Unidade de fonte de alimentação (computador)

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Uma fonte de alimentação ATX com a tampa superior removida

Uma unidade de fonte de alimentação (PSU) converte a rede elétrica CA em energia CC regulada de baixa tensão para os componentes internos de um computador. Os computadores pessoais modernos usam universalmente fontes de alimentação comutadas. Algumas fontes de alimentação possuem um interruptor manual para selecionar a tensão de entrada, enquanto outras se adaptam automaticamente à tensão da rede.

A maioria das fontes de alimentação de computadores pessoais modernos estão em conformidade com a especificação ATX, que inclui tolerâncias de fator de forma e tensão. Enquanto uma fonte de alimentação ATX está conectada à rede elétrica, ela sempre fornece uma alimentação de espera de 5 volts (5VSB) para que as funções de espera no computador e certos periféricos sejam alimentados. As fontes de alimentação ATX são ligadas e desligadas por um sinal da placa-mãe. Eles também fornecem um sinal para a placa-mãe para indicar quando as tensões CC estão dentro das especificações, para que o computador possa ser ligado e inicializado com segurança. O padrão ATX PSU mais recente é a versão 3.0 em meados de 2022.

Funções[editar | editar código-fonte]

Diagrama de circuito simplificado de uma fonte de alimentação típica
Diagrama de um circuito regulador de tensão XT e AT típico
Internos de uma PSU com PFC passivo (esquerda) e PFC ativo (direita)

A fonte de alimentação do computador desktop converte a corrente alternada (AC) de uma tomada de parede de eletricidade em uma corrente contínua de baixa tensão (DC) para operar a placa-mãe, o processador e os dispositivos periféricos. Várias voltagens de corrente contínua são necessárias e devem ser reguladas com alguma precisão para fornecer uma operação estável do computador. Um trilho de fonte de alimentação ou trilho de tensão refere-se a uma única tensão fornecida por uma PSU.[1]

Algumas PSUs também podem fornecer uma tensão de espera, para que a maior parte do sistema do computador possa ser desligada após a preparação para hibernação ou desligamento e religada por um evento. A alimentação em espera permite que um computador seja iniciado remotamente via wake-on-LAN e Wake-on-Ring ou localmente via Keyboard Power ON (KBPO) se a placa-mãe suportar. Esta tensão de espera pode ser gerada por uma pequena fonte de alimentação linear dentro da unidade ou uma fonte de alimentação comutada, compartilhando alguns componentes com a unidade principal para economizar custos e energia.

História[editar | editar código-fonte]

As fontes de alimentação de microcomputadores e computadores domésticos de primeira geração usavam um transformador abaixador pesado e uma fonte de alimentação linear, como usado, por exemplo, no Commodore PET lançado em 1977. O Apple II, também lançado em 1977, era conhecido por sua fonte de alimentação comutada, que era mais leve e menor do que uma fonte de alimentação linear equivalente teria sido e que não tinha ventilador de refrigeração. A fonte comutada usa uma alta frequência com núcleo de ferrite transformador e transistores de potência que comutam milhares de vezes por segundo. Ao ajustar o tempo de comutação do transistor, a tensão de saída pode ser controlada de perto sem dissipar energia como calor em um regulador linear. O desenvolvimento de transistores de alta potência e alta tensão a preços econômicos tornou prático a introdução de fontes comutadas, que eram usadas na indústria aeroespacial, mainframes, minicomputadores e televisão em cores, em computadores pessoais de mesa. O design do Apple II pelo engenheiro da Atari, Rod Holt, recebeu uma patente,[2][3] e estava na vanguarda do design moderno de fontes de alimentação para computadores. Agora, todos os computadores modernos usam fontes de alimentação comutadas, que são mais leves, menos dispendiosas e mais eficientes do que as fontes de alimentação lineares equivalentes.

As fontes de alimentação do computador podem ter proteção contra curto-circuito, proteção contra sobrecarga, proteção contra sobretensão, proteção contra subtensão, proteção contra sobrecorrente e proteção contra sobretemperatura.

Interruptor de tensão de entrada[editar | editar código-fonte]

Fontes de alimentação projetadas para uso mundial já foram equipadas com uma chave seletora de tensão de entrada que permitia ao usuário configurar a unidade para uso na rede elétrica local. Na faixa de tensão mais baixa, em torno de 115 V, esta chave é ligada mudando o retificador de tensão da rede elétrica para um dobrador de tensão no projeto do circuito delon. Como resultado, o grande capacitor do filtro primário atrás desse retificador foi dividido em dois capacitores ligados em série, balanceados com resistores de sangria e varistores que eram necessários na faixa de tensão de entrada superior, em torno de 230 V. Conectando a unidade configurada para a faixa inferior a uma rede de alta tensão geralmente resultava em um dano permanente imediato. Quando a correção do fator de potência (PFC), esses capacitores de filtro foram substituídos por outros de maior capacidade, juntamente com uma bobina instalada em série para retardar a corrente de inrush. Este é o design simples de um PFC passivo.

O PFC ativo é mais complexo e pode atingir um PF mais alto, até 99%. Os primeiros circuitos PFC ativos apenas atrasaram o inrush. Os mais novos estão trabalhando como um conversor step-up controlado por condições de entrada e saída, fornecendo um único capacitor de filtro de 400 V de uma fonte de entrada de ampla faixa, geralmente entre 80 e 240 V. Os circuitos PFC mais recentes também substituem a corrente de inrush baseada em NTC limitador, que é uma peça cara anteriormente localizada ao lado do fusível.

Desenvolvimento[editar | editar código-fonte]

PCB de uma fonte de alimentação de um clone do IBM XT
Um interruptor de alimentação XT PSU típico, que é parte integrante da PSU.

