Zasilacze ATX. Zasilanie procesorw. Nowe rozwizania.

Radosaw Jarema 2008

1

SPIS TRECI1. Zasilanie komputera ..................................................................3 1.1 Troch historii ................................................................3 1.2 Schemat zasilania komputera AT ..................................3 1.3 Schemat zasilania komputera ATX ................................4 1.4 Pobr mocy podzespow komputera ............................5 1.5 O laptopach ...................................................................6 2. Wymagania komputerw odnonie zasilacza ............................6 2.1 Historia normy ATX........................................................7 2.2 Niektre parametry z normy ATX12V 1.1.......................8 3. Zasada dziaania zasilacza ........................................................9 3.1 Schemat blokowy zasilacza ATX ...................................9 3.2 Dlaczego zasilacz impulsowy?.....................................11 3.3 PPFC i APFC...............................................................12 4. Zasilanie procesora .................................................................13 4.1 Historia ........................................................................13 4.2 Problemy zwizanie z zasilaniem procesorw .............14 4.3 Ukady wielofazowe .....................................................15 4.4 Kondensatory...............................................................16 5. Zasilanie pozostaych podzespow.........................................16 5.1 PCI ..............................................................................16 5.2 AGP.............................................................................16 5.3 PCI-E ...........................................................................17 5.4 Dyski twarde, napdy optyczne ...................................17 5.5 Pami operacyjna ......................................................17 5.6 USB .............................................................................17 6. Bibliografia...............................................................................18

2

1. Zasilanie komputera.Kady komputer, poza procesorem, pamici i innymi podzespoami, ktre komunikujc si ze sob tworz dziaajc cao, wyposaony jest w zasilacz, ktry dostarcza kademu podzespoowi niezbdnych napi. Im bardziej wydajny komputer, tym wicej prdu potrzebuje, cho dziki postpowi, szczeglnie w dziedzinie pprzewodnikw, pobr prdu podzespow w stosunku do ich wydajnoci, zmniejsza si. 1.1 Troch historii. W 1984 firma IBM wprowadzia standard AT (Advanced Technology). Standard ten dotyczy pyt gwnych, zasilaczy komputerowych i obudw komputerowych. Dziki temu komputery produkowane od tego momentu byy kompatybilne, m.in. dotyczy to rodzaju zasilania, ksztatu pyty gwnej i ksztatu kart rozszerze. Komputery domowe z tamtej epoki nie potrzeboway wicej ni 200W mocy do dziaania. Popularny do dzi standard ATX zosta zdefiniowany w 1995 roku, a na rynku zagoci w 1997 roku. Od tamtej pory przeszed tylko kilka niewielkich zmian, aby sprosta zapotrzebowaniom nowoczesnych podzespow. 1.2 Schemat zasilania komputera AT.

Rys. 1Na rysunku 1 przedstawiony jest schemat organizacji zasilania w komputerze AT z poowy lat 90-tych. Komputer typu AT wczany jest przy pomocy zwykego wcznika sieciowego. Po wczeniu automatycznie uruchamia si zasilacz. Kiedy wszystkie napicia wyjciowe osign wymagany poziom, czyli ok. 95% wartoci nominalnej, do pyty gwnej wysyany jest sygna "Power good". Dziki temu proces wczania

3

komputera jest zawsze stabilny, nawet gdy napicia wyjciowe zasilacza pojawiaj si niejednoczenie. Napicia +5V i +12V odgrywaj najwiksz rol, dlatego prd, ktry zasilacz musi dostarcza, jest na tych liniach najwikszy. Tabela 1 pokazuje rozkad mocy na poszczeglne linie zasilajce typowego zasilacza AT z poowy lat 90-tych, o mocy 200W: Napicie Prd maksymalny +5V 20A +12V 8A -5V 0.5A -12V 0.5A Tabela 1.

Napicie 5V w komputerze AT dostarczane jest do ukadu zasilania procesora, karty graficznej, elektroniki dyskw i napdw optycznych i wszystkich ukadw cyfrowych, dlatego prd dostarczany na tej linii zasilajcej musi by najwikszy. Napicie 12V suy m.in. do zasilania silnikw, wentylatorw i ukadw elektronicznych na kartach rozszerze, np. wzmacniacza audio na karcie muzycznej czy innych ukadw analogowych. Napicia ujemne wzgldem masy (caa obudowa komputera jest poczona z mas) wykorzystywane s bardzo rzadko, dlatego prd maksymalny tych linii zasilajcych nie musi by duy. Jak wynika z rysunku 1, napicia dostarczone do pyty gwnej s rozprowadzane do kart rozszerze i innych elementw. W razie potrzeby na pycie gwnej umieszczane s mae przetwornice napicia, zmieniajce np. napicie 5V na 3,3V. Przykadem moe by ukad zasilania procesora, ale o tym w rozdziale 4. 1.3 Schemat zasilania komputera ATX.

