. To vedie k zvýšenej interferencii so spotrebiteľmi a zvyšovaniu elektrických strát v napájacej jednotke. Následní spotrebitelia musia navyše čeliť týmto problémom.
Tieto nežiaduce skreslenia napätia je možné kompenzovať iba vyššou dielektrickou silou komponentov, ako sú kondenzátory a polovodiče, ako aj použitím vhodných filtrov. To je zvyčajne spojené s vyššími nákladmi na jednotku napájania.
Takzvaný účinník (PF) alebo účinník napájacej jednotky zohľadňujú aj špecifikácie 80 plus. Účinník je pomer činného výkonu (P) vo wattoch k zdanlivému výkonu (S) vo VA. 80plus.org predpisuje účinník väčší ako 0,9 pre zodpovedajúcu napájaciu jednotku 80 plus, keď sa zariadenie používa na 100 percent.
Kombinovaná sila: teória
Bežné napájacie zdroje pre servery, pracovné stanice alebo stolové počítače poskytujú tri hlavné napätia 12, 5 a 3,3 voltov. Okrem toho majú ďalšie pomocné napätia, ako napríklad -5, -12 a 5 voltov v pohotovostnom režime. Aby sa ušetrilo úsilie na obvode a tým aj náklady, zdieľajú riadiaca slučka napätia +3,3 voltu a + 5 voltov cievku výstupného transformátora (kombinovaný výkon) s väčšinou komerčných dodávateľov energie.
To znamená: Ak sa na jednej napäťovej vetve zvýši výstupné zaťaženie, na druhej linke sa súčasne zníži maximálne výstupné zaťaženie. Komponenty, ako sú zásuvné karty alebo disky, ktoré sú napájané z 5-voltového vedenia, preto súčasne ovplyvňujú dostupnosť energetických požiadaviek procesora na 3,3-voltovom vedení. Táto priama závislosť dvoch vetiev napätia môže viesť k nestabilite systému pri vyčerpaní maximálneho zaťaženia.
Z tohto dôvodu by mal kupujúci napájacieho zdroja starostlivo skontrolovať, či má napájací zdroj „kombinovaný výkon“ a ako výrobca rozdeľuje údaje o výkone do jednotlivých vetiev. Je potrebné poznamenať, že maximálny celkový výkon dvoch napäťových vetiev 3,3 voltu a 5 voltov s kombinovaným výkonom je výrazne nižší ako jednotlivé súčty vedení.
Kombinovaná sila: Cvičenie
Na príklade nášho typového štítku napájacej jednotky buďte ticho! Dark Power Pro od spoločnosti Listan ukazuje, že 3,3-voltová vetva dodáva 24 A elektriny a 5-voltové vedenie tiež 30 A. To je 79,2 alebo 150 W. Výrobca udáva kombinovaný výkon maximálne 170 W pre obe vetvy dohromady a nie 230 W, čo vyplýva zo súčtu jednotlivých vetiev. Pri kombinovanom výkone sa napäťové vetvy navzájom obmedzujú. Napríklad, ak je jedno vedenie príliš zaťažené, má druhé k dispozícii menej energie.
To je možné napraviť samostatnými transformátorovými cievkami, ktoré sú k dispozícii pre každé jednotlivé napätie vrátane riadiacej slučky. Môžu byť prevádzkované s maximálnym menovitým zaťažením uvedeným na typovom štítku. Limitujúcim faktorom je potom iba celkový výkon, ktorý napájací zdroj dodáva podľa výrobcu.
Korekcia účinníka (PFC)
Veľkou nevýhodou spínaných napájacích zdrojov je spotreba prúdu na vstupe vo forme krátkych impulzov. Amplitúdy usmerňovača vo vstupnom obvode sú mnohonásobne vyššie ako jednosmerný prúd odoberaný na výstupe. Tieto nelineárne prúdy zosilnené indukčnosťami a kapacitami spôsobujú na vstupe skreslenia a deformácie sínusových oscilácií. Okrem toho existuje vysoký podiel nežiaducich harmonických, ktoré spôsobujú elektromagnetické rušenie. V dôsledku toho môžu napájacie zdroje iných zariadení začať bzučať alebo môže byť nepriaznivo ovplyvnený televízny a telefónny príjem. Tieto poruchy sú tiež vážnym problémom pre dodávateľov elektriny, pretože musia každému užívateľovi poskytovať striedavý prúd konštantnej kvality.
