电源规范的发展历程之一.docVIP

电源规范的发展历程 在新的形式下，电源的发展主要以静音、节能为主，下面我们通过目前市售中的三个电源的版本来告诉您应该购买哪种版本的产品。 ATX规范是1995年Intel公司制定的新的主机板结构标准，是英文(AT Extend)的缩写，可以翻译为AT扩展标准，而ATX电源就是根据这一规格设计的电源。与AT电源相比，ATX电源外形尺寸并没有多大变化，其与AT电源最显著的区别是，前者取消了传统的市电开关，依靠+5VSB、PS-ON控制信号的组合来实现电源的开启和关闭。ATX类电源总共有六路输出，分别是+5V、-5V、+12V、-12V、+3.3V及+5Vsb。 ATX 12V 1.0标准（2000年2月） ATX 12V 1.1标准（2000年8月） ATX 12V 1.2标准（2002年2月） ATX 12V 1.3标准（2003年4月） ATX 12V 2.0标准（2004年4月） ATX 12V 2.2标准（2005年3月） 在我们目前的市面，主要有三种版本的电源，既Intel ATX 12V 1.3版、Intel ATX 12V 2.0版和Intel ATX 12V 2.2版，它们的变化是根据主流平台的发展而演变出来的。 ATX 12V 1.3标准 Intel ATX 12V 1.3版主要是为了满足最初Intel的“奔腾四”平台，它旨在加强12V供电，同时增加了对SATA硬盘的供电接口，提高了电源的转换效率。 ATX 12V 2.0标准与ATX12V 1.3版本相比，ATX12V 2.0版本最是明显的改进就是+12V增加了一路单独的输出，即采用了双路输出，其中一路+12V(称为+12V1)专门为CPU供电，而另一路+12V2则为其它设备供电。一个计算机的开关电源，12VDC的输出如果是22A的话，这在安全方面是不允许的，FCC(美国联邦通讯委员会)在这方面作出了非常明确的规定，计算机电源的任何一路直流电压输出不允许超过240VA，而Intel希望的12VDC输出要求达到22A，这已经超出了FCC对安全的要求，已经可以达到12V22A264VA，已经远远大于了240VA的要求。这在安全方面是不允许的。 在这种技术背景下，Intel将ATX12V2.0版的12VDC分成了12V1DC和12V2DC。12V1DC通过电源的主接口(122)给主板及PCI-E显卡供电，以满足PCI Express X16和DDR2内存的需要；而12V2DC通过(22)的接口专门为CPU供电。 通过这样设计，就可以将240VA安全的问题科学解决。在实际上，主板上的12V1DC和12V2DC在布线上也是完全分开的（通过验证电源是否是双路12V可以区分1.3版和2.0版的区别）。 ATX 12V 2.2标准 最新的ATX12V 2.2规范依然沿用了2.0规范中的双路12V输出设计，只不过是在部分指标上有了进一步提高。主要改变有：增加了最新规格的输出规范并且给出负载交叉图、加强了3.3V与5V的输出能力、削弱了12V的持续供电能力等。这些改变属于对2.0规范的一种优化：一方面，新规范制定了更高的功率，使电源能够满足大功率平台的需要；另一方面，新规范对于节能和环保提出了新的要求。新规范制定了更高的功率2.2版中450W负载交叉图 为了满足新一代大功耗配件的需要，2.2规范中加入了450W的输出规范。在负载交叉图上我们可以看到新版本的450W电源，双路12V最大联合输出功率可以达到400W。节能很重要节能成为了一个全球性的问题，与老版本相比，2.2版电源在效率要求上提高很多。衡量一款电源是否节能，一方面要看电源的转换效率如何，另一方面，电源的待机功耗也很有意义。2.0版规范与2.2版规范中的效率对比 从上面的图中我们可以看到，ATX 12V 2.2规范中改变最大当属电源在轻载时候的转换效率，而典型负载和满载情况下改变却是较少，这也说明，增加典型负载和满载情况下的效率比较困难。 误区：新规范真的是提高了12V输出吗？ 为了更好地优化电源的输出，使电源更加节能，新2.2版电源降低了12V的输出（有部分厂商宣传新规范电源提高了+12V的输出）。