Компьютерный блок питания ATX: стандарт и практика

Какие документы описывают ATX

Слово ATX обозначает и размеры корпуса, и электрические требования к блоку. Электрику Intel публикует в виде руководств по проектированию (design guide), где каждый пункт помечен как REQUIRED (обязательно), RECOMMENDED (рекомендуется) или OPTIONAL (по желанию). В статье используются три документа:

Руководство 336521 прямо просит указывать на этикетке блока редакцию спецификации, которой он соответствует, — по ней можно понять, к какой группе относится ваш блок.

Шины и допуски

Допуски заданы на конце кабеля, у разъёма, во всём диапазоне сети, нагрузки и температуры.

Нижний предел +12 В в ATX 3.x расширен до −7 % ради кратковременных бросков мощности видеокарт (о них ниже); чтобы сохранить запас, руководство разрешает поднимать номинал до 12,1 или 12,2 В. Пульсации меряют осциллографом с полосой 20 МГц, зашунтировав выход прямо на разъёме керамическим конденсатором 0,1 мкФ и электролитом 10 мкФ, — без этого наводки на щуп легко принять за пульсации блока.

Шины +12 В нумеруют по назначению: 12V1 — общая, 12V2 — процессорный разъём, 12V3/V4 — разъёмы видеокарт. В многошинном блоке для них рекомендуется раздельная защита по току, в одношинном это одна шина, которую Intel тестирует теми же сценариями нагрузки. Для процессора руководство рекомендует такой ток 12V2 (табл. 2-1):

Динамику руководство тоже нормирует: ток на шинах +12 В блоку с разъёмом 12V-2x6 нужно выдерживать при скорости нарастания 5,0 А/мкс, без него — 2,5 А/мкс, на +5 и +3,3 В — 1,0 А/мкс (табл. 4-4). Руководство рекомендует, чтобы выход запускался и оставался в допусках с ёмкостью нагрузки 3300 мкФ на каждой основной шине и на +5VSB и 330 мкФ на −12 В (табл. 4-7).

PS_ON#, PWR_OK и тайминги

Блок управляется двумя сигналами главного разъёма:

• PS_ON# (контакт 16) — вход. Низкий уровень включает +12, +5, +3,3 и −12 В; высокий уровень или обрыв выключает их, и выходы должны быть на нуле. Внутри блока есть подтяжка к высокому уровню и подавление дребезга, чтобы его можно было включать механическим выключателем.
• PWR_OK (контакт 8, его же называют Power Good) — выход. Высокий уровень означает, что +12, +5 и +3,3 В в допусках и в конденсаторах блока запасено достаточно энергии, чтобы продержаться заданное время после пропадания сети. По этому сигналу материнская плата снимает сброс с процессора.

Вытекающий ток PWR_OK — всего 200 мкА, поэтому светодиод от него напрямую не зажечь: нужен транзисторный ключ или логический буфер.

Временная диаграмма включения в руководстве задана интервалами T0–T6 (табл. 4-10). Колонка Legacy — блоки, разработанные до 2020 года; с 2020 года обязательными стали более короткие T1 и T3.

Рекомендованные T1 и T3 рассчитаны на системы с современным сном (Modern Standby), где блок включается и выключается часто. Ещё несколько правил из разд. 4.2–4.4:

• Удержание: после пропадания сети выходы остаются в допусках 12 мс при полной нагрузке (обязательно) или 17 мс при 80 % (рекомендуется), это сумма T5 + T6.
• Последовательность: +12 и +5 В всегда не ниже +3,3 В, а +3,3 В входит в допуск не позже чем через 20 мс после них.
• Нарастание и выброс: фронт плавный и монотонный, выброс при включении и выключении — меньше 10 % от номинала, напряжения обратной полярности на выходах быть не должно.
• Повторное включение: если PS_ON# вернули в низкий уровень больше чем через 100 мс после выключения, блок обязан снова включиться, даже если шины ещё не разрядились.
• Сброс защиты: если блок отключился по аварии на выходе, он запустится только после устранения причины и выключения PS_ON# минимум на 1 с.
• Вентилятор не должен стартовать вместе с PS_ON#: руководство предлагает выждать не меньше 2 с или включать его только по температуре, а при снятом PS_ON# — остановить.

Главный разъём: 24 контакта

Корпус Molex Mini-Fit Jr. 39-01-2240 или аналог, провода 18 AWG, кроме двух проводов контакта 13 — они 22 AWG (табл. 5-1):

На контакте 13 обжаты два провода 22 AWG: силовой +3,3 В (оранжевый) и провод обратной связи (коричневый). По нему блок измеряет +3,3 В прямо в разъёме платы и компенсирует падение на кабеле; ток через провод обратной связи — не больше 10 мА (разд. 4.2.3). Если вы отрезаете разъём, коричневый провод соединяйте с оранжевыми +3,3 В в той точке, где хотите держать напряжение, а не оставляйте висеть. Распиновку остальных разъёмов — SATA, Molex, CPU и PCIe — с цветами проводов смотрите на странице «Распиновка разъёмов блока питания ATX».