Rys. 2Na rysunku 2 znajduje si schemat zasilania komputera ATX z koca lat 90-tych. Nowoci jest dodatkowe napicie +3,3V oraz napicie +5V STBY (Standby). Zasilacze zostay wyposaone w napicie +3,3V, poniewa wiele4

ukadw korzystao z tego napicia, i od tej pory przetwornice 5V -> 3,3V nie musiay si ju znajdowa na pycie gwnej. Wyjtkiem jest zasilanie procesora, we wszystkich komputerach ATX na pycie gwnej jest osobna przetwornica zasilajca procesor (w pierwszych komputerach AT nie zawsze tak byo). Napicie +3,3V z zasilacza jest dostarczane np. do zcz PCI i AGP. Napicie +5V STBY doprowadzone jest do pyty gwnej przez cay czas, gdy tylko zasilacz jest podczony do sieci energetycznej. Zasilanie pyty gwnej przez cay czas ma pewne zalety. Po pierwsze, moliwe jest wczanie komputera przez sie. Umoliwia to technologia WoL (Wake on Lan). Karta sieciowa jest zasilana przez cay czas i czeka na odpowiedni pakiet, tzw. "Magic Packet". Kiedy karta sieciowa rozpozna ten pakiet, daje pycie gwnej sygna i komputer wraz z systemem operacyjnym uruchamia si. Po drugie, wprowadzony zosta dodatkowy przewd PS_ON (Power Supply On). Przewodem tym przesyany jest do zasilacza sygna, ktry go uruchamia, np. gdy zadziaa system WoL, lub po prostu naciniemy przycisk "Power" na obudowie komputera. Dziaa te w drug stron. Kiedy chcemy zakoczy prac z komputerem i zamkniemy system operacyjny, pyta gwna daje przeciwny sygna na przewd PS_ON i zasilacz si wycza. Stao si moliwe wyczenie komputera programowo. Po trzecie, napiciem +5V STBY zasilana moe by klawiatura, i komputer mona uruchomi np. klawiszem "1". Zasilacz ATX zawiera tak naprawd 2 przetwornice, gwn, i pomocnicz. Ta druga dostarcza wanie napicia +5V STBY. Wad komputerw ATX jest to, e przez cay czas pobieraj one z sieci energetycznej moc 0,5-5W. Tabela okrelajca wydajno prdow wyj przykadowego zasilacza ATX o mocy 350W: Napicie Prd maksymalny +3,3V 32A +5V 32A +12V 16A -5V 1A -12V 1A +5V SB 2.2A Tabela 2.

1.4 Pobr mocy podzespow komputera. Tabela 3 przedstawia orientacyjne wartoci mocy pobierane przez dane urzdzenia. Moc urzdze jest tym wiksza, im wiksza wydajno, i tym mniejsza, im nowsze technologie zostay uyte. Zazwyczaj jednak moce mieszcz si w podanych granicach w wikszoci przypadkw dla normalnych domowych komputerw. Podane zakresy mocy dotycz mocy maksymalnej, tzn. gdy urzdzenie dziaa przy penej wydajnoci. Podzesp Procesor Pyta gwna Karta graficzna Pami Dysk twardy Karty PCI Pobr mocy 15-130W 15-40W 10-120W 7-30W 10-25W 2-20W Napd FDD Napd optyczny Urzdzenie USB Wentylator 1-3W 15-25W maks. 2,5W 1-3W Tabela 3.

5

1.5 O laptopach. Schemat zasilania w laptopie pokazuje rysunek 3.

Rys. 3W czasie, gdy zasilacz zewntrzny jest odczony, ukad zarzdzania zasilaniem przekazuje prd z baterii do zasilacza wewntrznego, dostarczajcego poszczeglnych napi do wszystkich podzespow. Podzespoy mog mie te wasne przetwornice napicia, np. wietlwki podwietlajce ekran LCD (w nowszych laptopach matryce podwietlane s diodami LED) zasilane s napiciem zmiennym o wartoci 600-1500V. Gdy podczony jest zasilacz zewntrzny, laptop zasilany jest z tego zasilacza i jednoczenie bateria moe by adowana. Moc maksymalna zasilacza zewntrznego to ok. 50-90W. Ze wzgldu na jak najduszy czas pracy laptopa na baterii, szczeglny nacisk kadzie si na sprawno energetyczn wszystkich ukadw zasilajcych. W laptopach, wczeniej ni w komputerach stacjonarnych, wprowadzono technik obniania taktowania procesora i napicia zasilania procesora, w celu oszczdnoci energii.

2. Wymagania komputerw odnonie zasilacza.Podstawowe cechy zasilacza: a) moc im wiksza tym lepiej. Moc ta wynosi 100-1000W, w zalenoci od moliwoci i przeznaczenia komputera. b) sprawno im wiksza tym lepiej. Tanie zasilacze maj sprawno zblion do 60%, lepsze zasilacze osigaj 85%. c) gono kady chce mie cichy komputer. Niestety zmniejszanie prdkoci wentylatorw powoduje zwikszenie temperatury we wntrzu zasilacza (i komputera, jeeli wentylator w zasilaczu jest jedynym przewietrznikiem). Nawet gdy uyte w zasilaczu elementy s wysokiej jakoci, niezawodno zasilaczy ze zmniejszonym przepywem powietrza jest zmniejszona. d) stabilno napi wyjciowych im wiksza, tym lepiej. Pod tym pojciem mieci si tolerancja napi wyjciowych (przewanie 5%) i zmiany napicia wyjciowego przy nagej zmianie prdu wyjciowego.