同为350W下2.0版与2.2版的输出对比通过对比图中大家可以看到，相对于老款规范2.2版本规范并没有将12V输出电流提高，反而是有所降低并且在3.3V与5V上有所提高。事实正是这样，在ATX 12V 2.2规范中Intel并没有将12V持续输出电流提高，反而提升了3.3V与5V持与输出能力。之所以会这样，这与未来SATA存储设备大面积普及以及CPU&GPU功耗降低有着密不可分的关系。既然如此，那么是不是说明那些宣称2.2规范是将12V电压提高的电源厂家是在欺骗消费者呢？同为350W下2.0版与2.2版的电流峰值输出对比通过对比规范中，350W下的负载交叉图定义。我们不难看出，相比2.0版本虽然2.2版规范中将12V输出在最大输出电流上降低了不少，但在瞬间输出电流上确有很大提高达到了16.5A（12V2），之所以会有如此提高主要是考虑到Intel与AMD未来主流多核心处理器。高低搭配“单”“双”无忧ATX12V 2.3标准 2007年4月3日，Intel发布了最新ATX12V 2.3标准，“沉寂”了一年之久的电源规范再次升级。此次Intel发布2.3标准，主要是针对Vista系统带来的硬件升级以及双核、多核处理器的功耗改变。 目前由于整合芯片组性能的不断提升，不少低端用户已不再将购买独立显卡作为首次装机的必要选择，因此选购双路电源产品有些“大材小用”。这次Intel在ATX12V 2.3标准中推出了180W、220W、270W三个功率级别的单路+12V电源标准，为入门级用户提供了一个经济型的产品方案。 此外在大功率电源方面，ATX12V 2.3标准给出的300W、350W、400W、450W功率级别都是为了支持高端Vista显卡而“生”。而且对比2.2标准，2.3标准中的+12V1输出能力得到了提升，+12V2输出能力则下降了，直接反映出显卡功耗的不断提升与CPU功耗持续下降的“鲜明”反差。 目前ATX2.3标准电源还未批量上市，只有个别几款“抢滩登陆”，所以建议想购买的用户再“持币待购”一段时间。由于ATX2.3标准在双路+12V输出上相比ATX2.2标准进行了优化，为下阶段CPU、显卡等配件“量身订做”，更能对这些中高端新品的“胃口”。所以笔者建议，要想搭配出一套具有不错升级潜力的娱乐型主机，购买ATX2.3标准电源将能最大限度地延长平台寿命。 此外，由于ATX2.3标准又重新规划了单路+12V输出电源规格，这类产品肯定在价格上具有较佳的竞争力，配合单核CPU整合主板使用“手到擒来”，无疑是下阶段入门级用户装机的明智选择。 导购总结：历数Intel这三“代”ATX12V电源标准，每一代都是在某种硬件类型即将流行之前“恰如其分”地切入市场，可见Intel对市场动向的把握能力！随着Vista上市带给硬件市场的强力刺激，再加上双核处理器4XX、5XX元的迅速普及，Intel已经亮出“ATX12V 2.3标准”这把宝剑，全力以赴，“迎战”新PC平台对电源产品的“严峻”考验。ATX 2.31版电源规范的具体内容相比ATX 2.3版电源规范，ATX 2.31版电源规范具体改进内容有：1. 将在ATX12V 2.3版规范上去掉PW-OK信号重新加回到ATX12V 2.31版规范当中。在ATX 2.2电源中，电源PCB板上会有一个IC控制电路，并将开关线连接到机箱的开关上，它能为主机提供开机自检启动信号，即PW-OK信号（在AT电源中称为P.G信号）。待机时，PW-OK电路向主机输出零电平的自检信号，主机停止工作处于待命状态。受控启动后，PW-OK电路在开关电源输出电压稳定后，再延迟几百毫秒由零电平起跳到+5V，向主机发出高电平的信号，通知主机触发系统在电源断电前自动关闭。在ATX 2.3版电源规范中取消了PW-OK信号，简化了信号的匹配问题，这就降低了电源与主板的兼容故障几率，同时还简化了主板工艺需求，间接降低了主板的设计成本，不过却为电源效能带来了不良影响。在主机启动时，由于没有了PW-OK信号，电源无法在极短的时间内将+5V电压从零上升到+4.75V，CPU不得不花更多时间去等待。