Napájení počítačů

Hardware | 01.12.05

Síťový zdroj je jednou z nejdůležitějších počítačových komponent. Údaje navýrobním štítku však bývají zavádějící a někdy vedou k mylným interpretacím. Objasněme si, čeho...





Síťový zdroj je jednou z nejdůležitějších počítačových komponent. Údaje na
výrobním štítku však bývají zavádějící a někdy vedou k mylným interpretacím.
Objasněme si, čeho si je třeba u síťových zdrojů pro servery a desktopy všímat.

Síťový zdroj hraje při výběru správných komponent spíše druhořadou roli. Z toho
ovšem mohou později vzniknout závažné problémy. Nesprávně dimenzovaný síťový
zdroj může být příčinou jinak nevysvětlitelných zhroucení systému. Jaký
elektrický výkon tedy systém potřebuje a čeho si při jeho koupi všímat? Jaký
výkon síťový zdroj dodává a co vlastně udávají ony tak často nesrozumitelné
údaje na jeho výrobním štítku?
Jistou orientační pomoc v oblasti síťových zdrojů nabízejí příslušné
specifikace. V nich jsou příslušnými grémii stanoveny elektrické a mechanické
parametry dodavatelů energie. Tyto údaje nechávají výrobcům při vývoji síťových
zdrojů poměrně volné pole působnosti, a to do té míry, že srovnávat údaje na
výrobních štítcích bývá někdy krajně obtížné.
Někteří výrobci síťových zdrojů se rádi chlubí údaji o vysokém výkonu. Zřejmě
podle hesla: "Čím vyšší výkon, tím lepší síťový zdroj." Ale právě u síťových
zdrojů by se podobným mylným heslům podlehnout nemělo, protože předimenzování
bývá naopak spíše na škodu, jak ostatně doloží i náš článek. Dále pak
vysvětlíme fungování síťového zdroje a představíme jeho nejdůležitější
elektrické parametry, jako je stupeň účinnosti, kombinované napájení a PFC
(Power Factor Correction).

Způsob fungování spínacích síťových zdrojů
Dodnes běžně užívané spínací obvody pracují v zásadě s transformátorem,
usměrňovačem a lineárním regulačním členem. Nevýhodou tohoto zastaralého, ale
stále ještě cenově výhodného řešení je vysoká ztráta výkonu, velký objem a
odpovídající vysoká hmotnost. Jeho protikladem je síťový zdroj s vysokou
efektivitou, obvykle 60 až 90 procent, s malými rozměry i hmotností. Ovšem tyto
přednosti jsou v porovnání s konvenčními spínacími obvody vykoupeny vyšší cenou.
Vstupní napětí sítě 220 V a 50 Hz je usměrňovačem a filtračním kondenzátorem
usměrněno a přibližně vyrovnáno. Srdcem spínacího obvodu je přenašeč výkonu a
spínací tranzistor. Tato jednotka "přetíná" jednosměrné napětí frekvencí cca 50
kHz a transformuje je na napětí menší. Záložní usměrňovač spolu s výstupním
regulátorem a filtračním kondenzátorem zabezpečují "čisté" výstupní jednosměrné
napětí. Ovládací a regulační obvod ve zpětné vazbě se spínacím tranzistorem
udržují počáteční napětí na konstantní hodnotě, nezávisle na zapojené zátěži.
Tento princip lze použít ve všech napěťových větvích, jako 12 V, 5 V nebo 3,3 V.

Specifikace síťových zdrojů pro desktopy
Na síťové zdroje desktopů se většinou vztahuje specifikace www.FormFactors.org.
K nejdůležitějším patří ATX12V Power Supply Design Guide, který je od března
2005 k dispozici ve verzi 2.2. Stanovuje všechny technické a mechanické
parametry síťového zdroje.
V tabulce jsou uvedeny všechny přípustné odchylky počátečního napětí od
nominální hodnoty síťového zdroje. Pohybují-li se napěťové hodnoty v tomto
rozmezí, nemělo by to mít na výpočetní systémy negativní vliv. Specifikace ATS
navíc povolují v příslušných vedeních zbytkové vlnění počátečního napětí od 50
mV, respektive 120 mV.
Pro 450W síťový zdroj doporučuje specifikace ATX (verze 2.2) v tabulce uvedené
velikosti proudu v příslušné napěťové síti. Proudová špička ovšem nesmí trvat
déle než 17 sekund.
Podle zadaných kritérií musí síťový zdroj ATX především bezvadně fungovat ve
stanoveném vstupním napěťovém rozsahu. Při nominálním vstupním napětí 230 V tak
může být rozsah napětí mezi 180 a 265 V. V síti 115 V se může napětí pohybovat
od 90 do 135 V. Frekvence by přitom neměla přesáhnout práh tolerance pod 47 a
nad 63 Hz.