6

e) wydajno prdowa na poszczeglnych wyjciach czna moc maksymalna na wyjciach jest ograniczona moc zasilacza, ale rne mog by proporcje maksymalnych mocy poszczeglnych linii. f) poziom zakce na wyjciach zasilacza tzw. ttnienia, powinny by moliwie mae. 2.1 Historia normy ATX. a) ATX 1.0 opracowana w 1995 roku. Definiowaa m.in. rodzaje wtykw wyjciowych: - 20-pinowy wtyk, zawierajcy wszystkie napicia wyjciowe oraz sygnay Power good i PS_ON. Warto zauway, e niektre napicia s dostarczane wicej ni jednym przewodem, poniewa jeden przewd miaby zbyt du rezystancj. Rwnie przewodw masowych (0V) jest wicej ni jeden, bo a 7. - 4 pinowy wtyk, potocznie zwany MOLEX-em, sucy do zasilania dyskw twardych i napdw optycznych, dostarcza napi +5V i +12V - 4 pinowy wtyk do zasilania stacji dyskietek Najwiksz moc miay linie +3,3V i +5V, poniewa ukady cyfrowe, pobierajce najwicej prdu, korzystay wanie z tych linii. b) ATX12V 1.0 norma wprowadzona przez Intela na pocztku 2000 roku, na potrzeby nowego procesora Pentium 4. Nowoci bya dodatkowa wtyczka 4pinowa, podczana do pyty gwnej w celu zasilania procesora, dostarczajca napicia +12V. Nieco zwikszya si moc dostpna na linii +12V. Dooono jeszcze jeden wtyk 6-pinowy, dostarczajcy napi +3,3V i +5V, jednak rzadko by wykorzystywany. Wycofany w wersji 2.0. c) ATX12V 1.1 sierpie 2000, zwikszona zostaa moc na linii +3,3V. d) ATX12V 1.2 stycze 2002, uczyniono lini -5V opcjonaln. e) ATX12V 1.3 kwiecie 2003. Niewielki wzrost mocy linii +12V. Okrelono minimaln sprawno zasilacza dla maego i duego obcienia. Zdefiniowano poziomy haasu i dodatkowy wtyk do zasilania dyskw SATA, ale nie by jeszcze obowizkowy. Wtyk SATA zawiera napicia +3,3V, +5V i +12V. f) ATX12V 2.0 luty 2003. Wprowadzono 2 niezalene linie +12V zamiast jednej. Zredukowano moc linii +3,3V i +5V. Wtyk 20-pinowy zastpiono 24-pinowym, dodajc dodatkowe przewody +3,3V, +5V, +12V. Usunito ze specyfikacji 6-pinowy wtyk, wprowadzony w standardzie ATX12V 1.0. Kabel do zasilania dyskw SATA sta si obowizkowy. Wprowadzono te sporo innych zmian, jeli chodzi o parametry zasilacza. f) ATX12V 2.1 marzec 2005. Zwikszenie mocy na wszystkich wyjciach. Definitywne wycofanie linii -5V ze specyfikacji. Standard ATX12V cigle si zmienia, m.in. wprowadzono jeszcze wtyki do zasilania kart graficznych PCI-Express (6- lub 8-pinowe).

7

2.2 Niektre parametry z normy ATX12V 1.1. Poniej przedstawione s niektre parametry definiowane przez norm, majce na celu zapewni optymalne warunki pracy dla podzespow komputera. a) Sprawno zasilacza powinna wynosi minimum 68%. b) Maksymalny poziom zakce (ttnie) na wyjciach zasilacza: Tabela 4. Maksymalne ttnienia Wyjcie + szum [mVpp] +12V 120 +5V 50 +3,3V 50 -5V 100 -12V 120 +5V STBY 50 c) Minimalna pojemno obcienia wyj, z ktr zasilacz powinien pracowa prawidowo. Okrelenie tego parametru pozwala zapobiec problemom, gdy do zasilacza podczonych jest wiele urzdze, zawierajcych w sobie kondensatory filtrujce zasilanie. Tabela 5. Obcienie Wyjcie pojemnociowe [ F] +12V 20 000 +5V 10 000 +3,3V 6 000 -5V 350 -12V 350 +5V STBY 350 d) Czas dziaania po zaniku napicia w sieci energetycznej powinien wynosi minimum 17ms, bez adnych zakce na wyjciach. e) Sekwencja sygnaw sterujcych i napi wyjciowych okrela m.in. czas midzy sygnaem wczenia zasilacza, a pojawieniem si napi wyjciowych i sygnau Power good (rysunek 4 + tabela 6):

Rys. 4

8

Tabela 6. Charakterystyka sygnau PWR_OK (Power good). Typ sygnau Stan niski Stan wysoki Impedancja w stanie wysokim Opnienie sygnau PWR_OK Czas narastania sygnau PWR_OK Czas reakcji na zanik napicia sieci Czas reakcji na spadek napi wyjciowych f) Zabezpieczenia: - nadnapiciowe - przeciwzwarciowe - nadprdowe - temperaturowe (opcjonalne) g) Temperatura pracy +10C do +50C. kompatybilny z TTL +5V < 0,4V dla I=4mA 2,4V 5V, dla I = 200 A 1k 100ms < T3 < 500ms T4 10ms T5 16ms T6 1ms

