下一代電源　ATX 3.0與ATX 12VO

OverLord

ATX誕生17年了！

ATX電源標(biāo)準(zhǔn)是在AT標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上誕生的。1984年，IBM推出了AT標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過十年的發(fā)展，它的供電設(shè)計不足以滿足電腦設(shè)備的需求，于是在1995年，英特爾制定推出了ATX標(biāo)準(zhǔn)。所謂ATX，全稱是Advanced Technology Extended，這個標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確的說是一個涵蓋主板、機箱尺寸的規(guī)范，并且包括電源標(biāo)準(zhǔn)。

注意，這里我們說的ATX是ATX電源標(biāo)準(zhǔn)，主要是輸出的電流標(biāo)準(zhǔn)，并非主板的板型規(guī)格，也不是電源的物理形態(tài)。諸如ATX、SFX/SFX-L（圖2）以及Flex ATX（圖3）都是電源的物理形態(tài)規(guī)格，并非電源標(biāo)準(zhǔn)，它們都是依托于ATX標(biāo)準(zhǔn)而生的，不可混為一談。

相比之前的AT標(biāo)準(zhǔn)電源，ATX電源增加了+3.3V、PS-On和+5VSB，用以支持更多的設(shè)備連接。注意，這個時候的ATX其實和我們今天使用的ATX規(guī)格電源并不太一樣，例如我們今天習(xí)以為常的CPU輔助供電、顯卡供電以及SATA電源接口（圖4），在最初的ATX標(biāo)準(zhǔn)上是沒有的。

當(dāng)然了，它的基本結(jié)構(gòu)和我們今天的ATX電源還是基本一致的。例如20Pin主供電接口負(fù)責(zé)為主板供電（后增強至24Pin）（圖5）.其次是4Pin D型接口，它是從AT電源標(biāo)準(zhǔn)延襲而來，提供+12V和+5V電源，為IDE設(shè)備、光驅(qū)和5.25英寸磁盤驅(qū)動器設(shè)備供電使用，現(xiàn)在最大的作用是為風(fēng)扇或其他設(shè)備轉(zhuǎn)接供電使用。另外早期的小4P電源已經(jīng)消失不見，它提供+12V和+5V供電，負(fù)責(zé)為3.5英寸的磁盤驅(qū)動器供電使用。除此之外，最早的ATX電源標(biāo)準(zhǔn)還有一個附加的6PinAUX接口，提供額外的額外的+5V和3.3V電源供電，并可附加一個2Pin接口（圖6），不過日常應(yīng)用很少罷了。

ATX除了接口供電形式的變化，其實本質(zhì)上的改進并不算多，尤其是供電效率上。而且，隨著電腦各部件設(shè)備的功耗峰值越來越高，ATX電源時候作出改變了——24Pin的主供電接口中，只有2個端子提供12V供電電壓，按照最高承受12A電流計算，24Pin的ATX供電接口最高也就只能提供12V 144W的功率（圖7），這根本不足以應(yīng)對CPU的峰值功耗（PL2瞬態(tài)功率），這也是為什么CPU要被設(shè)計一個輔助供電接口，所謂“縫縫補補又三年”就是如此。從ATX 1.0至今ATX歷經(jīng)16個版本的標(biāo)準(zhǔn)更新，到ATX 2.52標(biāo)準(zhǔn)后，英特爾在2019年推出了全新的一個ATX 12VO規(guī)范，正式開啟了新的供電篇章（圖8）。

ATX 12VO 為緊湊型電腦而生

ATX 12VO標(biāo)準(zhǔn)實際還是依托在ATX標(biāo)準(zhǔn)之上的，但是它的外形變化極大：主供電接口由24Pin改為10Pin，并且這個10Pin接口只有12V供電。對，沒錯，諸如3V、5V、5VSB、-5V統(tǒng)統(tǒng)取消，并且，除輔助供電外，其他外部設(shè)備供電接口全部取消（如SATA電源接口）（圖9）。

不僅如此，它的待機電壓從5 V 改成12V，現(xiàn)有主板上的待機電壓，主要是應(yīng)用在EC芯片（使用3.3V待機），PCH芯片（使用1.8V、1.05V待機），PS/2的鍵盤鼠標(biāo)（使用5V待機）以及PCIe通道（使用3.3V待機）上，簡言之不同部分之間使用不同電壓供電待機，對電源的轉(zhuǎn)換有更高需求。

