Napájení počítačů

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 × 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.