根据Intel试验，电源PW-OK信号丢失后，会造成输出直流电的时间延长（从100%到95%要用1ms时间），而增大电源输出功率的损耗，因而在ATX 2.31标准中再次加入PW-OK信号，可以提升电源的效能。2. 对CFX12V的交叉负载进行一系列的调整。由于ATX电源采用了交叉运行技术，因而是主变换电路、辅助电源配合工作，辅助电源本身就是一个完整的开关电源，只要ATX电源一通电，辅助电源便开始工作。辅助电源主要有两个作用：一是提供+5V电压，为主板的“电源监控部件”提供工作电压，使操作系统可以直接对电源进行管理，以实现远程开机及电脑唤醒功能，另外就是输出电压为保护电路、控制电路等电路进行供电。如果可以让电源的负载变得更小，就可以改善电源的电压输出精度，还可以实现远程开机、远程唤醒、主板供电管理等带来的节能效果。由于电源效能的提升，也使得电磁干扰更小，电源也更加环保。为此在ATX 2.31标准中，Intel特别对交叉负载进行了一系列的调整，通过调整，使得交叉负载调整率有所提高。其中最小负载部分调整最为突出，并通过对交叉负载的优化，从而使电源的输出电压更加稳定，这意味着PC用户能够更为自由地搭配CPU及显卡，而不用担心会出现兼容性或不稳定等问题。3. 增加了RoHS环保标准和中国3C强制认证针对EMI（电磁干扰）电路所做出的规定。在ATX电源上，3C认证主要考虑的是EMC电磁兼容性，与普通电源不同，3C认证电源需要进行电磁兼容检测，因而电源中需要两路EMI滤波电路，其中一路在电源插座处，也称为第一级EMI电路，另外一路称为第二级EMI电路，其作用是滤除电网中的高频杂波和同相干扰电流，并将电源中产生的电磁辐射减少至最低程度。对于PC电源而言，由于工作时会带来较大的电磁干扰，电磁辐射严重影响了PC用户的健康，为此各国相关机构对ATX电源提出了各种安全认证，并对ATX电源的抗电强度、EMI电磁传导干扰、温度、漏电流等提出了特别要求。RoHS-2002环保标准(关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令)由欧盟议会和欧盟理事会于2003年1月27日正式公布，规定针对电气设备中的铅Pb，镉Cd，汞Hg，六价铬Cr6+，多溴二苯醚PBDE，多溴联苯PBB等含量进行限制。2.31版本电源外观参考标准正是由于以上改进，促使Intel公布了最新的ATX12V 2.31版规范。在新的电源规范发布之后，几乎同一时间，航嘉就发布了全球首款2.31版电源航嘉 磐石400。从电源的规格上看，这款产品几乎可以认为是一款“公版电源”，不仅在各路电流、电压等参数上与2.31版本规范中的350W额定电源参考标准完全一致，就连电源的外观规格上都达到了完全的相同。ATX 2.31版电源规范的意义从电源表面性能来看，ATX 2.31规范相对ATX 2.3规范而言，其功率的要求和接口标准几乎一样，但是在节能和环保方面的补充，针对交叉负载调整率的进步，将电源的制造工艺提上一个新台阶，减少了电源不必要的功率损失。而将EMI电路纳入3C认证，既确保了电源节能，也带来了更高的稳定性。另外，ATX 2.31标准还规定PS-ON与PW-OK的纹波/噪音为400mV，这样也降低了电源的电磁干扰性，减少了电源对PC使用者的电磁辐射。RoHS认证的加入，也让电源变得更加环保，从这里也可以看出为何Intel额外在ATX 2.31标准中加入了其“拯救气候行动计划”的原因。总的来看，相比前面的ATX电源规范，ATX 2.31版电源规范具有节能、高效、环保的新特点，它将为PC用户带来全新的应用体验。不过我们也应该理性看待ATX 2.31标准，虽然它把一切都规定得很“完美”，但电源厂商是否能完全遵照这个规定制造电源则要打个问号。在ATX 2.31标准前的ATX 2.3标准中Intel就制定了严格的电源转换效率，要求ATX 2.3电源的转换效率保持在80%的水平，以达到让PC的节能的目的。目前从实际情况来看，只有极少数厂家生产的ATX 2.3电源的转换效率能达到80%这个水平，这就造成了标准是标准，实际是实际。