在AT X 12VO標(biāo)準(zhǔn)中，大一統(tǒng)的12V電壓取代一切（圖10），讓供電電路、供電線纜、供電接口都變得更加簡潔（圖11）。顯而易見的第一個好處是電源設(shè)計更為簡化，不用繁雜的轉(zhuǎn)換電路，電源成本更低。這個標(biāo)準(zhǔn)可以說更像是筆記本電腦的電源供電設(shè)計思路：電源供電，主板負(fù)責(zé)電壓轉(zhuǎn)換，通過各個PWM電路分別控制產(chǎn)生。

例如，筆記本的適配器大多是輸出19V～20V電壓（注：使用USB Typec-C接口的筆記本電源是5V供電，通過與筆記本主板的電源管理芯片“協(xié)商”后升壓到20V），適配器插入筆記本以后，會經(jīng)過保護隔離電路進入公共點，然后再通過公共點送往各個PWM電路上管D極，給各個PWM電路提供主供電，由PWM電源管理芯片控制產(chǎn)生各路供電。

也許有人會說這樣的設(shè)計屬于轉(zhuǎn)嫁成本，主板的設(shè)計難度和維修成本會提高。實際不然，筆記本電腦很久以前就已經(jīng)使用這種統(tǒng)一電壓供電的方式，因此維修的難度并不會增加（筆記本電路維修和臺式機主板電路維修一直不是一回事）;另一方面是成本轉(zhuǎn)嫁問題，不要忘記，電源本身的價格會進一步降低，因此總擁有成本（電源+主板）并不會有什么變化。

當(dāng)然了，除了10Pin的主供電接口，英特爾在ATX 12VO規(guī)范中還給主板設(shè)計了一個額外的6Pin供電接口（圖12），直接使用目前PCIe供電接口規(guī)范，也就是三個12V輸入端子，三個GND端子，它最高也能夠提供288W的功率，聯(lián)合10Pin就可以做到576W的供電輸入。

使用ATX 12VO供電規(guī)范的電腦，體積必然會進一步縮小，外觀的設(shè)計就會更加簡潔。而且因為電源效率更高，它的供電節(jié)能特性將更為出色。

ATX 12VO更像是一個為輕量化桌面電腦設(shè)計的電源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是，推廣它的難度頗高。第一個問題在于“慣性”，從主板廠商到最終用戶，徹底更換另一個模式成本頗高——新老標(biāo)準(zhǔn)下的各個部件互相之間無法平滑升級，只能全部更換;第二個問題在于ATX 12VO也不是針對ATX 2.x的替代品，因為，ATX 3.0來了，它才是ATX 2.x的真正后繼者。AXT 12OV更像是補充市場需求（輕量化桌面電腦）。其實，早在英特爾推出ATX 12VO電源標(biāo)準(zhǔn)之前，戴爾和聯(lián)想都推出過以12V供電為基礎(chǔ)的特殊電源規(guī)格用于自家的小型化電腦產(chǎn)品，只不過這僅限于聯(lián)想、戴爾，并沒有形成統(tǒng)一的電源規(guī)范。

ATX 3.0規(guī)格 升級再升級

當(dāng)大家以為未來一定是ATX 12VO的時候，英特爾又推出了ATX 3.0標(biāo)準(zhǔn)。ATX 3.0標(biāo)準(zhǔn)是在ATX 2.52標(biāo)準(zhǔn)之后的一個重大改進（ATX 12VO為另一個改進方向）。為什么有了ATX 12VO之后，英特爾還要“返回頭”再升級ATX電源標(biāo)準(zhǔn)呢？其實，這從ATX 3.0最大的改進之一就可以看出端倪——ATX 3.0電、即顯卡供電上。它主要是為了滿足PCIe 5.0規(guī)范下的供電設(shè)計提出要求。