3. Zasada dziaania zasilacza.3.1 Schemat blokowy zasilacza ATX.

Rys. 5

1. Filtr wejciowy zapobiega przedostawaniu si zakce z zasilacza do sieci energetycznej. Zakcenia takie powstaj w kadym zasilaczu impulsowym, i naley je filtrowa. Do poprawnej pracy filtru niezbdne jest uziemienie. 2. Prostownik napicia sieciowego. Jest to mostek Greatza. Za prostownikiem otrzymuje si napicie stae ok. 320V. 3. Kondensator(y). Magazynuj energi, dziki czemu moliwe jest spenienie zalecenia z rozdziau 2.2, punkt d). Poza tym zamieniaj napicie sinusoidalne9

wyprostowane na napicie stae 320V. Oczywicie s tam ttnienia, dochodzce do 20-40Vpp przy penym obcieniu. 4. Tranzystory mocy (kluczujce). Zamieniaj napicie stae na przebieg prostoktny o czstotliwoci kilkadziesit kHz, ktre dostarczane jest do uzwojenia pierwotnego transformatora 5. 5. Transformator impulsowy w odrnieniu od tradycyjnych transformatorw sieciowych, pracujcych przy czstotliwoci sieci (50Hz) ma znacznie mniejsze wymiary. Zmniejszenie wymiarw jest moliwe dziki duej czstotliwoci pracy. Posiada kilka uzwoje wtrnych, poniewa potrzebne jest kilka napi wyjciowych. 6. Prostowniki wyjciowe zoone z tzw. szybkich diod. Czsto s to diody Schottkyego, znacznie szybsze od tradycyjnych. Zamieniaj napicie przemienne, prostoktne, pochodzce z transformatora, na napicie jednokierunkowe, ale niekoniecznie stae. 7. Filtry wyjciowe. Zamieniaj napicie jednokierunkowe z prostownika na napicia stae. Filtry powinien by jak najlepsze, by sprosta wymaganiom z rozdziau 2.2, punktu b). 8. Przetwornica pomocnicza. Jest to may zasilacz impulsowy, ktry pracuje cay czas, gdy tylko zasilacz jest wczony do sieci, dostarczajc napicia +5V STBY. Oprcz tego suy do zasilania sterownika zasilacza gwnego. Zawiera niewielki transformator impulsowy, wic zapewnia izolacj. 9. Transformator sterujcy steruje prac tranzystorw kluczujcych. Zapewnia izolacj. 10. Sterownik zasilacza gwnego. Suy do sterowania tranzystorw kluczujcych, kontroli napicia wyjciowego, wytwarza sygnay Power good, reaguje na sygna PS_ON, zawiera wszelkie zabezpieczenia, np. nadprdowe. Zasilacz mona podzieli na cz pierwotn (wysokonapiciow) i wtrn (niskonapiciow). Na rysunku 5 podzia ten jest zaznaczony zielon lini. Dziki uyciu transformatorw, obie czci s odizolowane galwanicznie, co zapewnia bezpieczestwo uytkownika. Masa zasilacza (GND) jest poczona czarnymi przewodami, poprzez odpowiednie wtyki, z wszystkimi podzespoami komputera, z metalow obudow komputera, z obudow zasilacza oraz z przewodem ochronnym sieci energetycznej (PE). Wzgldem masy mierzone s wszystkie napicia. Naley pamita, e ze wzgldu na przepyw prdu przewodami masy, potencjay rnych punktw mog si rni, o wartoci rzdu 1-50mV. Zazwyczaj nie przeszkadza to interfejsom komunikujcym si midzy podzespoami. Bardziej wraliwe ukady cyfrowe nie maj do czynienia z duymi rnicami potencjaw, poniewa otaczajce je ukady zawieraj si w ramach jednego podzespou (np. dysku twardego).