总而言之，ATX12V 2.31版规范相对于2.3版规范而言，更为贴合当今主流平台的应用，而且在效能、环保以及节能等设计上也更为完善。因此我们有理由相信ATX12V 2.31版电源将会进入主流市场，并最终普及开来。作为PC系统硬件规范的积极制定者，Intel在PC电源供应器的规范更新上也相当积极，从2000年的ATX12V 1.0开始到不久前的ATX12V 2.31已经经历了非常大的变化。其中比较关键的几个版本为：ATX12V 1.3引入ATX12V 4pin辅助CPU供电插头；ATX12V 2.0开始大幅强化电源额定功率中12V输出所占的比重，增加1路12V供电专供CPU，并把20pin主输出改为24pin，后来的2.01去掉了-5V输出；ATX12V 2.2增加了450W功率输出规范，12V合计输出能力要求高达400W；ATX12V 2.3进一步细化了从180W开始的多个功率输出规范，再次调整12V输出能力，着重调整交叉负载的实际输出能力。ATX12V 2.3.1进一步提升了对电源的效率和环保要求，加入了RoHS内容，并针对EMC电磁传导干扰增加了中国的3C内容。300W ATX 12V标准交叉负载图的演进上图是Intel的ATX12V标准对300W电源的交叉负载能力（Cross Loading）的要求的演进，对应的封闭框框起来的范围就是要求满足该规范的电源必须能够正常输出的功率组合。可以看出，自ATX12V 2.0开始，相比早先的ATX12V 1.3，开始大幅倚重12V输出。而自ATX12V 2.3开始，降低了大输出情况下的交叉负载要求，强化了12V的最小输出电流，同时对两路12V的限流做了重新分配。（上图和此段文字引用自）目前Intel ATX12V 2.3.1对电源供应器的设计要求已经十分细致和深入，但此规则没有认证机构仅供行业在产品研发时进行参考。我们能从这个规范中了解到目前PC平台对于电源供应器的具体需求是12V输出能力仍旧在提升、12V和其他电压输出的交叉负载能力也被重视起来，而在效率要求方面，Intel ATX12V 2.3.1基本和80Plus基础处于同一级别。現在要購買電源供應器可真的讓人很頭痛，消費者不光要確定輸出功率、品牌、真假貨、雜牌等，這些經常遇到的麻煩問題，還要根據自己的配置來選擇電源的標準。這都是Intel連續推出3個電源標準造成的，使得現在市場中的同一品牌同一型號電源，卻有3個不同的標準，讓消費者根本不知道選擇哪一種，就連商家也不清楚哪一種才是適合的。一般使用者要是到店家選購電源供應器，只能從店家的口頭推薦或是產品外盒的廣告文字來得知。電源供應器上的標示來略知一二，它們就是ATX 12V 1.3版本、ATX 12V 2.0版本和ATX 12V 2.2版本。這3個標準是Intel在不同的時期，根據不同的處理器而制定的，它們之間又是不完全通用的，這就造成了有些消費者選購的電腦是雙核處理器，但是電源卻使用的是ATX 12V 1.3版本，造成電源不能滿足處理器的供電需求。要想挑到適合自己配置的電源就需要瞭解這3個標準之間的不同，只有這樣才不會盲目的購買產品。ATX 電源規範標準：就以ATX規範標準來說，到2005年都還有持續的改版精進。所以，本文將針對桌上型系統最普遍使用的ATX供電規範進行解說，好讓大家對供電設計能更快理出頭緒。ATX 1.0、ATX 1.1ATX 1.0在供電上的設計比更早先的AT（Advanced Technology，先進技術）更為進步，在接頭設計上沒有過去P8、P9的錯接可能性（加入防呆機制），並且也正式將3.3V列為標準供電電壓，同時也增闢5VSB（Stand-By）的待備型供電線路，以及PS_ON#的內部式電源開關控制線路，如此可方便實現各種喚醒（含開機）應用，如遠端喚醒、定時喚醒、週邊喚醒等。 ATX供電器的主供電接頭（Main Power Connector）圖，最初的版本為20-pin（210），之後在v2.2版時增為24-pin（212），以因應主機板上更高的需求電力。