ATX 3.0規(guī)范主要的改進：

1. 新增12VHPPWR供電接口，為滿足PCIe 5.0規(guī)范之顯卡提供更為充沛的電力，供電功率可達150W、300W、450W、600W

2. 12VHPPWR接口的最大供電功率，必須在電源線接頭上標(biāo)注（圖13）

3. 在ATX 3.0規(guī)范下，總電源功率超過450W（額度功率、非峰值功率），必須標(biāo)配12VHPWR接口

4. 電源通過邊帶信號（Sideband Signal）向顯卡報告供電能力，便于后者設(shè)定功耗極限

5. ATX 3.0規(guī)范下，硬性要求電源開關(guān)必須滿足年17.52萬次切換無損壞

6. ATX 3.0中規(guī)定10W或者2%最大標(biāo)稱功率下，效率不得低于60%，推薦不低于70%的電源效率（圖14）

7. 峰值功率大幅度提升，規(guī)范要求在10%工作周期、100微秒時間內(nèi)，電源需可承受200%的標(biāo)稱功率

8. 增加瞬間負(fù)載的電壓轉(zhuǎn)換速率，+12V電路要達到2倍～5倍

9. 12V電路最高實際可達12.2V，并允許更低的掉壓波動

10. 放寬+12V電路負(fù)載調(diào)整率的限制，PCIe為-8%到+5%，其他接口為-7%到+5%

11. 調(diào)整開機加電信號速度，加快響應(yīng)和縮短系統(tǒng)喚醒時間（圖15）

12. 新增替換低功耗模式（Alternative Low Power Mode/ALPM）

13. 電源標(biāo)簽須包括T1、T3時序

14. 80PLUS之外新增Cybenetics認(rèn)證

ATX 3.0 顯卡的好助手

顯然，更強大的PCIe供電能力是ATX3.0規(guī)范的核心改進，這也是ATX 12VO不具備的能力。可以說，這兩個電源規(guī)范開始走向了兩個不同的發(fā)展方向，其中，ATX3.0可以理解為“性能為先導(dǎo)”的電源規(guī)范，ATX 12OV則是以為更緊湊的電腦設(shè)計的。

近年來，顯卡的性能越發(fā)強大，但是這一切是以更高功耗作為支撐換來的。PCIe4.0、PCIe 5.0的重要改進除了增加帶寬之外，就是提高功耗，這就需要配套的電源能夠為PCIe設(shè)備，或者說為顯卡提供更高功率的供電能力。但是，在PCIe標(biāo)準(zhǔn)組織制定規(guī)范的時候，對功耗有著嚴(yán)格的要求，基本可以理解為“不可越雷池一步”，也就是有“功耗上限”，沒有峰值功率這件事（圖16）。但是，顯卡在設(shè)計的時候為了能夠更強、再強一點，會采取“超額取電”的方式來提升性能。一方面PCIe規(guī)范不支持“超額取電”，另一方面顯卡又會“超額取電”，這個矛盾最終的體現(xiàn)就是在部分電腦的電源上，會因為“超額取電”觸發(fā)電源的OCP過流保護機制（為防止這些開關(guān)穩(wěn)壓器由于過量電流而損壞），表現(xiàn)就是使用中突然斷電。固然，這是電源對自身的一種保護機制，但是突然斷電對電腦部件來說是極有殺傷力的事情，例如主板損毀、固態(tài)硬盤掉電后損壞等等。

到了PCIe 5.0規(guī)范，供電的需求拓展到了450W、600W（之前最高300W），這就意味著其對電源的功率要求進一步提高，而且幅度相當(dāng)之大，相應(yīng)的，它也需要更大的峰值功率來應(yīng)對——否則，之前只是“有可能”突然斷電造成電腦硬件損壞，變成“極有可能”突然斷電造成電腦硬件損壞。也正因如此，英特爾在設(shè)計ATX 3.0電源標(biāo)準(zhǔn)的時候，對電源的額定功率及峰值功率都進行了改進，用來指導(dǎo)電源廠商如何應(yīng)對PCIe 5.0規(guī)格顯卡的功率要求（圖17）。

如同筆者羅列的ATX 3.0規(guī)范第7條中所述，在ATX 3.0設(shè)計指南中，英特爾要求PCIe設(shè)備在峰值功耗的持續(xù)時間不超過100微秒的時候，其峰值功率允許達到TDP的3倍（圖18），舉例來說，一個顯卡的TDP功耗為300W，在100微秒的時間內(nèi)，新的ATX 3.0電源可以提供高達900W功率的（峰值）供電能力;如果峰值功率的持續(xù)時間超過1秒，那么它的峰值功耗就必須在TDP功率范圍內(nèi)，即300W;如果是介于1微秒至1秒之間，那么顯卡可以獲得的功率則與時長呈反比，持續(xù)的時間越長，允許的峰值功耗則越低。