Rys. 6

10

Rysunek 6 dodatkowo wyjania zasad dziaania zasilacza ATX. Na wykresie A przedstawiony jest ksztat napicia z sieci energetycznej, o czstotliwoci 50Hz. Wykres B przedstawia napicie wyprostowane, zaobserwowane na zaciskach kondensatora(w) (numer 3 z rysunku 5) znajdujcych si za prostownikiem sieciowym. Wykres C pokazuje ksztat napicia na uzwojeniu pierwotnym transformatora gwnego (numer 5 na rysunku 5). Ksztat napicia na uzwojeniach wtrnych jest taki sam. Na wykresie D widzimy przebieg napicia wyjciowego ju po wyprostowaniu i odfiltrowaniu. Krtko mwic, zasilacz ATX zmienia napicie przemienne na stae, potem jeszcze raz na przemienne, ale o wikszej czstotliwoci. Nastpnie napicie zmniejszane przy pomocy transformatora, prostowane i jeszcze raz odfiltrowane. 3.2 Dlaczego zasilacz impulsowy? Jest kilka powodw, dla ktrych komputery, przynajmniej od 20 lat, zasilane s przetwornicami impulsowymi. Zalety: a) Ciar. Zasilacze impulsowe s lejsze, poniewa nie posiadaj tradycyjnego transformatora sieciowego. W przypadku komputerw stacjonarnych moe nie ma to duego znaczenia, ale w przypadku laptopw na pewno. b) Rozmiar. Zasilacz liniowy, czyli zbudowany z transformatora sieciowego, prostownikw z filtrami (w liczbie mnogiej, bo potrzeba kilku napi wyjciowych) i stabilizatorw liniowych, byby troch wikszy od impulsowego, przy tej samej mocy. c) Cena. Moe w czasach, gdy zasilacze impulsowe zdobyway popularno, tasze byyby zasilacze tradycyjne, ale dzisiaj z pewnoci tasze s impulsowe, gwnie ze wzgldu na ilo materiaw zuytych do ich budowy. Technologia przetwornic impulsowych jest ju opanowana na tyle, e etap projektowy nie jest taki kosztowny. d) Sprawno. To jedna z najwaniejszych zalet. Zasilacz liniowy o tej samej mocy co impulsowy ma wiksz sprawno, szczeglnie, jeli musi mie duo napi wyjciowych. Wady: a) Parametry. Zasilacze impulsowe daj prd gorszej jakoci, ni liniowe. Z zasady dziaania zasilaczy impulsowych wynika pewna wada, ot w razie nagego skoku prdu, czas reakcji ukadu stabilizacji w zasilaczu impulsowym jest odwrotnie proporcjonalny do czstotliwoci pracy przetwornicy gwnej. Jest tak dlatego, e napicie wyjciowe w zasilaczach impulsowych regulowane jest przy pomocy zmiany wspczynnika wypenienia przebiegu prostoktnego (PWM Pulse Width Modulation). Napicie wyjciowe jest proporcjonalne do redniej wartoci napicia prostoktnego. W razie nagego skoku prdu, reakcja ukadu stabilizacji nastpi najwczeniej po 1 okresie przebiegu prostoktnego. Jest to czas rzdu kilkudziesiciu s. Stabilizatory liniowe s pod tym wzgldem szybsze. Jednak przy uyciu dobrych filtrw wyjciowych, zawierajcych kondensatory o odpowiednio duej pojemnoci, moliwa jest minimalizacja zmian napicia wyjciowego przy nagych zmianach prdu. W filtrach tych stosowane s kondensatory typu LOW ERS (Equivalent Series Resistance) o niskiej rezystancji szeregowej. Jest to wane, poniewa zmiany napicia wyjciowego przy nagym skoku prdu zale gwnie od tej rezystancji, oraz od rezystancji przewodw11

doprowadzajcych. Przy okazji, niska rezystancja szeregowa kondensatorw poprawia nieco sprawno przetwornicy. b) Zakcenia. Zasilacze impulsowe s rdem zakce, ktre przenosz si zarwno na wejcie zasilacza (do sieci energetycznej), wyjcie zasilacza (do podzespow komputera) oraz rozsiewane s przez fale elektromagnetyczne. Zakcenia na wejciu s w duym stopniu tumione, jednak aden filtr nie jest idealny, a w bardzo tanich zasilaczach czasem w ogle nie ma filtru wejciowego (!). Zakcenia na wyjciu pojawiaj si w postaci ttnie napicia. Maksymalne dopuszczalne wartoci ttnie, mieszczce si w normie ATX12V 1.1, byy podane w tabeli 4. Dla ukadw cyfrowych ttnienia o niewielkiej wartoci nie s problemem, a nieliczne ukady analogowe, znajdujce si w komputerze, posiadaj zazwyczaj dodatkow filtracj. 3.3 PPFC i APFC PFC jest skrtem od Power Factor Correction. Jest to ukad poprawiajcy ksztat prdu pobieranego z sieci energetycznej.

Rys. 74 ksztat napicia sieci 1 ksztat prdu bez PFC 2 ksztat prdu z PPFC 3 ksztat prdu z APFC

Na rysunku 7 widzimy ide ukadu PFC, powstaego po to, by ksztat prdu pobieranego z sieci by jak najbardziej zbliony do sinusoidy, oraz by przesunicie fazowe midzy prdem a napiciem byo jak najmniejsze. Dziki temu malej straty w przewodach, oraz zmniejszana jest warto zakce (wyszych harmonicznych) w sieci energetycznej. Dla jednostkowego zasilacza nie ma to znaczenia, ale w skali globalnej, gdzie ilo komputerw ronie z roku na rok, ma to ogromne znaczenie dla zachowania dobrej jakoci prdu w sieci. Ukad PPFC (Passive Power Factor Correction) skada si z do duego dawika, umieszczanego przed lub za prostownikiem sieciowym. Ksztat prdu z uyciem PPFC pokazuje krzywa 2. Wida, e prd jest wygadzony, ale niewystarczajco, dodatkowo wprowadzone jest przesunicie fazowe. Istniej bardziej zoone ukady PPFC, zawierajce wicej ni jeden dawik i dodatkowe kondensatory, lub specjalne, pasywne ukady ksztatujce. Pozwalaj one na osignicie znacznie lepszych wynikw, ni na rysunku 7, ale s cikie i kosztowne. Mimo wszystko ukady PPFC maj nieco wiksz sprawno (96-99%) ni ukady APFC (92-96%). Ukad APFC (Active Power Factor Correction) jest bardziej zoony. To po prostu dodatkowa przetwornica, ktra zmienia wyprostowane napicie sieciowe na napicie ok. 400V, ktre dalej podawane jest na przetwornic gwn. Istot12