ATX12V v1.3版中新增了對Serial ATA（簡稱：SATA）供電接頭的定義，提供了12V、5V、3.3V的供電，其中12V多用於驅動碟機馬達，5V與3.3V則用於控制晶片與電路。ATX 2.0、ATX 2.01到了ATX 2.0，原有文件規範中是將機外冷空氣吸入機內以幫助散熱，然而之後發現如此反而不利於排熱，致使機內的處理器過熱，所以將氣流動線反轉，成為自機內吹排到機外。再者，ATX 1.x階段對PS_ON#、PWR_OK、5VSB等的運作特性說明不足，使軟開機、喚醒等應用的實現不夠理想與標準化，所以在ATX 2.0也進行強化解釋與補充，同時也要求將開機、喚醒之用的啟動電流加大，過去訂立的電流值過小，有時會造成開機、喚醒的失敗。還有，在ATX 2.0版中也引入過去PC95、PC97規範文件中所常用的Required，必備、Recommended，建議、Optional，選用三層次功能說明，在ATX 2.0中就把3.3V供電及軟電源控制信號訂為必備。 附註：軟電源指的是可以由軟體（多指作業系統）來操控開機Boot/Power-On、關機Shutdown、重新開機Reset、休眠Suspend、喚醒Wake-up等功效，而實現這些操控所要運用的線路也正是PS_ON#、5VSB等。而且，ATX 2.0首次將選用的供電接頭納入規範，除原有必備的20-pin供電接頭外，額外定義了一個6-pin的供電接頭（Optional Power Connector），能提供風扇轉速監督（Fan Monitor；FanM）、風扇轉速控制（Fan Control；FanC）、IEEE 1394供電（8V40V）、IEEE 1394接地、遠端3.3V感測等功效，且還保留一個腳位供日後定義。另外，ATX 2.0也將供電線路進行顏色化規定，讓製造生產者能夠更直覺、快速地辨識與配接線路。ATX 2.02、ATX 2.03此外，ATX 2.02也對過去的一些供電規範進行些微修正，以更貼近務實，例如-5V及-12V供電若依據原有的規定，僅允許正負5的電壓準位振盪，此稱為電壓容錯度、容忍性（Voltage Tolerance），但在ATX 2.02則加以放寬，允許到正負10的電壓振盪。ATX 2.1到了ATX 2.1版又有了更大的改變，追加了一個ATX12V Power Connector的4-pin供電接頭，直接對處理器提供12V的供電（主要是因為Pentium 4之後的處理器用電過兇，才有增設此一額外供電連接器來因應處理器的用電需求），此一12V供電不僅可提供處理器的運算用電（將12V降壓成3.3V的Vio電壓與更低的Vcore核心電壓）外，也可供電給處理器的散熱風扇。ATX 2.2至於ATX 2.2主要有兩個重大變化，一是最初的20-pin主供電接頭擴增為24-pin，並且也對腳位進行些許調整，這主要是因應PCI Express（簡稱：PCIe）所致，原因是PCI Express需要更多的用電。另一則是：若主機板上使用了ATX12V的4-pin（2x2）供電接頭，則允許移除、省略使用更早之前所定義的6-pin（3x2）輔助供電接頭。除這些外，也微幅調整3.3V供電的電壓容忍性。ATX v2.2版追加了一個4-pin（22）的新供電接頭，稱為ATX12V Power Connector，此一新訂立的動機主要是期望能給中央處理器一個獨立、就近、且充沛的供電。加強3.3V、5V輸出以及+12V瞬間電流，降低+12V持續輸出相對於ATX 12V 2.0版來說，ATX 12V 2.2版本並沒有提高+12V的持續輸出電流，反而有所降低，並且提升了3.3V與5V的輸出電流。之所以這樣，是為了配合未來SATA硬碟、SATA光存儲設備的普及，以及處理器、顯卡顯示核心的功耗都將有所下降的原因。在ATX 12V 2.2版中，將+12V輸出的最大電流降低了一些。但在瞬間輸出電流上確有較大的提高，達到了16.5A（+12V2)（450W要求19A）並且能持續10ms以上，之所以會有如此提高主要還是考慮到Intel未來的雙核處理器甚至多核，在啟動瞬間需要較高的峰值電流。