Specifikace síťových zdrojů pro servery
Specifikacemi síťových zdrojů se zabývá Server System Infrastructure (SSI).
Nejdůležitější specifikace sjednocuje aktuální EPS12V Power Supply Design Guide
ve verzi 2.8. Další tabulka porovnává zbytkové vlnění s odchylkami napětí od
nominálních hodnot u různých vodičů napětí. Ve srovnání se specifikacemi ATS se
na údaje EPS pro serverové síťové zdroje uplatňuje podstatně nižší tolerance.
Je-li u zdrojů proudu ATX povolená odchylka +5/-5 procent, u zdrojů EPS je to
jen +5 a -4 procenta.
Tabulka uvádí příkony proudu pro příslušná vodičová napětí tak, jak pro 800W
síťový zdroj stanovuje specifikace EPS verze 2.8. Špička příkonu nesmí být
delší než 12 sekund v intervalu kratším než jedna minuta.
Stejně jako spínací obvody ATX, rovněž napájecí zdroje EPS serverů disponují
variabilním rozsahem vstupních napětí. Ten se u sítě s napětím 230 V pohybuje
mezi 180 a 264 V, u sítě 115 V mezi 90 a 140 V. Od normy 50 Hz se frekvence
může odchýlit v rozmezí od 47 do 63 Hz.

Stupeň účinnosti spínacího síťového zdroje
Často přehlíženým parametrem spínacího síťového zdroje je účinnost. Ta se u
běžných modelů pohybuje mezi 60 a 80 procenty. Zhruba pětina použité energie se
tak vyplýtvá na nepotřebné teplo. Odebírá-li počítačový systém ze zásuvky
například 500 W, připadá při 80procentní účinnosti 100 W na zdroj samotný.
Počítačové komponenty mají pak k dispozici jen zbylých 400 W užitné energie.
Účinnost se vypočítává z poměru činného výkonu u výstupu a u vstupu. Čím vyšší
hodnota, tím efektivněji síťový zdroj pracuje. Specifikace ATX a EPS
předepisují při 20procentním zatížení minimálně 75procentní účinnost. Při
poloviční zátěži by měl zdroj energie pracovat s účinností 80 procent, při plné
zátěži postačí 77 procent. Obrázek ukazuje tvar zakřivení typický pro účinnost
spínacího síťového zdroje (Cisco 34-0873-01). S účinností 0 až 60 procent
pracuje přístroj při zátěži kolem 5 procent relativně nehospodárně. Nejvyšší
účinnosti, cca 85 procent, dosahuje síťový zdroj při 50procentní zátěži. Při
maximální zátěži účinnost opět klesá až na hodnotu kolem 82 procent.

Kombinované napájení
Konvenční síťové zdroje pro servery, pracovní stanice nebo desktopy poskytují
tři hlavní typy napětí: 12 V, 5 V a 3,3 V. Kromě toho disponují třemi dalšími
pomocnými napětími, a to 5V, 12V a 5V záložním. Aby se snížila náročnost
elektrického zdroje a tím i náklady, sdílí (u většiny v prodeji běžně
dostupných zdrojů energie) +3,3V a +5V okruh regulace napětí jednu cívku
výstupního transformátoru. To znamená, že když se výstupní zátěž v jedné
napěťové větvi zvýší, sníží se současně maximální výstupní zátěž druhého
vodiče. Komponenty jako zásuvné karty nebo diskové jednotky, které jsou
napájeny pětivoltovým napětím, ovlivňují tedy současně dostupnost potřebného
příkonu přibližně stejně, jako je tomu u procesoru s 3,3V vedením. Tato přímá
závislost obou napěťových větví může při vyčerpání maximální zátěže způsobit
nestabilitu systému.
Z tohoto důvodu by si kupující měl určitě ověřit, zda má síťový zdroj k
dispozici kombinované napájení a jak výrobce rozvrhl provozní údaje na
jednotlivé napěťové větve. Zároveň je třeba počítat s tím, že maximální celkový
výkon obou napěťových větví, 3,3V a 5V, je výrazně nižší než součet sum
jednotlivých vedení.

