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psu电源的发展进程介绍

日期:2020/8/20 3:22:30 来源:本站原创   【字体:
电源供应器即psu电源的总额定输出功率,是由从同一高频变压器上分出的各路电压通道的额定输出功率,以及关键元器件的参数(像是功率级FET或BJT/GTR的最大电流容量)所限制。个人电脑的电源功率需求也十分宽广,从250W以下的低功耗平台,到超过1000W的多显卡/多CPU平台都有。而目前常见的电源供应器,额定功率一般在300W到500W之间。
 
电源供应器一般都被设计为比计算出的理论"系统最大功率"数值要多出40%的功率余量,这样做一来是避免系统性能下降,一来是应付可能突如其来的重载。电源供应器上也会标示出总功率输出(有的标示额定功率,但有的标示最大峰值功率,注意一般以前者为准),或者会另外标示出各电压通道的最大电流限制。一些较低端的电源供应器,为图利润可能会阉割重载保护组件及电路。
 
电脑系统所需的最大功耗,是由电脑内各主动组件(显卡、主板、CPU、内存、硬盘驱动器、散热风扇等需要电能工作的组件)各自需要的最大电功率之和所决定,电脑厂商、砌机/DIY用家需根据此选用电源供应器。对于目前的功耗大户——显卡,而言,电源供应器的12V输出通道的额定输出功率/最大输出电流,是必须注意的。而电脑主动组件的制造商,特别是显卡、主板厂商,都会在其使用说明书上标明需要额定功率多少瓦的电源供应器。另外,像是CPU、显卡的热设计功耗(TDP)数值,也不时被人们作为电源供应器选用的引用,但要注意的是,TDP不等同于组件的实际功耗,TDP主要是作为散热器选用的所需参数。而硬盘驱动器、光盘驱动器上,一般都会有明确的额定输入电压、所需最大电流的参数。
额定功率既是电源供应器的一项参数指针,也是厂商的宣传点之一。而某些电源供应器的厂商,会宣称其产品拥有多大的输出功率,但是往往实际的额定输出功率会偏低,较为恶劣的甚至只有宣称值的一半不到。更为复杂的,有部分电源供应器的5伏电压通道是从12V电压通道上降压获得的,如果12V通道的电流容量不足,或是5V通道的稳压电路电流容量不够,会导致12V通道或5V通道在远未达到电源供应器的标称总额定功率时就出现重载情况。
除此以外,还有3.3V电压通道从5V电压通道上取电,或者非隔离式DC-DC方案里5V、3.3V通道均从12V通道上取电的设计,此时5V以及3.3V通道的最大电流就会受到12V通道的最大电流容量限制。以3.3V通道从5V通道上取电的例子,3.3V通道拥有10A的电流容量(即拥有33W的输出功率),而5V通道则拥有20A的电流容量(即100W的输出功率),但是若两者的联合输出功率最大只有110W,那么,当3.3V通道达到该通道的最大输出功率时,5V通道上仅能最大输出77W。
 