另外，很容易讓用戶忽略的就是電源的轉換效率。ATX 12V 1.3版的滿載標準轉換效率是68%，ATX 12V 2.0版增加到了80%，最新的ATX 12V 2.2版更是最高可達85%以上。雖然這種標準很少有產品能夠達到，但這是發展的必然趨勢，越高的版本轉換率就會更高一些。可別小瞧了轉換率，它與電源的兩大要素息息相關：一是散熱，二是電費。轉換率高了，浪費在發熱上那一部分的功耗就會少了；有效的電能利用高了，電費的開支也就少了，所以建議用戶在挑選電源時也考慮這個因素。瞭解上述的設計與規範變更就足夠了嗎？答案是否定的，設計規範中也對其他相關層面有定義，例如供電線路的線徑（直徑）方面，3.3V遠端感測用的是18AWG，若改換成3.3V供電用途（300W功率組態下）時則改採22AWG，至於一般的12V、5V、3.3V供電則建議用16AWG。其他還有接頭的供電線路最多允許長度（12V允許達28cm，其他則允許到25cm）、風扇的配置位置，風扇的直徑（須有8cm以上）、進氣量（典型而言須在2535CFM以上），就連進氣口要預留多少空間才能順利吸入足夠的散熱用冷空氣，也都有詳細的定義（須預留0.5空間）。最後，不僅ATX供電器要符合上述的種種要求與規定，其他如CFX、SFX、TFX、BTX、LFX等其他構型（Form Factor）的主機板、供電器等設計也都要以ATX供電規範為基礎依歸，由此可知即便是桌上型供電系統，在基礎供電層面上也依然有持續的發展演進，如何讓標準跟進與產製成本取得平衡，這對電源設計工程師來說也是一大挑戰。以電源供應器的標示為例，來解說一下。通常在AC INPUT部份，則是代表外部電源(市電)輸入的支援，在台灣使用的為AC 110V，因此可看到標示為115V的規格(+-10%幅度)，另外230V的規格為國外所使用的，後面的安培數與頻率則是相關的對應規格，不過重點則是在後頭，就是電源供應器轉換成電腦設備可接受的直流電後可供應的電量，使用者可以看到最重要的是 +3.3V、+5V、+12V三個部份，一般來說像是處理器、晶片組、顯示卡、PCI、USB.等裝置，主要用電均為+3.3V與+5V的部份，其他的儲存裝置與光碟產品.等，則是主要使用+12V的部份。到底是哪3個電源標準造成了這種情況呢？因此如果有玩家的平台是高階的高速處理器加上高階顯示卡這類的吃電怪獸，那麼挑一顆可應付的電源供應器是必然的。ATX 2.3針對用戶配置不同，可選用不同的級別電源，300W以下級別電源不再是雙12V設計，可為用戶節省購買成本。2.3版對300W以上電源的+12V輸出重新進行了定義，+12V1升高，+12V2降低，更適合新的主板、新的顯卡、新的作業系統。新的2.3版電源對節能要求更高。推薦一款電源不論何種狀態下都可以達到80%或以上的轉換效率，而功率因數則需要大於或等於0.9。此項要求其實就是80Plus認證，而該認證是目前PC電源認證中最具挑戰性的一個。2.3版本電源更加強調了環保要求。在2.3版電源規範中，對於RoHS標準進行了重點強調說明，其中特別提及了歐盟、中國對於該標準的關注，這是以前2.2版電源規範中沒有的內容，說明瞭環保將是未來電源發展的重要方向，尤其是對環境或者人體可能產生危害的物質將會得到更有效的控制。為何要出2.3版本的電源？ 其一，由於目前的CPU功耗普遍降低，無論是INTEL、還是AMD公司的CPU其功耗一般都在65W，而之前2.2版本的出現是為了應對高功耗CPU而定，最明顯是在INTEL的PDCPU中體現，其功耗都在100W左右，如Prescott核心的功耗在110W，但由於CPU制程的更新，65nm制程開始大量量產，近而CPU的功耗大幅下降，最明顯在扣肉CPU中體現，其功耗在65W，同樣AMD公司也緊跟其後，其推出的AM2系列CPU功耗同樣在65W。其二，由於全球對節能的重視，各行業都開始制定了新的標準，對於耗損作出新的要求。其三，對於新型主板的容性負載變大，顯卡的功耗增加。為了應對這種局面，INTEL修訂了電源設計規範，隨之出現的ATX 12V 2.3版本誕生。新