Padrão IBM PC, XT e AT original[editar | editar código-fonte]

A primeira fonte de alimentação (PSU) IBM PC fornecia duas tensões principais: +5 V e +12 V. Fornecia duas outras tensões, −5 V e −12 V, mas com quantidades limitadas de energia. A maioria dos microchips da época operava com alimentação de 5 V. Dos 63,5 W que essas PSUs podiam fornecer, a maior parte estava nesse trilho de +5 V. A alimentação de +12 V foi usada principalmente para operar motores como em drives de disco e ventiladores de refrigeração. À medida que mais periféricos eram adicionados, mais energia era fornecida no barramento de 12 V. No entanto, como a maior parte da energia é consumida pelos chips, o barramento de 5 V ainda fornece a maior parte da energia. O trilho de -12 V foi usado principalmente para fornecer a tensão de alimentação negativa para as portas seriais RS-232. Um trilho de -5 V foi fornecido para periféricos no barramento ISA (como placas de som), mas não foi usado por nenhuma placa-mãe diferente da placa-mãe original do IBM PC.

Um fio adicional conhecido como 'Power Good' é usado para evitar a operação do circuito digital durante os milissegundos iniciais de ativação da fonte de alimentação, onde as tensões e correntes de saída estão aumentando, mas ainda não são suficientes ou estáveis ​​para a operação adequada do dispositivo. Assim que a potência de saída estiver pronta para uso, o sinal Power Good informa ao circuito digital que ele pode começar a operar.

As fontes de alimentação originais da IBM para PC (modelo 5150), XT e AT incluíam um interruptor de alimentação de tensão de linha que se estendia pela lateral do gabinete do computador. Em uma variante comum encontrada em gabinetes de torre, a chave de tensão de linha foi conectada à fonte de alimentação com um cabo curto, permitindo que ela fosse montada separada da fonte de alimentação.

Uma fonte de alimentação de microcomputador inicial estava totalmente ligada ou desligada, controlada pelo interruptor mecânico de tensão de linha, e os modos ociosos de baixo consumo de energia não eram uma consideração de projeto das primeiras fontes de alimentação do computador. Essas fontes de alimentação geralmente não eram capazes de modos de economia de energia, como standby ou "soft off", ou controles de energia de ativação programados.

Devido ao design sempre ligado, no caso de um curto-circuito, um fusível queimaria ou uma fonte comutada cortaria repetidamente a energia, esperaria um breve período de tempo e tentaria reiniciar. Para algumas fontes de alimentação, a reinicialização repetida é audível como um chiado ou tique-taque rápido e silencioso emitido pelo dispositivo.

Padrão ATX[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: ATX
Conversor de tensão para processadores 80486DX4 (5 V a 3,3 V). Observe o dissipador de calor no regulador linear, necessário para dissipar a energia desperdiçada.
Uma instalação típica de uma fonte de alimentação de computador de fator de forma ATX

Quando a Intel desenvolveu o conector de fonte de alimentação padrão ATX (publicado em 1995), os microchips operando em 3,3 V estavam se tornando mais populares, começando com o microprocessador Intel 80486DX4 em 1994, e o padrão [ATX fornece três trilhos positivos: +3,3 V, +5 V , e +12 V. Os computadores anteriores que exigiam 3,3 V normalmente derivavam de um regulador linear simples, mas ineficiente, conectado ao barramento de +5 V.

O conector ATX fornece vários fios e conexões de alimentação para a alimentação de 3,3 V, pois é mais sensível à queda de tensão nas conexões de alimentação. Outra adição ATX foi o trilho SB (standby) de +5 V para fornecer uma pequena quantidade de energia em espera, mesmo quando o computador estava nominalmente "desligado".

Existem duas diferenças básicas entre as fontes de alimentação AT e ATX: os conectores que fornecem energia à placa-mãe e o softswitch. Em sistemas do tipo ATX, o interruptor de alimentação do painel frontal fornece apenas um sinal de controle para a fonte de alimentação e não comuta a tensão CA da rede. Esse controle de baixa tensão permite que outro hardware ou software de computador ligue e desligue o sistema.

Como as fontes de alimentação ATX compartilham a mesma largura e altura (150 × 86 mm (5,9 × 3,4 pol)) e o mesmo layout de montagem (quatro parafusos dispostos na parte traseira da unidade), com o formato anterior, não há grande diferença física impedindo que um gabinete AT aceite uma PSU ATX (ou vice-versa, se o gabinete puder hospedar o interruptor de alimentação necessário para um PSU AT), desde que o PSU específico não seja muito longo para o gabinete específico.

Padrão ATX12V[editar | editar código-fonte]

À medida que os transistores se tornam menores nos chips, torna-se preferível operá-los em tensões de alimentação mais baixas, e a tensão de alimentação mais baixa é frequentemente desejada pelo chip mais denso, a unidade central de processamento. Para fornecer grandes quantidades de energia de baixa tensão ao Pentium e aos microprocessadores subsequentes, uma fonte de alimentação especial, o módulo regulador de tensão começou a ser incluído nas placas-mãe. Os processadores mais novos requerem até 100 A a 2 V ou menos, o que é impraticável para fornecer de fontes de alimentação off-board.

Inicialmente, isso era fornecido pela fonte principal de +5 V, mas à medida que as demandas de energia aumentavam, as altas correntes necessárias para fornecer energia suficiente se tornaram problemáticas. Para reduzir as perdas de energia na fonte de 5 V, com a introdução do microprocessador Pentium 4, a Intel mudou a fonte de alimentação do processador para operar em +12 V e adicionou o conector P4 de quatro pinos separado ao novo padrão ATX12V 1.0 para fornecer esse poder.