原始的IBM PC、XT以及AT标准
主条目:AT规格
最早期,IBM PC的电源供应器,提供+5V、+12V两组主电压和-5V、-12V两组负电压,其中负电压组所能提供的功率比较有限,只占电源供应器总输出功率中的一小部分。大部分的集成电路/芯片都在5V的电压下运作。这种原始的电源供应器能提供63.5瓦的电功率,其中大部分电功率处于+5V电压轨下。
+12V电压主要用于马达,像是硬盘驱动器、冷却风扇(包括安装于散热器上的)一类。而随着像是磁盘驱动器、光盘驱动器等周边设备的增加,对+12V电压轨上的电功率需求也日渐增多。然而,由于大部分的电能仍然是芯片所消耗,因此5V电压轨仍然输出电源供应器总输出功率中最多电功率。-12V电压轨主要为RS-232串行端口提供负电压电源。而-5V电压轨则是为ISA总线上的周边设备提供负电压电源,并不会在主板的供电上使用。
另外,这些早期的电源供应器还会额外提供一根称为"Power Good"的线缆,用来防止数字电路在电源供应器通电后最开始的数毫秒内启动运作,这数毫秒内电源供应器的输出电压和输出电流都在上升,并不稳定,这种情况下不足以使电路正常运作。当输出电压稳定正常可满足电路的供电需要,"Power Good"信号使得电源供应器内部的数字电路开始运作以能够对电脑供电。
原始的IBM PC电源供应器中(型号5150),XT和AT规格的都包含一个线电压电源开关,这个开关安装在电脑机壳侧面的延伸位置上。这种设计的变体出现在一些塔式机壳上,线电压开关用一根短线缆连接至电源供应器上,可根据需要设计成电源供应器上一个可拆卸的部件。
一台早期的微型电脑,其电源供应器要么处于全开状态,要么完全关闭,由机械式的线电压开关控制,并没有考虑设计一个在低耗电的空载模式时的节电功能。这些电源供应器一般不能像现在的电脑电源供应器那样有待机、软关闭等节电功能,或者是定时计划引导控制等功能。
由于是"一直开着"的设计,在发生短路情况时,要么保险丝/熔断器烧断或爆开,要么有开关模式的电源会频繁断电,需要等上一段时间然后尝试重启。一些电源供应器频繁地重启时会使电脑发出可闻的声音,像是周边设备的"tick-tock"声以及主板蜂鸣器的蜂鸣声等等。
ATX标准
主条目:ATX
当英特尔提出并发展ATX标准的电源供应器连接器(1995年正式发表)的年代里,运作于3.3V的微芯片越来越多,从1994年英特尔发布80486DX4微处理器开始。ATX标准有三个主要的正电压通道:+3.3V、+5V以及+12V。而早期的电脑如果有芯片需要3.3V供电的话,当时典型的做法是串联一个电路简单但是转换效率较低的线性电压调节器,可以接入+5V电压通道,输出+3.3V电压。
ATX连接器为3.3V电压通道提供多股线缆及相应的电源连接端口,由于电压更低,在导线上以及连接器上的电压降相对+5V而言更为敏感。另一个ATX标准新增的是独立于+5V供电电压通道的+5V SB (Standby)电压通道,提供待机所需的电功率,另外只要不切断交流电源,即使电脑已经关闭,其它电压通道已经切断的情况下,+5V SB仍然会提供小功率的直流电源。
与前代的AT标准相比,ATX标准电源供应器的连接器也会为主板提供电力,以及"软开关"功能。ATX标准的系统中,由于+5V SB电压轨的存在,前置面板的电源开关被替换成一个触发开关,和主板连接,提供电源供应器控制信号来开通或关断主电压通道,而不是前代AT标准中前面板电源开关直接与交流电源线连接。此外,这个新设计也使得用家在电脑正常运作情况下也无需按下前面板的触发开关,通过操作系统等软件提供的关闭功能也能关闭系统。
ATX12V标准
由于芯片上的晶体管越做越小使得芯片本身也越做越小,同时这些芯片的运作电压也越来越低,通常电路密度最高的芯片(像是中央处理器)需要最低的供电电压。为了能为英特尔奔腾处理器以及后来类似的微处理器提供低电压大功率的电能,主板上引入了电压调节模块。一些新的处理器甚至需要在2V或更低的电压时提供高达100A的电流,若将电压调节模块安装于电源供应器上,这对于相对远离主板的电源供应器来说是不切实际的,这样做的话电源供应器的输出导线将会过于粗壮以至于根本无法安装。
最开始的时候,主板上的电压调节模块从电源供应器的+5V主电压通道上取电,但是随着芯片的电能需求的增加,同等电压下需要提供的电功率越高那么提供的电流也将越大,于是低电压下为高耗电芯片提供充足的电功率会逐渐成为问题。为了降低5V电压通道的供电压力,当对供电需求更为饥渴的英特尔奔腾4微处理器发布时,英特尔将处理器电压调节模块的运作供电从+5V电压通道改到+12V电压通道,并额外增加了独立的4-Pin P4连接器,来满足奔腾4的电能需求。这一新的设计被定为ATX12V 1.0版标准。
现代高性能图形处理器的供电问题也有和奔腾4相同的情况,导致不少个人电脑对+12V电源通道提供的电功率提出高要求。当年高性能图形处理器推出后,一般的ATX电源供应器5V电源通道出现了供电紧张的情况,而且只能从12V电源通道上获取电源总输出功率的50%至60%。因此,GPU研发商改变供电策略,改为主要从12V电源通道上取电,并要求电源供应器的12V通道上确保有200到250W(负载峰值,包括CPU和GPU在内的负载)的供电能力,特别是高性能GPU,更是推荐需要500到600W或更高的供电能力的电源供应器。大多数现代电源供应器的+12V电源通道可以提供电源总输出功率的80%到90%的电功率,特别是大功率的电源供应器。