Питание процессора: 4 и 8 контактов

Отдельный разъём +12 В для процессора (шина 12V2) бывает на 4 контакта (2×2) и на 8 (2×4); его часто называют EPS12V по имени серверного стандарта. У 4-контактного контакты 1 и 2 — общий, 3 и 4 — +12 В; у 8-контактного 1–4 — общий, 5–8 — +12 В (табл. 5-8 и 5-9). Корпус Molex 0039012040, провода 18 AWG.

Сколько тока пропустит такой разъём, руководство оценивает из 6–8 А на контакт с проводом 18 AWG (разд. 2.2.1): 12–16 А для 2×2, 18–24 А для 2×3 и 24–32 А для 2×4. С 8-контактным разъёмом процессора не путайте 8-контактный PCIe: у них разная разводка +12 В и общего и разные ключи.

Разъёмы видеокарт: 6-pin, 8-pin и 12V-2x6

Спецификация PCIe CEM 5.1, на которую опирается руководство Intel, определяет три разъёма дополнительного питания +12 В. Напряжение на входе карты допускается +5/−8 %: запас вниз шире, чем у самого блока, с учётом падения на кабеле (табл. 3-5).

В разъёме 2×3 контакты 1–3 — +12 В, 4 и 6 — общий, 5 — Sense, соединённый с общим. В 2×4 +12 В на контактах 1–3, SENSE1 на 4, SENSE0 на 6, остальные — общий. По заземлённым линиям Sense карта понимает, что вставлено (табл. 5-6): оба на земле — 2×4 и до 150 Вт, только SENSE0 — 2×3 и до 75 Вт, оба свободны — дополнительного питания нет.

12V-2x6 и его служебные линии

12V-2x6 — 16-контактный разъём: двенадцать силовых контактов с шагом 3,0 мм (шесть +12 В и шесть общих) и четыре маленьких служебных под ними. С разъёмами 2×3 и 2×4, у которых шаг 4,2 мм, он несовместим. Все двенадцать силовых проводов — 16 AWG, без пропусков; удержание защёлки — не меньше 45 Н. Через 12V-2x6 карта берёт до 600 Вт, а вместе с 75 Вт из слота — до 675 Вт.

Кодировка SENSE0/SENSE1 (табл. 3-6):

Для 150 Вт линии соединяют друг с другом, но не с землёй: если замкнуть их ещё и на общий, карта прочтёт 600 Вт. Менять кодировку можно только в дежурном режиме, при снятом PS_ON#; во время работы линии SENSE не должны менять состояние. Логические уровни служебных линий — 3,3 В: низкий до 0,8 В, высокий от 2,0 В (табл. 3-7).

12V-2x6 заменил разъём 12VHPWR из-за проблем с надёжностью: 12VHPWR появился в редакции 2.0 руководства 336521 (февраль 2022) вместе с PCIe CEM 5.0, а в редакции 2.1 (сентябрь 2023), под CEM 5.1, его переименовали в 12V-2x6. Механически разъёмы почти одинаковы, изменения сделаны в гнезде: силовые контакты удлинены, а служебные укорочены, поэтому служебные замыкаются последними и размыкаются первыми, и плохо вставленная вилка выглядит для карты как «свободен — свободен», то есть 0 Вт. Гнездо 12V-2x6 маркируют H++, старое 12VHPWR — H+. Разъём 12V-2x6 необязателен для блоков до 450 Вт и рекомендован для более мощных.

Броски мощности

PCIe CEM 5.1 разрешает карте с 12V-2x6 кратковременно превышать среднюю мощность, и блок ATX 3.x должен это выдерживать, оставаясь в допусках (табл. 3-3):

Для старых разъёмов 2×3 и 2×4 такие броски запрещены — чтобы не перегрузить старые блоки. Для блока на столе это значит, что мощный блок ATX 3.x с разъёмом 12V-2x6 переносит короткую перегрузку вдвое выше номинала, не выключаясь, — хорошо для видеокарты и плохо для схемы с замыканием.