As modernas unidades de processamento gráfico de alta potência fazem a mesma coisa, resultando na maior parte da necessidade de energia de um computador pessoal moderno no trilho de +12 V. Quando as GPUs de alta potência foram introduzidas pela primeira vez, as fontes de alimentação ATX típicas eram "pesadas em 5 V" e só podiam fornecer 50 a 60% de sua saída na forma de energia de 12 V. Assim, os fabricantes de GPUs, para garantir 200–250 W de potência de 12 V (pico de carga, CPU+GPU), recomendam fontes de alimentação de 500–600 W ou superiores. Fontes de alimentação ATX mais modernas podem fornecer quase toda (normalmente 80–90%) de sua capacidade nominal total na forma de alimentação de +12 V.

Devido a essa alteração, é importante considerar a capacidade de alimentação de +12 V, em vez da capacidade geral de alimentação, ao usar uma fonte de alimentação ATX mais antiga com um computador mais recente.

Os fabricantes de fontes de alimentação de baixa qualidade às vezes tiram proveito dessa especificação excessiva atribuindo classificações de fonte de alimentação excessivamente altas, sabendo que muito poucos clientes entendem completamente as classificações de fonte de alimentação.[4]

Trilhos de +3,3 V e +5 V[editar | editar código-fonte]

Fontes de tensão de trilho de +3,3 V e +5 V raramente são um fator limitante; geralmente, qualquer fonte com uma classificação de +12 V suficiente terá capacidade adequada em tensões mais baixas. No entanto, a maioria dos discos rígidos ou placas PCI criarão uma carga maior no trilho de +5 V.

CPUs mais antigas e dispositivos lógicos na placa-mãe foram projetados para tensão de operação de 5 V. As fontes de alimentação para esses computadores regulam a saída de 5 V com precisão e fornecem o trilho de 12 V em uma janela de tensão especificada, dependendo da taxa de carga de ambos os trilhos. A alimentação de +12 V foi usada para motores de ventiladores de computador, motores de drives de disco e interfaces seriais (que também usavam a alimentação de -12 V). Um outro uso dos 12 V veio cm as placas de som, usando amplificadores de potência de áudio com chip linear, às vezes filtrado por um regulador linear de 9 V na placa para cortar o ruído dos motores.

Como certas variantes do 80386, as CPUs usam tensões operacionais mais baixas, como 3,3 ou 3,45 V. As placas-mãe tinham reguladores de tensão lineares, fornecidos pelo barramento de 5 V. Jumpers ou dip switches ajustam as tensões de saída de acordo com a especificação da CPU instalada. Quando as CPUs mais novas exigiam correntes mais altas, os reguladores de tensão do modo de comutação, como os conversores buck, substituíram os reguladores lineares por eficiência.

Desde a primeira revisão do padrão ATX, as PSUs precisavam ter um trilho de tensão de saída de 3,3 V. Raramente, um regulador linear gerava esses 3,3 V, alimentados a partir dos 5 V e convertendo o produto da queda de tensão e da corrente em calor. No projeto mais comum, essa tensão é gerada deslocando e transformando os pulsos do barramento de 5 V em um indutor adicional, fazendo com que a tensão suba atrasada e retificada separadamente em um barramento dedicado de 3,3 V[5] e obtendo o corte de tensão ociosa crescente por um dispositivo tipo TL431,[6] que se comporta de forma semelhante a um diodo Zener. Reguladores posteriores gerenciaram todos os trilhos de 3,3, 5 e 12 V. Cortando o pulso pelo regulador de tensão, a relação de 3,3 e 5 V é controlada. Algumas dessas PSUs utilizam duas bobinas diferentes, alimentando o barramento de 3,3 V do transformador para gerenciar cargas variáveis ​​por pulso com relação entre as saídas de 3,3 e 5 V. Em projetos que usam bobinas idênticas, a largura de pulso gerencia a relação.[7]

Com o Pentium 4 e as gerações de computadores mais recentes, a tensão para os núcleos da CPU ficou abaixo de 2 V. A queda de tensão nos conectores forçou os projetistas a colocar esses conversores buck próximos ao dispositivo. O consumo máximo de energia mais alto exigiu que os conversores buck não fossem mais alimentados a partir de 5 V e alterados para uma entrada de 12 V, para diminuir a corrente necessária da fonte de alimentação.

Nos acionamentos, um pequeno regulador de tensão linear é instalado para manter o +3,3 V estável, alimentando-o do barramento de +5 V.

Especificação da fonte de alimentação de nível básico[editar | editar código-fonte]

A especificação de fonte de alimentação de nível básico (EPS) é uma unidade de fonte de alimentação destinada a computadores de alto consumo de energia e servidores de nível básico. Desenvolvido pelo fórum Server System Infrastructure (SSI), um grupo de empresas que inclui Intel, Dell, Hewlett-Packard e outras, que trabalha em padrões de servidor, o formato EPS é um derivado do formato ATX. A especificação mais recente é v2.93.

O padrão EPS fornece um ambiente mais poderoso e estável para sistemas e aplicativos críticos baseados em servidor. As fontes de alimentação EPS têm um conector de alimentação de 24 pinos na placa-mãe e um conector de +12 V de oito pinos. O padrão também especifica dois conectores adicionais de 12 V de quatro pinos para placas que consomem mais energia (um necessário em PSUs de 700–800 W, ambos necessários em PSUs de 850 W+). Fontes de alimentação EPS são, em princípio, compatíveis com placas-mãe ATX ou ATX12V padrão encontradas em residências e escritórios, mas pode haver problemas mecânicos onde o conector de 12 V e, no caso de placas mais antigas, pendem dos soquetes.[8] Muitos fornecedores de PSU usam conectores onde as seções extras podem ser soltas para evitar esse problema. Assim como nas versões posteriores do padrão ATX PSU, também não há barramento de −5 V.