Kombinované napětí
Příklad výrobního štítku síťového zdroje firmy Enermax ukazuje, že 3,3V větev
napětí dodává proud o velikosti 32 A, tedy stejně jako větev 5V. To činí v
prvním případě 106 W a ve druhém 160 W. Výrobce však udává společný výkon obou
větví kombinovaného napětí maximálně 185 W a nikoliv 266 W, který by byl
součtem výkonů obou větví. Jednotlivé větve napětí se vzájemně limitují. Pokud
je jedna větev silně zatížena, druhá větev má k dispozici jen nižší výkon.
Tento nedostatek eliminují samostatné transformátorové cívky, které jsou k
dispozici pro každou jednotlivou větev napětí včetně regulačního okruhu. Ty lze
provozovat s maximální nominální zátěží, která je uvedena na výrobním štítku.
Omezujícím faktorem pak je již jen celkový výkon, jaký síťový zdroj poskytuje.

Power Factor Correction (PFC)
Velkým nedostatkem spínacích síťových zdrojů je odběr proudu na vstupu ve formě
krátkých impulsů. Amplitudy usměrňovače ve vstupním obvodu jsou přitom
mnohonásobně vyšší než stejnosměrný proud odebíraný na výstupu. Tyto nelineární
proudy, zesílené indukcí a kapacitou, způsobují zkreslení a deformace
sinusového kmitání na vstupu. Navíc výrazně vzrůstá podíl nežádoucích vyšších
harmonických složek napětí, které způsobují elektromagnetické rušivé vlivy.
Důsledkem toho mohou začít síťové zdroje jiných přístrojů bzučet nebo negativně
ovlivňovat televizní či telefonní signál. Tyto poruchy představují vážný
problém i pro dodavatele energie, který musí každému odběrateli zajistit odběr
střídavého proudu stálé kvality.
Aby se omezil vliv těchto nedostatků, vybavují výrobci síťové zdroje
elektrickým obvodem Power Factor Correction (PFC), tedy korekcí účiníku. PFC
zvyšuje účiník zdroje a eliminuje zbytečné ztráty. Má tedy zajistit odběr
proudu s téměř lineární úrovní napětí a chová se takřka jako ohmický spotřebič,
čímž zabraňuje vzniku poruch v síti.
Pasivní PFC používá indukční regulátor a kondenzátor jako nízkokmitočtovou
propusť. Tlumí tak objevující se špičky napětí a zároveň potlačuje vznikající
vyšší harmonická napětí. Index výkonnostního faktoru se pohybuje od 0,7 do 0,8.
Přesto se neobejde bez objemných kondenzátorů a cívek, neboť vstup síťového
zdroje pracuje jen s minimální frekvencí 50 až 60 Hz.
Aktivní PFC dosahuje výrazně vyšší korekce výkonnostního faktoru, a to 0,9 až
1. K regulaci odběru proudu užívá aktivní komponentu (např. integrované obvody
nebo tyristorové spínače), a to tak, jako by bylo připojeno ohmické zatížení.
Aktivní regulační obvod PFC navíc umožňuje vstupní napětí, které se pohybuje ve
velkém rozmezí 85 až 265 V. Aktivní PFC tak oproti svému pasivnímu protějšku
nabízí vyšší stupeň účinnosti, nižší vyzařování, menší vnější rozměry a
regulaci s rozsáhlým rozmezím. Tyto přednosti se ovšem promítají i ve vyšší
ceně.

Ochranné funkce síťových zdrojů
Z důvodu bezpečného provozu doporučují specifikace celou řadu ochranných
zapojení, která v případě nouze síťový zdroj deaktivují. K nejdůležitějším
ochranným opatřením patří omezení proudu. To musí být instalováno v každé větvi
napětí. Omezení proudu se aktivuje, pokud se na výstupu síťového zdroje
překročí určité limity. K nim počítáme i elektrický zkrat - pokud k němu dojde,
musí být kompenzována dodávka energie.
Dalším bezpečnostním opatřením, které má zabránit poškození citlivých komponent
počítače, je ochrana proti přepětí. Podobně jako u omezení proudu se při
dosažení určitých mezních hodnot vypne síťový zdroj.
Přehřátí síťového zdroje zabraňují termostatem řízené ventilátory, jakož i
integrované tepelné senzory, které při dosažení předem dané mezní teploty
vypnou síťový zdroj. Tepelná ochrana zabezpečuje přístroj před tepelným
zničením obzvláště při vysokém odběru proudu nebo při výpadku ventilátoru
síťového zdroje.
K ochraně síťového zdroje v nezatíženém stavu vybavují výrobci spínací síťové
zdroje funkcí, která rozezná nevyužité vstupy ze zástrčky a vypne síťový zdroj
až do doby, než bude znovu zatížen.