因为CPU、GPU的供电需求剧增,导致了上述的上述电源供应器的设计改变。因此若组装新电脑,而使用年代较久远的电源供应器为其供电时,其+12V电源通道的供电能力比电源供应器整体的供电能力就显得更为重要了。
一些不肖厂商,利用很少用家会留意并清楚电源供应器的参数所代表的意思的情况,会虚标他们生产的劣质电源供应器的参数,像是标上虚高的额定功率等,欺骗买家。
+3.3V和+5V电压通道
90年代至现今常用的电源供应器电路方案中,+12V、+5V和+3.3V都是从主变压器线圈绕组中获取并分立出三路独立电压供电线路。在+3.3V和+5V电源通道在CPU、GPU等主要硬件及外围PCIe设备改用+12V电源通道配合电压调节模块供电以后,它们的使用不再是电源供应器的主要功率输出,而很少成为电源的限制因素了,通常只要+12V电源通道拥有充足的电功率提供。然而,如果电脑中装有很多的硬盘驱动器或是PCI设备的话,会使+5V电源通道负载很高,当+5V电源通道出现超载时,功率较小的话会使用结构简单的线性调节器+12V电压通道上取电并降至+5V供给硬盘驱动器或是PCI设备使用,功率较大时会采用采用开关型调节器。
后来电源业界、行业协会等机构在电源转换效率的角度上陆续出台认证标准,为了追求高转换效率,一些ATX电源供应器,除了+5VSB通道以外,主变压器统一做成只有+12V输出通道,另外配合适当的非隔离式DC-DC模块等电压调整设备将从+12V输出通道上取电,将12V电压转换为5V和3.3V电压值分别作为+5V和+3.3V通道使用,以期减少变压器损耗以提高转换效率。
入门级电源规格
入门级电源供应器规格(Entry-Level Power Supply Specification,EPS)的电源供应器,是为高功耗电脑和入门级服务器而设计的,而非简单理解为低功耗电脑使用的电源供应器。这个电源供应器标准由服务器系统架构论坛(Server System Infrastructure,SSI)制定。SSI由英特尔、戴尔电脑、惠普电脑以及其它设计制造服务器的公司参与,目的是制定服务器的行业标准。EPS标准由ATX标准派生而来,目前EPS标准规格的最新版本是2.93版。
EPS标准为严酷的服务器工作环境(24小时不间断运行、高温、高容错度等)以及相关应用场合提供强力、稳定的供电环境。EPS标准的电源供应器拥有一个24pin的主板电源连接器以及一个8pin的+12V连接器,和现时的ATX标准相近,但除此以外,EPS标准还会为对电能需求较为饥渴的主板系统额外提供了两个4pin的12V连接器,提供一个4pin的要求电源供应器有700至800W的额定电功率,两个都4pin提供的电源供应器更需要有850W以上的额定电功率。EPS标准的电源供应器,原则上和一般家用电脑、办公电脑上常见的ATX、ATX12V标准的主板都兼容,但是可能会有机械结构层面上的冲突,主要是12V的连接器、较老的主板上的主电源连接端口,连接器可能会突出插座。很多电源供应器厂商,其连接器是8+8pin和20+4pin形式的分离式设计来避免连接器突出插座的情况。EPS标准的推出,以及不少高性能高耗电硬件的出现,使后来版本的ATX标准的电源供应器索性将极其少用的-5V电源通道都取消以降低成本和复杂度。
"12V-only"供电
2011年开始,富士通等一线厂商已制造出仅需要从普通ATX电源的12V电源通道取电或是从客制的12V电源供应器(典型额定功率250W至300W)上取电的主板,这些主板上已集成了DC-DC转换模块,以提供5V和3.3V电压。这种设计目的,是将5V和12V供电的设备,像是硬盘驱动器等,改为从主板上取电而非从电源供应器自身引线取电。尽管到2012年1月这个设计仍未能够完全实现。
"12V-only"供电的设计动机,主要是限制、消除交叉负载的问题,简化、减少电源内部的线缆以提高电源内部的通风散热效果,降低成本、提升电源供应器的效率以及降低电源供应器散热风扇的噪音(风扇改为由主板控制其转速)。除了这些以外,也方便设备和电源自身的更换,而且,也使得采用这些设计的主板可以直接由12V供电的铅酸蓄电池供电而暂时无需交流电源供电,可直接于汽车上使用12V直流供电插座供电而无需逆变器,降低损耗。
目前已知采用此种电源设计的较为知名的电脑,是戴尔电脑于2013年推出的商用个人电脑Optiplex 9020和Precision T1700,配备12V-only的电源供应器,其客制的主板上额外安装了非隔离式DC-DC转换模块实现12V到5V、3.3V的转换。
前文提到的主变压器仅输出12V电压,在电源供应器内安装5V和3.3V非隔离式DC-DC转换模块也是可以算是一种"12V-only"供电设计的延伸。
 
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