Trilho Marca de cor
12V1 Amarelo (preto)
12V2 Amarelo
12V3 Amarelo (azul)
12V4 Amarelo (verde)

Trilho de +12 V único vs. múltiplo[editar | editar código-fonte]

À medida que a capacidade da fonte de alimentação aumentou, o padrão de fonte de alimentação ATX foi alterado (começando com a versão 2.0[9]) para incluir:

3.2.4. Limite de potência/níveis de energia perigosa
Sob condições normais ou de sobrecarga, nenhuma saída deve fornecer continuamente mais de 240 VA sob quaisquer condições de carga, incluindo curto-circuito de saída, de acordo com o requisito da UL 1950 / CSA 950 / EN 60950 / IEC 950.
— Guia de projeto da fonte de alimentação ATX12V, versão 2.2[10]

O requisito foi posteriormente excluído da versão 2.3 (março de 2007) das especificações da fonte de alimentação ATX12V,[11] mas levou a uma distinção nas fontes de alimentação ATX modernas entre trilhos simples e múltiplos.

A regra destinava-se a definir um limite seguro na corrente capaz de passar por qualquer fio de saída único. Uma corrente suficientemente grande pode causar sérios danos em caso de curto-circuito, ou pode derreter o fio ou seu isolamento em caso de falha, ou potencialmente iniciar um incêndio ou danificar outros componentes. A regra limita cada saída abaixo de 20 amperes, com suprimentos típicos garantindo disponibilidade de 18 A. Fontes de alimentação capazes de fornecer mais de 18 A a 12 V forneceriam sua saída em grupos de cabos (chamados de "rails"). Cada trilho fornece até uma quantidade limitada de corrente através de um ou mais cabos, e cada trilho é controlado independentemente por seu próprio sensor de corrente que desliga o fornecimento em excesso de corrente. Ao contrário de um fusível ou disjuntor, esses limites são redefinidos assim que a sobrecarga é removida. Normalmente, uma fonte de alimentação garantirá pelo menos 17 A a 12 V por ter um limite de corrente de 18,5 A ± 8%. Assim, é garantido o fornecimento de pelo menos 17 A e garantido o corte antes de 20 A. Os limites de corrente para cada grupo de cabos são então documentados para que o usuário possa evitar colocar muitas cargas de alta corrente no mesmo grupo.

Originalmente na época do ATX 2.0, uma fonte de alimentação com "múltiplos barramentos de +12 V" implicava em uma fonte capaz de fornecer mais de 20 A de alimentação de +12 V, e era vista como uma coisa boa. No entanto, as pessoas acharam a necessidade de equilibrar as cargas em muitos trilhos de +12 V inconveniente, especialmente porque as PSUs de ponta começaram a fornecer correntes muito maiores, até cerca de 2.000 W, ou mais de 150 A a 12 V (em comparação com os 240 ou 500 W de tempos anteriores). Quando a atribuição dos conectores aos trilhos é feita no momento da fabricação, nem sempre é possível mover uma determinada carga para um trilho diferente ou gerenciar a alocação de corrente entre os dispositivos.

Em vez de adicionar mais circuitos de limite de corrente, muitos fabricantes optaram por ignorar o requisito e aumentar os limites de corrente acima de 20 A por barramento, ou fornecer fontes de alimentação de "trilho único" que omitem os circuitos de limite de corrente. (Em alguns casos, em violação de suas próprias reivindicações de publicidade para incluí-lo.[12]) Por causa dos padrões acima, quase todas as fontes de alta potência alegavam implementar trilhos separados, no entanto, essa afirmação era frequentemente falsa; muitos omitiram os circuitos de limite de corrente necessários,[13] tanto por razões de custo quanto porque é uma irritação para os clientes.[14] (A falta foi, e é, às vezes anunciada como um recurso sob nomes como "rail fusion" ou "current sharing".)

O requisito foi retirado como resultado, no entanto, o problema deixou sua marca nos projetos de PSU, que podem ser categorizados em projetos de trilho único e trilhos múltiplos. Ambos podem (e geralmente contêm) controladores de limitação de corrente. A partir do ATX 2.31, a corrente de saída de um projeto de trilho único pode ser extraída através de qualquer combinação de cabos de saída, e o gerenciamento e a alocação segura dessa carga são deixados para o usuário. Um projeto de trilho múltiplo faz o mesmo, mas limita a corrente fornecida a cada conector individual (ou grupo de conectores), e os limites que ele impõe são da escolha do fabricante, e não definidos pelo padrão ATX.

Fontes somente 12 V[editar | editar código-fonte]

Conector somente de 12 V em uma placa-mãe Fujitsu
Connector ATX12VO
Conector ATX12VO

Desde 2011, a Fujitsu e outros fabricantes de nível 1[carece de fontes?] fabricam sistemas contendo variantes de placa-mãe que requerem apenas uma fonte de 12 V de uma fonte de alimentação personalizada, que normalmente é classificada em 250–300 W. Conversão DC-para-DC, fornecendo 5 V e 3,3 V, é feito na placa-mãe; a proposta é que a alimentação de 5 V e 12 V para outros dispositivos, como HDDs, seja captada na placa-mãe e não na própria PSU, embora isso não pareça estar totalmente implementado em janeiro de 2012.

As razões dadas para esta abordagem à fonte de alimentação são que ela elimina problemas de carga cruzada, simplifica e reduz a fiação interna que pode afetar o fluxo de ar e resfriamento, reduz custos, aumenta a eficiência da fonte de alimentação e reduz o ruído ao reduzir a velocidade do ventilador da fonte de alimentação controle da placa-mãe.

