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高功率电源 关键性能指标之12V输出

  自Intel 发布ATX系列规范以来,主机配置中对+12V电力的需求一直不断攀升。在Intel为针对Socket478处理器的ATX12V规范出台至今,ATX规范也已经升级到了目前的ATX 12V Rev2.31。


  由市电交流220V电压进入电源后,如今的PC电源所输出的直流电压仍然是+3.3V、+5V、+12V三组为主,相较早期电源输出电压配置,目前的产品已逐步取消了用于主板ISA总线、RS-232串行通信及LPT通讯使用的-5V以及-15V 组电压。但在将近20年的演进过程中,+12V 组的电压从只供应主板外配件电源的辅助地位到如今的主要地位,已经成为当今选购高功率电源所不能忽视的三大性能标杆之一。

    ATX 12V的历史演进


    谈及ATX 12V规范,首先要回顾ATX规范出现并逐步取代AT规范的90年代中期。在IBM AT标准时代,以25MHz~66MHz主频工作的处理器、主机板的主要供电电源仍为+3.3V以及+5V为主,+12V电源仅作为外设、磁盘磁带驱动器等高耗电部件所使用。


  其后于1995年,Intel公司着手制定主板及电源等全套PC零组件的结构及规范标准,基于AT 规范升级而来的ATX(AT Extend)规范实际上是AT 的扩展规范。由1995年至今,十余年的时间内,ATX 规范经历了ATX 1.1、ATX 2.0、ATX 2.01、ATX 2.02、ATX 2.03直至今日PC业界最广泛普遍的ATX 12V阶段。


   在发展至处理器独立12V 供电的ATX 12V 规范出台之前,ATX的Rev2.03 中已出现独立用于处理器的ATX 12V组供电接口。由于Intel 的业界领导地位,立足服务于Intel产品的前瞻性规范的制定,甚至让部分主板制造厂商也无所适从。在主板上处理器供电的电源部分设计上,ATX Rev2.03过渡到ATX 12V期间出现相当多麻烦,最普遍的案例是市场上许多额定功率足够的ATX Rev2.03 新标准电源,在多款以+5V 电压为处理器供电基础,仍属于市场主流的主板型号上出现供电不足问题,个别组合上甚至严重到出现不能启动的情况。


  至ATX 12V Rev1.0与Intel Socket478系列以及AMD 的AthlonXP 系列处理器普及前,PentiumIII、Athlon等早期处理器功耗仍在30W~50W以下,无须额外+12V供电亦能正常运转。但功耗达到50W~75W的Pentium4、AthlonXP处理器的出现后,已无法继续使用单一的+5V作为处理器供电电源。若继续采用较低电压的+5V为处理器供电势必为主板和线路带来过热烧毁的风险,且未来继续提升处理器性能也需供电方面准备好升级的空间。


  随着Socket478处理器Prescott系列核心,功耗逼近100W的处理器的出现,主频/性能提升的同时,处理器功耗亦带来大幅飙升。Intel 2003年4月发布的ATX 12V Rev1.3规范中再度加强了+12V电压组的功率配置,为了主板/线缆安全,解决电流密度过高的问题,Intel针对+12V组设定了最大电流20A的上限。


  符合EPS12V标准的长城巨龙1250SD中,+12V甚至多达六路。


   在ATX 12V Rev2.0开始,+12V 电压组正式一分为二,为CPU独立一路供电而设备/PCI-E扩展卡则单独使用另外的+12V。其后的2.01、2.1、2.2、2.3等均为细化的局部指标升级。


  ATX 12V 规范的升级历史反映的正是处理器性能不断提升为电源产品带来的挑战,从ATX 12V Rev的升级历程均围绕着+12V电压组的输出性能特性,可见+12V输出性能不但是目前中高功率电源的性能标杆,甚至未来较长的一段时期内都是电源产品的核心性能指标。

  高功率12V输出的优化设计


   12V电压输出地位的提升和PC主机部件的功耗提升关系紧密,而随着高性能图形卡的普及以及处理器核心的并行多核心化发展,+12V 电源的电流密度也在持续提升。


   从单路+12V发展至今,在国内旗舰级的电源产品长城巨龙1250SD上甚至出现高达六路+12V供电,每路20A电流的高功率输出性能指标,因此在线路设计方面也需要作出相应的调整优化。


  高达每路20A的+12V组输出,以及其他+5V、+3.3V均需以黑色GND地线作为共用回路,因此满载下地线实际需要负荷的合计导通电流远超120A。通过双面覆铜并辅以埋线补锡工艺优化,能大幅度提升线路板的负载能力并有效降低输出损耗、导通电阻以及PCB自身的发热量。
 


  巨龙1250SD在主板供电接口方面提供常见于SMP多处理器服务器用专业主板的8Pin辅助+12V供电接口外,还具备20+4Pin的组合式供电插口。
 

  巨龙1250SD高达六路+12V、每路20A输出采用英规16AWG以及18AWG线号的输出线缆,单根导线内的导体截面积分别达到1.31mm2、0.823mm2,符合ATX 12V 2.31以及EPS 12V规范中的要求。
 


  巨龙BTX1250SD电源主板背面线路,输出区局部


   满足+12V的充沛电流输出仅仅是高功率电源的基本功能,作为国内一直坚持在主流价位电源上配备2+1安全保护措施的长城电源,在1250SD上更将保护功能再次升级。由上图中电源主板背面布线的线路可见,右方的六路+12V电压输出焊盘端点上引出走线至左方的独立输出监控线路板,无疑证明了巨龙1250SD是具备相互独立的+12V输出监控的保护设计。
 


  综合Intel 对ATX 12V 标准的不懈努力升级,从最近国内颇具代表性的80PLUS铜牌认证1250W额定功率的巨龙巨龙1250SD电源内部,可以看到12V相关标准将在较长的一段时间内主导电源产品的基础,而多路+12V高功率输出是目前高性能电源所必备的技术与性能。
 
  将+12V输出作为高功率电源性能三大标杆具有相当的代表性,而围绕+12V输出性能,电源内部所需要作出的技术升级绝不是更替更大的散热器、功率管就能做到的。要达到这个目标,需要PCB布线、功率元件选配、输出线缆选料乃至输出安全监控方面都作出全盘的考虑,而这一切无疑都是对目前国内电源厂商技术实力的深层考验。

 


 

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