Минимальная нагрузка и перекрёстная нагрузка

В старых многошинных блоках выходы не независимы. Руководство ATX12V 2.2 приводит для каждой мощности типовое распределение токов с минимальными значениями и график перекрёстной нагрузки — допустимой суммарной мощности +3,3 и +5 В в зависимости от мощности +12 В:

Intel оговаривает, что таблицы — пример, а не требование, но на практике они объясняют поведение старых блоков. Если в блоке одна петля обратной связи следит сразу за несколькими выходами, то при нагрузке только на одну шину остальные уходят от номинала. Отсюда две типичные беды переделанного старого блока: без нагрузки он не запускается или уходит в защиту, а при большой нагрузке на +5 В и пустой +12 В напряжение 12 В поднимается выше допуска.

Новые редакции руководства снимают вопрос запуска без нагрузки. Требование к минимальному току 12V2 появилось в редакции 1.3 (2012) и стало обязательным в редакции 1.31 (2013), вместе с ATX12V 2.4; сейчас это 0 А обязательно для 12V2 и 0 А как рекомендация для 12V1 (табл. 4-9). При включении блок ATX 3.x обязан выйти на режим и выставить PWR_OK, когда +12 В нагружена не больше чем на 0,1 А, а +3,3 и +5 В — от 0 до 5 А (разд. 4.3.2). Точность при сильном перекосе — например, +5 В под большой нагрузкой при пустой +12 В — этим не гарантируется, а для +5 и +3,3 В минимальный ток табл. 4-9 не задаёт. Отключение всех нагрузок не должно повредить ни один блок — ни старый, ни новый, хотя он может уйти в защиту (разд. 4.5.3 руководства 336521 и 3.4.3 руководства 2.2).

Защита

Предел 240 ВА — требование безопасности к доступной энергии: при +12 В это 20 А. Руководство 336521 говорит, что блок, соблюдающий его, должен делить ток +12 В выше 18 А на несколько шин (табл. 2-1, прим. 1), но в разд. 4.5.7 называет это требование необязательным и отмечает, что большинство блоков ему не соответствует. Поэтому на одной шине +12 В современного блока доступны десятки ампер: только для процессора с TDP 150 Вт руководство рекомендует до 33 А длительно и 60 А в пике по шине 12V2.

КПД и дежурный режим

Блок должен работать от сети 90–135 и 180–265 В частотой 47–63 Гц (табл. 4-1) и запускаться при полной нагрузке уже от 90 В. Минимальный КПД руководство 336521 задаёт при 115 В:

Для систем, которые продают в Калифорнии и подпадают под определение CEC «компьютер с высокой расширяемостью», уровни из табл. 4-17 обязательны: 87/90/87 % при 115 В и 88/92/88 % при 230 В на нагрузке 100/50/20 %. Сертификацию 80 PLUS руководство упоминает только как программу маркировки КПД и ссылается на её методику измерений; своих порогов для уровней 80 PLUS оно не приводит, поэтому мы их здесь не повторяем.

Дежурная шина +5VSB работает, пока блок в сети, и питает пробуждение по сети, кнопку питания, USB во сне. Её КПД измеряют при снятом PS_ON# (табл. 4-5): обязательно 75 % при токах 0,55 и 1,5 А (режимы современного сна и требования ErP Lot 3) и 45 % при 45 мА (ErP Lot 6), рекомендовано 75 % на полной нагрузке. Длительный ток +5VSB рекомендуется не меньше 3 А, а при пробуждении от USB-устройства шина должна выдерживать пик до 3,5 А длительностью до 500 мс (разд. 4.3.4). Для сравнения: руководство 2.2 просило лишь КПД больше 50 % при 100 мА.

ATX12VO: только +12 В

ATX12VO (12V Only) — вариант, в котором блок выдаёт только +12 В и дежурное +12VSB, а +5 и +3,3 В делает материнская плата своими преобразователями. Она же питает SATA-накопители через собственные разъёмы — их рекомендуется делать чёрными, чтобы не путать с разъёмами блока. Допуск +12 В и +12VSB — тот же, +5/−7 % (11,20–12,60 В). Главный разъём — 10-контактный (табл. 5-2):

Через этот разъём плата получает 216–288 Вт из расчёта 6–8 А на контакт. Платам мощнее нужен дополнительный 6-контактный разъём (три +12 В и три общих) — он обязателен у блоков больше 450 Вт. Сигнал I_PSU% — токовый выход телеметрии: 10 мкА на каждый процент номинальной мощности, 1 мА при 100 % и до 200 %; плата заводит его на вход Psys регулятора процессора. Дежурная +12VSB рекомендуется не меньше 1,5 А (18 Вт), у блоков от 1200 Вт — не меньше 3 А. Для самодельных схем блок ATX12VO проще классического: одно напряжение +12 В и та же логика PS_ON#, только PS_ON# здесь на контакте 1.