Pelo menos dois dos PCs empresariais da Dell lançados em 2013, o OptiPlex 9020 e o Precision T1700, são fornecidos com fontes de alimentação somente de 12 V e implementam conversão de 5 V e 3,3 V exclusivamente na placa-mãe. Posteriormente, o Lenovo ThinkCentre M93P adota PSU somente de 12 V e realiza conversão de 5 V e 3,3 V exclusivamente na placa-mãe IS8XM.

Em 2019, a Intel lançou um novo padrão baseado em um design totalmente de 12V: ATX12VO. A fonte de alimentação fornece apenas uma saída de tensão de 12 V;[15] As potências de 5 V, 3,3 V, conforme necessário por USB, disco rígido e outros dispositivos, são transformadas na placa-mãe; e o conector da placa-mãe ATX é reduzido de 24 pinos para 10 pinos. Chamado ATX12VO, não se espera que substitua os padrões atuais, mas que exista ao lado dele.[16] Na CES 2020, o FSP Group apresentou o primeiro protótipo baseado no novo padrão ATX12VO.

De acordo com o guia de design ATX12VO da fonte de alimentação de trilho único publicado oficialmente pela Intel em maio de 2020, o guia listou os detalhes do design somente de 12V e o principal benefício que incluiu maior eficiência e menor interrupção elétrica.[17]

Potência[editar | editar código-fonte]

O consumo geral de energia em uma PSU é limitado pelo fato de que todos os trilhos de alimentação passam por um transformador e qualquer um de seus circuitos do lado primário, como componentes de comutação. Os requisitos totais de energia para um computador pessoal podem variar de 250 W a mais de 1.000 W para um computador de alto desempenho com várias placas gráficas. Computadores pessoais sem CPUs ou placas gráficas de alto desempenho geralmente requerem de 300 a 500 W.[14] As fontes de alimentação são projetadas cerca de 40% a mais do que o consumo de energia calculado do sistema. Isso protege contra a degradação do desempenho do sistema e contra a sobrecarga da fonte de alimentação. As fontes de alimentação rotulam sua potência total de saída e rotulam como isso é determinado pelos limites de corrente elétrica para cada uma das tensões fornecidas. Algumas fontes de alimentação não possuem proteção contra sobrecarga.

O consumo de energia do sistema é uma soma das classificações de energia para todos os componentes do sistema de computador que consomem a fonte de alimentação. Algumas placas gráficas (especialmente várias placas) e grandes grupos de discos rígidos podem exigir muito das linhas de 12 V da PSU e, para essas cargas, a classificação de 12 V da PSU é crucial. A classificação total de 12 V na fonte de alimentação deve ser maior do que a corrente exigida por tais dispositivos para que a PSU possa atender totalmente ao sistema quando seus outros componentes do sistema de 12 V forem levados em consideração. Os fabricantes desses componentes de sistema de computador, especialmente placas gráficas, tendem a superestimar seus requisitos de energia, para minimizar problemas de suporte devido a uma fonte de alimentação muito baixa.[carece de fontes?]

Eficiência[editar | editar código-fonte]

Existem várias iniciativas para melhorar a eficiência das fontes de alimentação dos computadores. A Climate Savers Computing Initiative promove a economia de energia e a redução das emissões de gases de efeito estufa, incentivando o desenvolvimento e o uso de fontes de alimentação mais eficientes. O 80 Plus certifica vários níveis de eficiência para fontes de alimentação e incentiva seu uso por meio de incentivos financeiros. Fontes de alimentação eficientes também economizam dinheiro desperdiçando menos energia; como resultado, eles usam menos eletricidade para alimentar o mesmo computador e emitem menos calor residual, o que resulta em economias significativas de energia no ar condicionado central no verão. Os ganhos de usar uma fonte de alimentação eficiente são mais substanciais em computadores que consomem muita energia.

Embora uma fonte de alimentação com uma potência nominal maior do que a necessária tenha uma margem extra de segurança contra sobrecarga, essa unidade geralmente é menos eficiente e desperdiça mais eletricidade com cargas mais baixas do que uma unidade de tamanho mais apropriado. Por exemplo, uma fonte de alimentação de 900 watts com a classificação de eficiência 80 Plus Silver (o que significa que essa fonte de alimentação foi projetada para ser pelo menos 85% eficiente para cargas acima de 180 W) pode ser apenas 73% eficiente quando a carga é menor de 100 W, que é uma potência ociosa típica para um computador desktop. Assim, para uma carga de 100 W, as perdas para esta alimentação seriam de 27 W; se a mesma fonte for colocada sob uma carga de 450 W, para a qual a eficiência da fonte atinge 89%, a perda seria de apenas 56 W apesar de fornecer 4,5 vezes a potência útil.[18][19] Para uma comparação, uma fonte de alimentação de 500 watts com a classificação de eficiência 80 Plus Bronze (o que significa que essa fonte de alimentação foi projetada para ser pelo menos 82% eficiente para cargas acima de 100 W) pode fornecer uma eficiência de 84% para uma fonte de 100 W carga, desperdiçando apenas 19 W.[20] Outras classificações como 80 plus ouro, 80 plus platina e 80 plus titânio também fornecem as mesmas classificações, respectivamente. 80 plus gold proporcionando uma eficiência de 87% sob 100% de carga, 80 plus platina proporcionando uma eficiência de 90% e 80 plus titânio proporcionando a melhor eficiência em 94%.[21][22][23]

Uma fonte de alimentação que é autocertificada por seu fabricante pode reivindicar classificações de saída duas ou mais do que o que é realmente fornecido.[24][25]

Para complicar ainda mais esta possibilidade, quando há dois barramentos que compartilham a potência através da regulação para baixo, também acontece que o barramento de 12 V ou o barramento de 5 V sobrecarregam bem abaixo da classificação total da fonte de alimentação. Muitas fontes de alimentação criam sua saída de 3,3 V regulando negativamente seu barramento de 5 V ou criam saída de 5 V regulando negativamente seus barramentos de 12 V. Os dois trilhos envolvidos são rotulados na fonte de alimentação com um limite de corrente combinado. Por exemplo, os trilhos de 5 V e 3,3 V são classificados com um limite de corrente total combinado. Para uma descrição do problema potencial, um trilho de 3,3 V pode ter uma classificação de 10 A por si só (33 W), e o trilho de 5 V pode ter uma classificação de 20 A (100 W) por si só, mas os dois juntos só podem ser capaz de produzir 110 W. Neste caso, carregar o barramento de 3,3 V no máximo (33 W), deixaria o barramento de 5 V capaz de produzir apenas 77 W.