dziaania APFC nie jest podwyszenie i stabilizacja napicia, wane jest to, e praca ukadu APFC jest sterowana w ten sposb, by prd pobierany z sieci by sinusoidalny. Przy pomocy ukadu APFC moliwe jest osignicie wspczynnika mocy (Power Factor) rwnego ok. 0,99. Wspczynnik mocy wynosi 1, gdy prd pobierany z sieci ma identyczny ksztat co napicie sieci, i przesunicie fazowe wynosi 0. Dla porwnania wspczynnik mocy bez ukadu PFC wynosi ok. 0,6, a z ukadem PPFC wynosi 0,7-0,8.

4. Zasilanie procesora.4.1 Historia. Pierwsze procesory, takie jak Intel 8086, cho byy ju ukadami wykonanymi na tranzystorach polowych, zasilane byy napiciem 5V z tolerancj 5%, tak jak wszystkie ukady TTL. Napicie +5V pochodzio prosto z zasilacza. Nie potrzeboway wiele mocy, 8086 potrzebowa najwyej 2W, tyle samo wymaga Intel i386SX. Pierwsze popularne procesory, zasilane napiciem +3,3V to np. i486DX-S. Poniewa zasilacz AT takiego napicia nie dostarcza, na pycie gwnej znajdowa si stabilizator. Poniewa potrzebna moc nie bya dua, mg to by stabilizator liniowy, a nie impulsowy. Pierwsze procesory Pentium rwnie byy zasilane napiciem 5V, dopiero te z czstotliwoci zegara od 75MHz w gr wymagay napicia 3,3V. Poniewa ten procesor potrafi pobra moc ok. 8W (prd ok. 2,5A), moc wytracona w stabilizatorze liniowym wynosiaby P = (5V-3,3V)*2,5A = 4,25W. Taka moc strat wymaga do duego radiatora, i oznacza niepotrzebne marnowanie mocy oraz podgrzewanie otoczenia procesora. Chocia w normie ATX zostao wprowadzone napicie +3,3V to napicie zasilania procesorw (wwczas byy to Pentium II) spado ju poniej tej wartoci. Poza tym, wymagania co do stabilizacji zasilania procesora wzrosy na tyle, e zasilanie procesora bezporednio z zasilacza byoby trudne i nieopacalne. Dodatkowo, przesyanie duego prdu z zasilacza powodowaoby straty mocy w przewodach. Obecnie przetwornice zasilajce procesor zasilane s z 12V, dziki czemu straty w przewodach s mniejsze, ni przy przesyaniu niskiego napicia. Kolejne procesory potrzeboway coraz wicej mocy. W tabeli 7 znajduje si krtkie zestawienie rnych procesorw. Tabela 7. Pobr mocy i napicie zasilania wybranych procesorw. Procesor Pentium MMX Pentium II 400MHz Pentium III 1GHz 0,13 m Pentium 4 1,3GHz Pentium 4 3,8GHz Mobile Celeron 1333MHz Athlon Geode 1GHz Athlon X2 2,7GHz Maksymalny pobr mocy 13-18W 24W 29W ~50W 115W 19W 9W 95W Napicie zasilania rdzenia 2,8V 2V 1,75V 1,7 1,75V 1,25/1,4V 1,5V 1,1V 1,1 1,25V

13

Procesory Pentium MMX i pniejsze korzystaj z wicej ni jednego napicia zasilajcego, np. Pentium MMX 200MHz zasilany jest napiciem 2.8V (Vcore napicie rdzenia) i 3.3V (zasilanie pamici cache L2). Zawsze jednak rdze procesora pochania wikszo mocy, dlatego zasilanie rdzenia jest najtrudniejsze. 4.2 Problemy zwizane z zasilaniem procesorw. Ze wzgldu na fakt, e prd zasilania procesorw o najwikszej mocy przekracza 100A, jeden, a nawet kilka pinw procesora nie wystarczyoby do przesyania tak duego prdu. Dla porwnania, prd uywany w spawarkach elektrodowych jest rzdu 100-200A. Obcialno stykw procesora jest ograniczona, dlatego konieczne jest uycie wielokrotnie wikszej iloci pinw. W procesorze Intel Core 2 Duo, ktry posiada 775 pinw (a waciwie pl czeniowych), pobierajcym prd do 75A, okoo 65% wszystkich pl suy do zasilania, reszta to wyprowadzenia sygnaowe. Drugi saby punkt to cieki zasilania. Przykadowy ksztat pola zasilajcego (+Vcc), zalecany dla 4-warstwowej pyty gwnej i konkretnych typw procesorw, widoczny jest na rysunku 8.

