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

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.

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 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,Edwin D. Reilly, Milestones in Computer Science and Information Technology, Greenwood Publishing Group, 2003 , page 14 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 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

Padrão IBM PC, XT e AT original 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

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 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.