Aby sa odstránili tieto nevýhody, výrobcovia vybavujú napájacie jednotky takzvaným obvodom korekcie účinníka (PFC). To by malo odoberať takmer lineárne napätie zo siete a správať sa viac-menej ako ohmické zaťaženie, čím sa zabráni rušeniu siete.
Pasívny PFC využíva indukčný tlmivku a kondenzátor ako nízkofrekvenčný dolnopriepustný filter. Tlmia vznikajúce napäťové špičky a súčasne potláčajú harmonické. Index účinníka je 0,7 až 0,8. Ďalej je potrebné použiť objemné kondenzátory a cievky, pretože vstup napájacieho zdroja pracuje na nízkej frekvencii 50 až 60 Hz.
Aktívny PCF dosahuje podstatne lepšiu korekciu účinníka o 0,9 až 1. Toto využíva aktívne komponenty ako IC alebo tyristorové obvody na reguláciu spotreby prúdu, akoby bolo pripojené ohmické zaťaženie. Aktívny riadiaci obvod PFC navyše umožňuje široký rozsah variabilného vstupného napätia medzi 85 a 265 VAC. Aktívne PFC tak ponúka v porovnaní s pasívnym náprotivkom vyšší stupeň účinnosti, lepšiu kompatibilitu EMC, malú veľkosť a širokospektrálnu reguláciu. Tieto výhody sa však kupujú za vyššiu cenu.
Ochranné funkcie napájacích zdrojov
Pre bezpečnú prevádzku spínaných zdrojov napájania technické parametre odporúčajú sériu ochranných obvodov, ktoré v prípade núdze deaktivujú napájanie. Súčasné obmedzenie je jedným z najdôležitejších ochranných opatrení. To musí byť zabudované do každej vetvy napätia. Prúdové obmedzenie začne platiť, keď dôjde k prekročeniu určitých prúdových obmedzení na výstupe napájacieho zdroja. Patrí sem aj skrat, ktorý musí v prípade jeho výskytu kompenzovať dodávateľ energie.
Prepäťová ochrana je ďalším bezpečnostným opatrením, aby sa zabránilo poškodeniu citlivých komponentov počítača. Podobne ako pri súčasnom obmedzení prúdu, obvod v napäťových vetvách deaktivuje napájanie, keď sa dosiahnu určité prahové hodnoty.
Aby sa zabránilo prehriatiu, majú spínané napájacie zdroje teplotne riadené ventilátory a integrované teplotné senzory, ktoré napájaciu jednotku vypnú po dosiahnutí stanovenej medznej teploty. Teplotný ochranný obvod chráni zariadenie pred tepelným zničením, najmä pri vysokej spotrebe energie alebo pri poruche napájacieho ventilátora.
Kvôli ochrane napájacieho zdroja pred nedefinovanými stavmi riadenia, keď nie sú vstupy zaťažené, vybavujú výrobcovia spínané napájacie zdroje takzvanou funkciou bez zaťaženia. Toto rozpozná vstupy otvoreného konektora a uvedie napájací zdroj do stavu vypnutia, kým nie je pripojená záťaž.
Napájanie a elektrická energia
Dopyt počítačových systémov po elektrickej energii sa v posledných rokoch enormne zvýšil. V neposlednom rade kvôli stále vyššie taktovaným a výkonnejším procesorom a grafickým čipom. Preto musia zdroje napájania poskytovať viac elektrickej energie. Nasledujúca tabuľka poskytuje hrubý prehľad o energetických požiadavkách jednotlivých komponentov v ukážkovom systéme: