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淺談ATX電源供應系統之演進 |
| 房東：哈啦弟  發表時間：2007-04-28 | [檢舉] |
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淺談ATX電源供應系統之演進 很多人也許\會認為：桌上型系統由於體積較大，且有充沛的AC插座電源，所以基礎的供電設計部分不用太過擔心，不像手持、行動裝置的電源設計，需要在蓄電容量、機內容積（含散熱、EMI電磁雜訊干擾）、轉換效率、電源品質等各層面上進行取捨折衷。 因此，許\多桌上型電源設計的探討都逐漸轉移到更高的組態管理層次，如先進電源管理（Advanced Power Management；APM）、先進組態與電源介面（Advanced Configuration and Power Interface；ACPI）、智慧平台管理介面（Intelligent Platform Management Interface；IPMI）等，或者是談論硬碟的熱插拔供電（如：伺服器Server、儲存系統Storage Appliance等），或PCMCIA/Cardbus/ExpressCard的熱插拔供電（如：準系統Barebone、媒體中心Media Center、電視遊樂器Game Console、視訊機頂盒Set-Top Box等）。 然而真的是如此嗎？事實上即便是桌上型系統，其基礎底層的供電設計部分也依然在變動，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，好讓供電設計能更快理出頭緒。 ■ATX 1.0、ATX 1.1 ATX 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。 附註：過去AT時代稱為PG（Power Good）的供電備妥信號線路，在進入ATX後名稱轉變成PWR_OK（Power OK）線路，但功\效、用意不變。 ■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（8V∼40V）、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 由於需求功\率的持續增加，ATX 2.02針對250W、300W（Watt，瓦）的組態又增訂了一個新的供電接頭，稱為輔助供電接頭（Aux Power Connector），原有的20-pin則稱為主供電接頭（Main Power Connector），輔助供電接頭為6-pin，主要是用來增強5V與3.3V的供電力，定義中5V最高可至30A（Amp，安培）的電流輸出，而3.3V最高可至18A的電流輸出。 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％的電壓準位擺\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％的擺\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（據了解，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、抒解處理器的用電需求），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。 ■ATX12V PSDG ATX規範在提出ATX12V之後，也將多數的電源供電規範轉移到AXT12V範疇內，自此讓供電設計的規範說明（Power Supply Design Guide，簡稱：PSDG）更加獨立，2000年2月ATX12V規範發佈1.0版，之後陸續有新版發展，最新版為去（2005）年3月提出的2.2版。 到底ATX12V的各版演進內容為何？以下筆者就逐一解釋： ATX12V 1.0版，2000年2月 首版發佈。 ATX12V 1.1版，2000年8月 •增加3.3V的供電電流。針對「供電分享，Power Sharing」進行更多說明。縮編部分規範內容與格式修正。 ATX12V 1.2版，2002年1月 •訂立「典型用電」的供電配送規範。在供電配送表（Power Distribution Table）中增加所有5V供電的供電量，增至0.3A。 •對「PS_ON#」這條「開機控制線路」進行補充說明：倘若控制用的驅動脈波不能維持一定時間的準位信號，即是在10mS∼100mS（毫秒）的時間內讓準位跌落至標準之下，則電源供應器的狀態記存（Latch）就不會生效，正常而言會記存「關機，Shutdown」的狀態（State）信號。 •移除所有供電配送表中-5V的供電資料。 ATX12V 1.3版，2003年4月 •更新「供電電壓」與「供電電流」的規範指引。 •新增對「輕載用電」與「典型用電」的電源轉換效率指引。 •提升對「最低電源轉換效率」的要求，滿載用電時須達68％∼70％。 •新增對Serial ATA（簡稱：SATA）供電接頭的定義。 •新增對供電器運作時的噪音層級規範。 •更新「版本規格表」的格式與資訊。 •更新「規範書聲明」的資訊。 •移除在ATX本規上的指引內容。 •移除-5V供電線路的指引。 •更新「能源之星，Energy Star，省電模式及狀態」與「待備狀態的電源轉換效率，Stand by efficiency」的規範指引。 ATX12V 2.0版，2003年2月 •新增「專用術語」的章節說明。 •新增250W、300W、350W、400W功\率的設計指引。 •更新跨調整圖（Cross Regulation Graph）。 •更新「用電負載表」的資訊。 •更新用電需求的轉換效率，並加入建議效率。 •提高供電能力以因應更高的需求用電，同時也提高「典型用電」及「輕載用電」時的最低轉換效率。 •「主要供電接頭」從20-pin提升成24-pin。 •移除ATX主規時代所訂立的「輔助供電接頭」。 •將「SATA裝置用的供電接頭」正式列入必備。 •ATX12V供電接頭（2×2）採行獨立限流設計。 ATX12V 2.01版，2004年6月 •將3.3V遠端感測線路設置到主供電接頭（24-pin）上。 •更新主供電接頭上12V2直流供電輸出的雜訊、漣波資訊。 •移除-5V的參考電壓。 •更新5VSB的最大電流升降步階。 •針對電壓持升時間而修改115 VAC頻率。 ATX12V 2.1版，2005年3月 •新增450W功\率的設計指引。 •提升之前已訂立的250W、300W、350W、400W等供電組態的供電力（輸出電流量）。 •跨負載更新（從250W∼450W）。 •更新「用電負載表」。 •提升供電轉換效率的必備（最低）需求。 •提升5VSB的待備電流（增至720mA）。 ATX12V 2.2版，2005年3月 •更正12V2的負載層級表。 •在主供電接頭中新增串接的高電流終端電阻。 •在ATX12V供電接頭中新增串接的高電流終端電阻。 ■結論 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25∼35CFM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，這對設計工程師來說也是一大挑戰。 |
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