Um teste em 2005 revelou que as fontes de alimentação dos computadores geralmente são cerca de 70 a 80% eficientes.[26] Para uma fonte de alimentação com eficiência de 75% para produzir 75 W de saída CC, seriam necessários 100 W de entrada CA e dissiparia os 25 W restantes em calor. Fontes de alimentação de alta qualidade podem ser mais de 80% eficientes; como resultado, as PSUs energeticamente eficientes desperdiçam menos energia em calor e requerem menos fluxo de ar para resfriar, resultando em uma operação mais silenciosa.

A partir de 2012, algumas PSUs de consumo de ponta podem exceder 90% de eficiência em níveis de carga ideais, embora caiam para 87–89% de eficiência durante cargas pesadas ou leves. As fontes de alimentação do servidor do Google são mais de 90% eficientes.[27] As fontes de alimentação do servidor da HP atingiram 94% de eficiência.[28] As PSUs padrão vendidas para estações de trabalho de servidor têm cerca de 90% de eficiência, a partir de 2010.

A eficiência energética de uma fonte de alimentação cai significativamente em cargas baixas. Portanto, é importante adequar a capacidade de uma fonte de alimentação às necessidades de energia do computador. A eficiência geralmente atinge o pico em cerca de 50 a 75% da carga. A curva varia de modelo para modelo (exemplos de como essa curva se parece podem ser vistos em relatórios de teste de modelos energeticamente eficientes encontrados no 80 Plus.[29]

Aparência[editar | editar código-fonte]

Vários conectores disponíveis a partir de uma PSU de computador
Dimensões da PSU[30][31]
PSU
Padrão
Largura
(mm)
Altura
(mm)
Profundidade
(mm)
Volume
(l)
ATX12V / BTX 150 86 140 1.806
ATX large 150 86 180 2.322
ATX – EPS 150 86 230 2.967
CFX12V 101.6+48.4 86 096 0.838+0.399
SFX12V 125 63.5 100 0.793
TFX12V 085 64 175 0.952
LFX12V 062 72 210 0.937
FlexATX 081.5 40.5 150 0.495

A maioria das fontes de alimentação de computadores pessoais de mesa são uma caixa quadrada de metal e tem um grande feixe de fios saindo de uma extremidade. Em frente ao feixe de fios está a face traseira da fonte de alimentação, com uma saída de ar e um conector IEC 60320 C14 para fornecer energia CA. Pode haver um interruptor de alimentação e/ou um interruptor seletor de tensão. Historicamente, eles eram montados na parte superior do gabinete do computador e possuíam duas ventoinhas: uma dentro do gabinete, puxando o ar em direção à fonte de alimentação, e outra, extraindo ar da fonte de alimentação para o lado de fora. Muitas fontes de alimentação têm uma única ventoinha grande dentro do gabinete e são montadas na parte inferior do gabinete. O ventilador pode estar sempre ligado, ou ligar e variar sua velocidade dependendo da carga. Alguns não têm ventiladores e, portanto, são resfriados completamente passivamente.[32][33][34]

Uma etiqueta em um lado da caixa lista informações técnicas sobre a fonte de alimentação, incluindo certificações de segurança e potência máxima de saída. As marcas de certificação comuns para segurança são a marca UL, marca GS, TÜV, NEMKO , SEMKO, DEMKO, FIMKO, CCC, CSA, VDE, marca GOST R e BSMI. As marcas de certificado comuns para EMI/RFI são a marca CE, FCC e C-tick. A marca CE é necessária para fontes de alimentação vendidas na Europa e na Índia. Um RoHS ou 80 Plus às vezes também pode ser visto.

As dimensões de uma fonte de alimentação ATX são 150 mm de largura, 86 mm de altura e normalmente 140 mm de profundidade, embora a profundidade possa variar de marca para marca.

Algumas fontes de alimentação vêm com cabos com mangas, que além de serem esteticamente mais agradáveis, também facilitam a fiação e têm um efeito menos prejudicial no fluxo de ar.

Conectores[editar | editar código-fonte]

Normalmente, as fontes de alimentação têm os seguintes conectores (todos são Molex (EUA) Inc Mini-Fit Jr, salvo indicação em contrário):