可能有些讀者會撓頭，這讓我以后如何選電源？以前不都是要看額度功率而不是峰值功率嗎，難道現(xiàn)在要著重看電源的峰值功率作為選購的判斷依據(jù)？當(dāng)然不是，英特爾基于ATX 3.0 規(guī)范的電源標(biāo)準(zhǔn)下，對電源搭配的推薦也提出了自己的建議：在對于TDP不超過300W的PCIe設(shè)備（顯卡），推薦搭配額定功率750W的電源;對于TDP不超過450W的PCIe設(shè)備（顯卡），推薦搭配額定功率1000W的電源;對于TDP不超過600W的PCIe設(shè)備（顯卡），搭配額定功率1200W的電源即可。所以，未來選購ATX 3.0電源的重點，依舊要以額定功率為主要參數(shù)指標(biāo)。

CPU供電更有保障

ATX 3.0的核心要素就是增強供電能力，這不僅體現(xiàn)在對PCIe設(shè)備的供電支持上，對于CPU的供電需求，ATX 3.0也作出了新的調(diào)整。在ATX 3.0中，CPU的功耗需求分為四個檔位，分別是35W、65W、125W和165W。注意，在新一代CPU上，已經(jīng)不是TDP（ThermalDesign Power，熱設(shè)計功耗）作為功耗參考，而是使用了更為貼切的PBP（Processor Base Power，處理器基礎(chǔ)功耗），ATX 3.0對CPU功耗的設(shè)計也是參照PBP設(shè)計的。當(dāng)然，像12代酷睿CPU除了PBP之外，還有一個MTP（Maximum Tubo Power，最大加速功耗）的功耗參考值（圖19）。

小知識

TDP

在高復(fù)雜度工作負(fù)載下，所有內(nèi)核都處于活動狀態(tài)時，以基礎(chǔ)頻率工作處理器的平均耗能（發(fā)熱）功率（以瓦特為單位），并以此為散熱器設(shè)計的重要參考。

PBP

PBP功耗為一個單位時間內(nèi)的平均功耗，CPU在制造過程中被驗證為不能超過此值，驗證時處理器在數(shù)據(jù)表中的SKU部分和配置中規(guī)定的基頻和結(jié)點溫度下執(zhí)行英特爾指定的高復(fù)雜度工作負(fù)載。

MTP

MTP是指受電流或溫度控制限制處理器的最大持續(xù)（>1s）功耗，瞬時功率可能在短時間內(nèi)超過最大睿頻功率（<=10ms）。注意：最大睿頻功率由系統(tǒng)供應(yīng)商配置，可以是特定于系統(tǒng)的。

ATX 3.0設(shè)計指南中，35W PBP功耗的CPU在+12V持續(xù)電流上，其硬性要求從13A降低到11A，但峰值電流需求從16A提升至19A;65WPBP功耗的CPU電源需要為+12V供電持續(xù)電流不得低于23A，峰值電流不低于30A;125W PBP功耗的CPU，電源為其提供的+12V供電持續(xù)電流需要在26A以上，峰值電流不低于34A;對于125W PBP的CPU，電源為其提供的+12V供電持續(xù)電流需要在26A以上，峰值電流不低于34A。注意，ATX 3.0電源規(guī)范對CPU的功耗設(shè)計冗余明顯要寬泛許多，尤其是在峰值電流上，為CPU的MTP最大加速功耗提供了充沛的電力供應(yīng)，這樣便于釋放CPU的最大性能;另一個特點在于，對于功耗較低的CPU，供電電流反而降低了——可以這樣理解，現(xiàn)代CPU的功耗下限更低、但是絕對功耗可以更高，這樣寬泛的供電對應(yīng)著性能表現(xiàn)，即功耗性能比更大，并不是單純的因為ATX 3.0供電設(shè)計規(guī)范或者說CPU功耗的絕對值提升導(dǎo)致耗電增加（僅針對CPU部分而言）。