Блок ATX вместо лабораторного источника

Старый компьютерный блок — соблазнительный источник: 12 В на десятки ампер, 5 и 3,3 В, защита и вентилятор в комплекте. Работать с ним можно, если помнить, чем он отличается от лабораторного.

Как запустить

На схеме — минимальная обвязка: выключатель SA1 на PS_ON#, предохранители FU1–FU3 на каждой выведенной шине, провод обратной связи +3,3 В, подключённый к шине +3,3 В, нагрузочный резистор R1 на +5 В и два светодиода — HL1 на +5VSB и HL2 через транзистор VT1 от PWR_OK. Ток базы через R3 при минимальном высоком уровне PWR_OK 2,4 В — около (2,4 − 0,7) / 10 кОм ≈ 0,17 мА, меньше 200 мкА, которые выход гарантирует.

1. Соедините PS_ON# (контакт 16, зелёный) с общим проводом (любой чёрный) через тумблер. При низком уровне из вывода PS_ON# вытекает не больше 1,6 мА (при 0,4 В), на разомкнутом выводе не больше 5,25 В, дребезг блок подавляет сам — подойдёт любой малогабаритный выключатель. Скрепка в разъёме работает так же, но выключать блок тогда придётся из розетки.
2. Индикатор «блок в сети» удобно повесить на +5VSB: светодиод с падением около 2 В и резистором 1 кОм возьмёт около 3 мА. Индикатор «шины в норме» делают от PWR_OK через транзистор: выход отдаёт только 200 мкА.
3. Если блок ушёл в защиту, устраните причину и выключите PS_ON# не меньше чем на 1 с — иначе он не запустится снова.

Нагрузка

Блоку ATX 3.x нагрузка для запуска не нужна. Старому блоку ATX12V 2.0–2.2 может понадобиться ток на +5 В или +12 В — ориентир дают минимальные токи из таблиц выше. Нагрузочный резистор считают по закону Ома:

Резистор берите с запасом по мощности — на 5 Вт и больше — и не кладите на пластик: мощные резисторы при такой нагрузке сильно нагреваются, а вентилятор блока их не обдувает.

Предохранители и провода

Самое опасное в блоке ATX — не напряжение, а ток. Порог защиты от перегрузки стандарт не задаёт, блоки рассчитаны на десятки ампер по +12 В, а короткое замыкание — это сопротивление меньше 0,1 Ом. Неполное замыкание может не включить защиту: защита от КЗ на него не обязана реагировать, а сработает ли защита от перегрузки, зависит от её порога. Пример: подгоревший контакт или тонкий провод с сопротивлением 0,5 Ом на шине 12 В:

Это ток, который блок отдаёт штатно, а 288 Вт выделяются в точке плохого контакта — провод может расплавиться раньше, чем что-то отключится. Поэтому:

• на каждый выход, который выводите на клеммы, ставьте свой плавкий предохранитель или самовосстанавливающийся PTC на ток, который выдержат провод и клемма; сечение подберите в калькуляторе сечения провода;
• собирайте выходы из нескольких параллельных проводов 18 AWG, как в штатных разъёмах, и не ведите 12 В тонким монтажным проводом;
• для макетов и отладки ставьте после блока ограничитель тока: электронный предохранитель eFuse или цепочку защиты, защиту от переполюсовки или регулируемый понижающий преобразователь с ограничением тока;
• учитывайте, что общий провод выходов может быть соединён с корпусом блока (разд. 4.5.6), а корпус — с заземляющим проводом сетевого разъёма (разд. 9.1: зелёный провод — земля и корпус). Земля осциллографа в этом случае тоже соединена с минусом блока;
• включайте блок только в розетку с защитным заземлением: сетевой вход блока — разъём IEC 320 (разд. 5.2.1), и корпус рассчитан на соединение с землёй через его заземляющий провод. Без заземления корпус и выходы ни к чему не привязаны, и на них относительно земли может оказаться напряжение, опасное для человека и для входов подключённых приборов;
• не соединяйте два блока ATX последовательно ради 24 В: минус каждого может быть соединён с корпусом и через защитное заземление — с минусом второго блока. Тогда +12 В нижнего блока, подключённые к минусу верхнего, через землю замыкаются на его собственный минус.

Чем он не лабораторный источник

Итог: блок ATX — хороший первичный источник для мощной нагрузки — светодиодной ленты, двигателей, нагревателей, зарядного устройства, — если на выходе стоят предохранители. Для отладки незнакомой схемы ставьте после него модуль с ограничением тока или настоящий лабораторный источник. Как рассчитать понижающий преобразователь на нужное напряжение — в калькуляторе DC-DC, а как оценить ток короткого замыкания источника по его внутреннему сопротивлению — в ответе «Как рассчитать ток короткого замыкания».