  • Conector de alimentação da placa-mãe ATX (geralmente chamado de P1): Este é o conector que vai para a placa-mãe para fornecer energia. O conector tem 20 ou 24 pinos. Um dos pinos pertence ao fio PS-ON (geralmente é verde). Este conector é o maior de todos os conectores. Nas fontes AT mais antigas, esse conector era dividido em dois: P8 e P9. Uma fonte de alimentação com um conector de 24 pinos pode ser usada em uma placa-mãe com um conector de 20 pinos. Nos casos em que a placa-mãe tem um conector de 24 pinos, algumas fontes de alimentação vêm com dois conectores (um de 20 pinos e outro de 4 pinos, ou seja, 20+4 pinos) que podem ser usados ​​juntos para formar o conector de 24 pinos.
  • Conector de alimentação somente de 12 V (identificado como P1, embora não seja compatível com o conector ATX de 20 ou 24 pinos): Este é um conector Molex de 10 ou 16 pinos que fornece à placa-mãe três ou seis linhas de 12 V com retornos comuns, uma fonte de 'alimentação OK', um sinal 'PSU ON' e uma alimentação auxiliar de 12 ou 11 V. Um pino é deixado sem uso.[carece de fontes?]
  • 12V apenas Monitoramento do sistema (P10): Este é um conector 171822-8 AMP ou equivalente que transporta uma alimentação para o ventilador da PSU e detecta retornos.
  • Conector de alimentação ATX12V de 4 pinos (também chamado de conector de alimentação P4). Um segundo conector que vai para a placa-mãe (além do conector da placa-mãe ATX de 24 pinos) para fornecer energia dedicada ao processador. 4+4 pinos Para fins de compatibilidade com versões anteriores, alguns conectores projetados para placas-mãe e processadores de última geração, mais energia é necessária, portanto, o EPS12V possui um conector de 8 pinos.
  • Conectores de alimentação periférica de 4 pinos: Esses são os outros conectores menores que vão para as várias unidades de disco do computador. A maioria deles tem quatro fios: dois pretos, um vermelho e um amarelo. Ao contrário da codificação de cores do fio elétrico padrão dos EUA, cada fio preto é um terra, o fio vermelho é +5 V e o fio amarelo é +12 V. Em alguns casos, eles também são usados ​​para fornecer energia adicional para placas PCI, como como placas FireWire 800.
  • Conector de alimentação para periféricos de 4 pinos
    Conectores de alimentação Molex (Japan) Ltd de 4 pinos (geralmente chamados de Mini-conector, mini-Molex ou conector Berg): Este é um dos menores conectores que fornece energia a uma unidade de disquete de 3,5 polegadas. Em alguns casos, pode ser usado como um conector auxiliar para placas de vídeo Accelerated Graphics Port (AGP). Sua configuração de cabo é semelhante ao conector Peripheral.
  • Conectores de alimentação auxiliar: Existem vários tipos de conectores auxiliares, geralmente na forma de 6 pinos, projetados para fornecer alimentação adicional caso seja necessário.
  • Conectores de alimentação Serial ATA: um conector de 15 pinos para componentes que usam plugues de alimentação SATA. Este conector fornece energia em três tensões diferentes: +3,3, +5 e +12 V, em três pinos por fio, um projetado para pré-carregar cargas capacitivas em backplanes projetados para conexão a quente.
  • 6 pinos A maioria das fontes de alimentação para computadores modernos inclui conectores de seis pinos que geralmente são usados ​​para placas gráficas PCI Express, mas um conector de oito pinos recém-introduzido deve ser visto nas fontes de alimentação de modelo mais recente. Cada conector PCI Express de 6 pinos pode produzir no máximo 75 W.
  • 6+2 pinos Para fins de compatibilidade com versões anteriores, alguns conectores projetados para uso com placas gráficas PCI Express de ponta apresentam esse tipo de configuração de pinos. Ele permite que um cartão de seis pinos ou um cartão de oito pinos seja conectado usando dois módulos de conexão separados conectados na mesma bainha: um com seis pinos e outro com dois pinos. Cada conector PCI Express de 8 pinos pode produzir no máximo 150 W.
  • 12 pinos para placas gráficas PCI Express, cada conector PCI Express de 12 pinos pode produzir um máximo de 648 W (12V, 9A), 2 150 W 8 pinos podem ser combinados através de um cabo adaptador para formar um 648 W de 12 pinos.
  • 16 pinos (12VHPWR) para placas gráficas PCI Express, cada conector PCI Express de 16 pinos pode produzir um máximo de 662 W (12 V, 9,2 A), 12 pinos de alimentação, 4 pinos de contato. Introduzido no ATX 3.0.
  • Um conector IEC 60320 C14 com um cabo C13 apropriado é usado para conectar a fonte de alimentação à rede elétrica local.

Fontes de alimentação modulares[editar | editar código-fonte]

Uma fonte de alimentação semi modular à esquerda e uma fonte de alimentação não modular à direita
Outro exemplo e fonte de alimentação semi modular, onde nota-se na parte superior a própria fonte com alguns cabos saindo dela, e mais abaixo os adicionais que podem ser conectados para uso, sendo eles:
1 Cabo de alimentação PCI Expres 6+2
2 Cabos de alimentação Sata
E 1 cabo de alimentação Molex

Uma fonte de alimentação modular fornece um sistema de cabos destacável, oferecendo a capacidade de remover conexões não utilizadas às custas de uma pequena quantidade de resistência elétrica extra introduzida pelo conector adicional.[35] Isso reduz a desordem, elimina o risco de cabos pendurados interferirem em outros componentes e pode melhorar o fluxo de ar do gabinete. Muitos suprimentos semi-modulares têm alguns cabos multifios permanentes com conectores nas extremidades, como placa-mãe ATX e EPS de 8 pinos, embora os suprimentos mais recentes comercializados como "totalmente modulares" permitam que mesmo estes sejam desconectados. A pinagem dos cabos destacáveis ​​é padronizada apenas na extremidade de saída e não na extremidade que deve ser conectada à fonte de alimentação. Assim, os cabos de uma fonte de alimentação modular devem ser usados ​​apenas com este modelo específico de fonte de alimentação modular. O uso com outra fonte de alimentação modular, mesmo que o cabo prima facie pareça compatível, pode resultar em uma atribuição incorreta de pinos e, portanto, pode causar danos aos componentes conectados ao fornecer 12V a um pino de 5V ou 3,3V.[36]

Outros fatores de forma[editar | editar código-fonte]

A configuração de fator de forma pequeno com um conector de 12 V (SFX12V) foi otimizada para layouts de sistema de fator de forma pequeno (SFF), como microATX. O baixo perfil da fonte de alimentação se encaixa facilmente nesses sistemas.