當(dāng)然，在進一步增強12V供電的同時，AT X 3.0和ATX 12VO最大的區(qū)別在于外部供電，相對于ATX12VO破釜沉舟式的精簡（圖20），ATX 3.0仍保留了用戶與廠商習(xí)慣的輸出方式，復(fù)雜但更靈活（圖21）。

ATX 3.0：可配置電源？

ATX 3.0在設(shè)計上采取了更寬泛的設(shè)計思路，而且進一步提升了峰值功耗的上限值，但是作為配合，電壓偏離的要求反而放寬了許多（圖22）。例如在之前的AT X標(biāo)準(zhǔn)中，+12V電壓輸出時偏離度的要求在±5以內(nèi)。在ATX 3.0中，考慮到峰值功耗提升后往往會伴隨瞬態(tài)電壓的下降，為了避免給電源生產(chǎn)設(shè)計制造商帶來過大的制造難度（或者說成本因素），在新規(guī)范中+12V的輸出電壓偏離度放寬到了最高不超過+5%，最低不低于-7%的范圍，也就是說，+12V的電壓輸出范圍在ATX 3.0中可以是11.16V至12.6V之間;PCIe供電的+12V則允許最高不超過+5%，最低不低于-7%的范圍，相當(dāng)于11.04V至12.6V的范圍內(nèi)都可以。因此，與其說是“可配置電源”，到不如說ATX 3.0規(guī)范為降低部分電源設(shè)計難度提供了可能。

Cybenetics認(rèn)證是什么？

在ATX 3.0中，還有一個不太起眼的新特性——Cybenetics認(rèn)證（圖23）。Cybenetics認(rèn)證和80 Plus電源認(rèn)證并不是替代關(guān)系，其實是競爭關(guān)系。Cybenetics認(rèn)證不僅要關(guān)注電源轉(zhuǎn)換效率、PF值，同時還對電源待機功耗和+5VSB輸出的轉(zhuǎn)換效率，以及電源運行噪音提出了要求。可以說，Cybenetics的認(rèn)證范圍更寬泛，要求也比80 Plus更嚴(yán)格，但畢竟是新標(biāo)準(zhǔn)，能否大規(guī)模普及，甚至取代80 Plus認(rèn)證還未可知，但總算邁出了重要的一步：無疑它是更全面的電源認(rèn)證。

Cybenetics認(rèn)證分為兩個部分，分別為ETA級別認(rèn)證和LAMBDA級別認(rèn)證兩種，前者代表電源的轉(zhuǎn)換效率（圖23），后者則代表電源的噪音水平（圖24）。

Cybenetics ETA認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)：

ETA-A+：94%≤轉(zhuǎn)換效率<97%，PF值0.985或以上，+5VSB轉(zhuǎn)換效率>79%，待機功率<0.10W

ETA-A：91%≤轉(zhuǎn)換效率<94%，PF值0.980或以上，+5VSB轉(zhuǎn)換效率>77%，待機功率<0.15W

ETA-B：88%≤轉(zhuǎn)換效率<91%，PF值0.970或以上，+5VSB轉(zhuǎn)換效率>75%，待機功率<0.20W

ETA-C：85%≤轉(zhuǎn)換效率<88%，PF值0.960或以上，+5VSB轉(zhuǎn)換效率>73%，待機功率<0.23W

ETA-D：82%≤轉(zhuǎn)換效率<85%，PF值0.950或以上，+5VSB轉(zhuǎn)換效率>71%，待機功率<0.25W

Cybenetics LAMBDA認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)：

LAMBDA-A++：噪音<20分貝

LAMBDA-A+：20分貝≤噪音<25分貝

LAMBDA-A：25分貝≤噪音<30分貝

LAMBDA-B：30分貝≤噪音<35分貝

LAMBDA-C：35分貝≤噪音<40分貝

LAMBDA-D：40分貝≤噪音<45分貝

LAMBDA-E：45分貝≤噪音

當(dāng)然，無論是ATX 12VO還是ATX 3.0，兩種電源規(guī)范都代表了電腦的不同發(fā)展方向，前者更注重小型化、高效能表現(xiàn)的電腦;后者則是更強大的供電設(shè)計思路，為高性能電腦而生。需要注意的是，這二者互不兼容（主板+電源各自形成一套體系），畢竟從接口就不同以往，更不用談供電設(shè)計的核心思路都南轅北轍。