Rys. 8

Dostarczeniem prdu do procesora zajmuj si specjalne przetwornice impulsowe, zwane VRD (Voltage Regulator Down). Czon "down" w nazwie bierze si std, e s to przetwornice obniajce napicie. Wymagania stawiane tym ukadom s bardzo due, znacznie wysze, ni wymagania normy ATX odnonie zasilaczy. Przykadowo Intel zaleca, aby napicie zasilania rdzenia procesora Core 2 Duo nie zmieniao si o wicej ni 40mV (przy napiciu wymaganym w granicach 0,85 1,36V), dla zapewnienia stabilnej pracy. Fakt, e napicie to musi by dostosowane do rnych typw procesorw, obsugiwanych przez dan pyt gwn, oraz moe by regulowane na bieco w celu oszczdnoci energii, stawia trudne zadanie przed konstruktorami takich przetwornic. Na rysunku 8 wida okrge kondensatory o duej pojemnoci, umieszczone w 2 rzdach z boku podstawki procesora, umieszczonej ukonie. Su one do filtrowania skadowych o stosunkowo niskich czstotliwociach (do okoo 100 kHz). Do tumienia wyszych czstotliwoci su mniejsze kondensatory, ale umieszczone zdecydowanie bliej procesora, bo pod nim. Na rysunku jest to sabo14

widoczne, ale mona zauway kilka maych prostokcikw. Impedancja tych maych kondensatorw dla duych czstotliwoci jest mniejsza, ni kondensatorw rozmieszczonych wok podstawki. 4.3 Ukady wielofazowe. Klasyczny ukad przetwornicy obniajcej jednofazowej, wyglda jak na rysunku 9.

Rys. 9Uproszczony schemat przetwornicy obniajcej napicie.

W uproszczeniu, dziaanie takiej przetwornicy polega na wczaniu na zmian kluczy S1 i S2. Ustawiajc odpowiednie czasy otwarcia kluczy (zajmuje si tym sterownik) zmieniamy wspczynnik wypenienia przebiegu prostoktnego, a co za tym idzie, za filtrem LC mona w ten sposb regulowa napicie, proporcjonalne do wspczynnika wypenienia. W praktyce przeczniki S1 i S2 to tranzystory typu MOSFET. Przetwornica wielofazowa, to po prostu kilka przetwornic jednofazowych, odpowiednio ze sob zsynchronizowanych. Schemat takiej przetwornicy widzimy na rysunku 10.

Rys. 10Uproszczony schemat trjfazowej przetwornicy obniajcej napicie.

Podstawowa zaleta przetwornicy wielofazowej to rozdzielenie cakowitego prdu wyjciowego na kilka mniejszych ukadw. Pozwala to na uycie mniejszych i taszych elementw oraz na lepsze rozmieszczenie ich na pycie gwnej. Kolejna zaleta to mniejsza warto ttnie napicia na wyjciu. Przetwornica n-fazowa ma ttnienia n-razy mniejsze ni przetwornica 1-fazowa o tej samej mocy, czstotliwoci pracy i cznej pojemnoci kondensatorw na wyjciu. Dziki temu, e efektywna czstotliwo pracy jest n-razy wiksza, szybko reakcji na nage zmiany prdu rwnie jest n-razy wiksza.

15

W najnowszych pytach gwnych montowane s przetwornice nawet 12fazowe, ale naley pamita, e dobrze zaprojektowana przetwornica 4-fazowa moe by lepsza ni le zaprojektowana 6-fazowa. Zastosowanie przetwornicy wielofazowej o dobrej jakoci, pozwala utrzyma napicie zasilania procesora z dokadnoci nawet 0,5%, czyli stabilizacja jest o rzd wielkoci lepsza, ni w zasilaczu ATX. 4.4 Kondensatory. Nowoci w dziedzinie zasilania procesorw, jest uycie kondensatorw polimerowych, ktre maj mniejsze rozmiary od powszechnie stosowanych kondensatorw elektrolitycznych. Oprcz tego maj lepsze parametry oraz wiksz ywotno. Cho s duo drosze od zwykych, zaczynaj by popularne, i wiele producentw ju uywa ich w droszych pytach gwnych.