A configuração Thin Form Factor com um conector de 12 V (TFX12V) foi otimizada para layouts de sistema Mini ITX e Mini DTX de perfil baixo e pequeno. O perfil longo e estreito da fonte de alimentação se encaixa facilmente em sistemas de baixo perfil. O posicionamento do ventilador de resfriamento pode ser usado para exaustão eficiente do ar do processador e da área central da placa-mãe, possibilitando sistemas menores e mais eficientes usando componentes comuns da indústria.[37]

A maioria dos computadores portáteis tem fontes de alimentação que fornecem de 25 a 200 W. Em computadores portáteis (como laptops), geralmente há uma fonte de alimentação externa (às vezes chamada de "tijolo de força" devido à sua semelhança, em tamanho, forma e peso, para um tijolo real) que converte a energia CA em uma tensão CC (mais comumente 19 V), e mais conversão CC-CC ocorre dentro do laptop para fornecer as várias tensões CC exigidas pelos outros componentes do computador portátil.

A fonte de alimentação externa pode enviar dados sobre si mesma (potência, corrente e voltagem) para o computador. Por exemplo, a fonte de alimentação original da Dell usa o protocolo 1-Wire para enviar dados por um terceiro fio para o laptop. O laptop então recusa um adaptador não correspondente.[38]

Alguns computadores usam uma fonte de alimentação de 12 V de tensão única. Todas as outras voltagens são geradas por módulos reguladores de voltagem na placa-mãe.[27]

Vida útil[editar | editar código-fonte]

A vida útil geralmente é especificada no tempo médio entre falhas (MTBF), onde classificações de MTBF mais altas indicam maior vida útil do dispositivo e melhor confiabilidade. O uso de componentes elétricos de qualidade mais alta a menos que suas classificações máximas ou o fornecimento de melhor resfriamento pode contribuir para uma classificação de MTBF mais alta, pois menor estresse e temperaturas operacionais mais baixas diminuem as taxas de falha dos componentes.[40]

Um valor estimado de MTBF de 100.000 horas (aproximadamente, 140 meses) a 25 °C e sob carga total é bastante comum.[41] Tal classificação prevê que, nas condições descritas, 77% das PSUs estarão operando sem falhas ao longo de três anos (36 meses); de forma equivalente, espera-se que 23% das unidades falhem dentro de três anos de operação. Para o mesmo exemplo, espera-se que apenas 37% das unidades (menos da metade) durem 100.000 horas sem falhar.[a] A fórmula para calcular a confiabilidade prevista, R(t), é

R(t) = e ttMTBF

onde t é o tempo de operação nas mesmas unidades de tempo que a especificação MTBF, e é 2,71828, e tMTBF é o valor MTBF conforme especificado por um fabricante.[42][43]

Fontes de alimentação para servidores, equipamentos de controle industrial ou outros locais onde a confiabilidade é importante podem ser trocadas a quente e podem incorporar redundância N +1 e fonte de alimentação ininterrupta; se forem necessárias N fontes de alimentação para atender ao requisito de carga, uma fonte extra é instalada para fornecer redundância e permitir que uma fonte de alimentação defeituosa seja substituída sem tempos de inatividade.[44]

Diagramas de fiação[editar | editar código-fonte]

Pinagem dos conectores de alimentação da placa-mãe ATX 2.x, 24 pinos (superior) e quatro pinos "P4" (inferior), conforme visto no lado correspondente dos plugues[45]
Plugue de alimentação da placa-mãe ATX de 24 pinos; os pinos 11, 12, 23 e 24 formam um plugue de quatro pinos separado destacável, tornando-o compatível com receptáculos ATX de 20 pinos

Teste[editar | editar código-fonte]

Um 'testador de fonte de alimentação' é uma ferramenta usada para testar a funcionalidade da fonte de alimentação de um computador. Os testadores podem confirmar a presença das tensões corretas em cada conector da fonte de alimentação. O teste sob carga é recomendado para leituras mais precisas.[47]

Monitoramento[editar | editar código-fonte]

A tensão da PSU pode ser monitorada pelo monitor do sistema da maioria das placas-mãe modernas.[49] Isso muitas vezes pode ser feito através de uma seção dentro do BIOS, ou, uma vez que um sistema operacional está rodando, através de um software de monitoramento de sistema como lm_sensors no Linux, envstat no NetBSD, sysctl hw.sensors no OpenBSD e DragonFly BSD, ou SpeedFan no Windows.

A maioria das ventoinhas da fonte de alimentação não está conectada ao sensor de velocidade na placa-mãe e, portanto, não pode ser monitorada, mas algumas PSU de ponta podem fornecer controle e monitoramento digital, e isso requer conexão com o sensor de velocidade da ventoinha ou porta USB na placa-mãe.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Notas

  1. Esta figura assume que as PSUs não atingiram a porção de maior taxa de falha da curva da banheira.

Referências

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  2. Edwin D. Reilly, Milestones in Computer Science and Information Technology, Greenwood Publishing Group, 2003 ISBN 1573565210, page 14
  3. «Apple Didn't Revolutionize Power Supplies». Consultado em 28 de outubro de 2022 
  4. Torres, Gabriel (15 de março de 2008). «How Much Power Can a Generic 500 W Power Supply Really Deliver?». Hardwaresecrets.com. Consultado em 28 de outubro de 2022. Arquivado do original em 11 de maio de 2008. Our generic 500 W power supply died when we tried pulling 275 W from it, so the maximum amount of power we could extract was 250 W – half the labeled amount! 
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Leitura adicional[editar | editar código-fonte]

Especificação de fonte de alimentação ATX[editar | editar código-fonte]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

Calculadora de fonte de alimentação de computador[editar | editar código-fonte]