Síťové zdroje a elektricky výkon
Požadavky počítačových systémů na elektrický výkon v posledních letech enormně
vzrostly, zejména díky stále výkonnějším centrálním procesorovým jednotkám
(CPU) a grafickým čipům. Úměrně k tomu musí být síťové zdroje schopny dodávat
stále více elektrické energie. Příklady v tabulce poskytují hrubou představu o
nárocích na proud ze strany jednotlivých komponent:
Příkon proudu, respektive výkonu jednotlivých komponent odpovídá maximálním
hodnotám, které za normálních provozních podmínek nejsou dosažitelné. Vodítkem
pro minimální výkon síťového zdroje je podle formulace AMD "příkon procesoru
plus 80 procent celkového příkonu ostatních komponent". Vezmeme-li v úvahu
ještě stupeň účinnosti (cca 80 procent), měl by síťový zdroj být správně
dimenzován a optimálně pracovat. V našem případě (uvedeném výše) by to
znamenalo: 90 W + 0,8 x 190 W x 1,25 = ~ 300 W.
Předimenzovaný síťový zdroj je poměrně drahý a za určitých okolností může mít
horší účinnost a pracovat tak méně efektivně. Je však pravda, že poskytuje
dostatečnou rezervu pro budoucí upgrady. Poddimenzovaný síťový zdroj vytváří
vysoké teploty, neboť pracuje neustále na hranici maximálního výkonu. Snižuje
se tak i životnost jeho součástek. Navíc může takový síťový zdroj způsobovat
poruchy ve vedení proudu, které mohou negativně ovlivňovat počítačový systém.
Hodnoty uvedené v tabulce slouží jako vodítko k výpočtu elektrického výkonu
síťového zdroje. Například současné procesory Intel Pentium 4 mohou dosáhnout
maximálního příkonu až 125 W a AMD Athlony 64 X2 mají podle výrobce maximální
teoretický příkon 110 W. Také moderní grafické karty se projevily jako "žrouti
energie". nVidia GeForce 6800 Ultra spotřebuje bezmála 100 W elektrického
výkonu. Síťový zdroj, který by odpovídal takovému systému, by podle tohoto
vzorce dodával výkon kolem 420 W.

Shrnutí
Na výrobních štítcích spínacích síťových zdrojů se zpravidla uvádějí jen
maximální údaje o síle proudu a elektrickém výkonu. Stojí však jistě za to
podívat se do příručky a prostudovat technické údaje. Například výrobci sice
uvádějí sílu proudu zvlášť pro 3,3V a 5V větev, ale vlivem kombinovaného napětí
jsou jednotlivé hodnoty proudu obou napěťových vedení v závislosti na zatížení
výrazně nižší.
U síťového zdroje si pozornost zaslouží také nenápadné označení PFC. Pokud má
zdroj funkci Power Factor Correction, zaručuje zpravidla lepší využití
elektrické energie než síťové zdroje, které takovou možnost nemají. Navíc PFC
zabraňuje přetížení v síti nebo zpětné vazbě rušivých vyšších harmonických
napětí.
Na interní výrobu jednosměrného napětí spotřebovává každý síťový zdroj energii,
která se ztrácí ve formě nepotřebného tepla. Poměr vstupního a výstupního
výkonu této "práce" síťového zdroje se označuje jako stupeň účinnosti. Ten by
měl být u efektivně pracujících síťových zdrojů co nejvyšší, aby se
minimalizovala neužitečná tepelná ztráta, a tím i zbytečné náklady.
Při výpočtu potřebného elektrického výkonu by síťový zdroj neměl být
poddimenzovaný, ani předimenzovaný. Tím se předchází pozdějším funkčním
problémům a šetří se tak dodatečné náklady. Kromě toho správně dimenzovaný
síťový zdroj zaručuje dlouhou životnost a optimální funkci z hlediska
efektivnosti, teploty a ztrát výkonu.












Komentáře

K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.