5. Zasilanie pozostaych podzespow.5.1 PCI. PCI (Peripheral Component Interconnect) to magistrala komunikacyjna wprowadzona do uytku w 1993 roku. Suy do podczania kart rozszerze, takich jak karty dwikowe, sieciowe, kontrolery SCSI, karty telewizyjne. Zanim wprowadzono port AGP, rwnie karty graficzne korzystay z magistrali PCI. Karty rozszerze podczane do zcz PCI byy zasilane napiciem 5V w wersjach PCI 2.0 i PCI 2.1. Wersja PCI 2.2, wprowadzona w 1999 roku, oferowaa rwnie napicie 3,3V, a w wersji PCI 3.0 (2002 rok) wycofano napicie 5V. Rozkad wyprowadze sygnaowych jest kompatybilny we wszystkich wersjach. Napicia na zczach PCI pochodz bezporednio z zasilacza AT lub ATX. Poniewa zasilacze ATX (1997) pojawiy si przed wprowadzeniem napicie 3,3V, nie byo koniecznoci stosowania przetwornic 5V -> 3,3V na pycie gwnej. 5.2 AGP. AGP (Accelerated Graphics Port) to magistrala PCI zmodyfikowana w celu szybszego transferu danych midzy kart graficzn a pamici operacyjn. Wprowadzona w 1997 roku. Rne wersje portu AGP rniy si szybkoci przesyania danych, oraz poziomami logicznymi sygnaw. Gwne napicie zasilania we wszystkich wersjach wynosio +3,3V, dostpne byy rwnie napicia +5V i +12V, ktre mogy by wykorzystane do innych celw, ni zasilanie rdzenia procesora GPU (Graphics Processing Unit). W nowszych wersjach portu AGP, zmniejszono napicia poziomw logicznych do 1,5V, w najnowszych wersjach do 0,8V. Cho gwne napicie zasilajce nie zmienio si, nowsze wersje wymagay napicia 1,5V w zczu AGP, do zasilania ukadw komunikacyjnych, ktre pracoway z niszymi napiciami. Specjalne wcicia uniemoliwiaj podczenie karty graficznej do niewaciwej wersji portu AGP, co chroni przed uszkodzeniami. W razie potrzeby, napicie 3,3V mogo by zmniejszone przy pomocy przetwornicy, znajdujcej si ju na karcie graficznej, do odpowiedniego poziomu, aby zasila GPU. Cakowita moc dostpna w porcie AGP 3.0 ograniczona jest gwnie wydajnoci prdow stykw zasilania i ciekami prdowymi na pycie gwnej. Maksymalne prdy dla poszczeglnych napi to 6,375A dla linii +3,3V, 2A dla +5V16

oraz 1A dla +12V. Ograniczenie to powoduje, e karty graficzne AGP nie mogy wymaga wicej mocy ni ok. 40W (chyba, e wykorzystyway zewntrzne zcze zasilajce). 5.3 PCI-E. PCIExpress to nowa magistrala, ktra zastpia zwyke PCI oraz AGP i obsuguje zarwno karty graficzne jak i dowolne inne karty rozszerze. Napicia dostpne w zczu PCI-E to +3,3V oraz +12V, z prdem maksymalnym rwnym 6,5A dla obydwu linii zasilajcych. Maksymalna dostpna moc to 75W. Ze wzgldu na cigle rosnce zapotrzebowanie kart graficznych na moc, oraz to, e napicie zasilania GPU jest znacznie mniejsze, ni 3,3V, do zasilania wykorzystywane jest gwnie napicie +12V, a na kartach graficznych znajduje si przetwornica. Rozwizanie podobne jak w przypadku zasilania procesorw. W przypadku najmocniejszych kart, uywane jest zewntrzne zcze zasilajce (rwnie 12V), wprowadzone obecnie do standardu ATX12V. 5.4 Dyski twarde, napdy optyczne. Od pocztkw standardu AT, dyski i napdy zasilane s napiciami +5V i +12V, pochodzcymi prosto z zasilacza. Od tamtego czasu jedynie wzroso nieco zapotrzebowanie na moc. Poza tym nowe urzdzenia, komunikujce si przez interfejs SATA, zasilane s nieco innymi wtykami, wprowadzonymi w standardzie ATX12V 1.3 (rozdzia 2.1). Dla urzdze SATA dostpne jest dodatkowe napicie +3,3V. 5.5 Pami operacyjna. Pami operacyjna zasilana jest jeszcze jedn przetwornic na pycie gwnej. Ze wzgldu na stosunkowo niewielk moc, pobieran przez ukady pamici, jest to przetwornica obniajca o najwyej 2-3 fazach. Poza tym jest bardzo podobna do przetwornicy zasilajcej procesor. 5.6 USB. Jeszcze jedn rzecz, ktra potrzebuje zasilania, to port USB. Urzdzenia USB mog by zasilane bezporednio z tego portu napiciem 5V. W komputerach stacjonarnych najczciej prd maksymalny wynosi 500mA. Norma wymaga przynajmniej 100mA na jedno urzdzenie lub wicej, w zalenoci od wersji Specyfikacja USB 3.0 wymaga przynajmniej 150mA dla jednego urzdzenia. Istniej zewntrzne koncentratory USB, mogce dostarczy a 1A prdu. Jeszcze wikszy prd mgby przekroczy obcialno styku w zczu USB. Zalet stosunkowo duej wydajnoci prdowej tego portu jest wyeliminowanie dodatkowego zasilania wielu urzdze, podczanych do tego portu, od pendrive-w do niewielkich gonikw komputerowych.

17

6. Bibliografia."Power Factor Correction (PFC) Handbook", ON Semiconductor (www.onsemi.com) "ATX/ATX12V Power Supply Design Guide", Intel Corporation (http://www.formfactors.org) http://www.quatech.com/support/comm-over-pci.php http://www.capacitorlab.com/capacitor-types-polymer/ http://www.pcguide.com/ref/power/sup/form.htm http://pinouts.ru/Slots/pci_express_pinout.shtml http://pinouts.ru/Slots/agp_pinout.shtml http://pclab.pl/art31282.html http://pl.wikipedia.org/wiki/AT_(informatyka) http://en.wikipedia.org/wiki/ATX

http://en.wikipedia.org/wiki/Pentium http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_80486 http://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter http://en.wikipedia.org/

18