下一代电源 ATX 3.0与ATX 12VO

OverLord

ATX诞生17年了！

ATX电源标准是在AT标准基础之上诞生的。1984年，IBM推出了AT标准，经过十年的发展，它的供电设计不足以满足电脑设备的需求，于是在1995年，英特尔制定推出了ATX标准。所谓ATX，全称是Advanced Technology Extended，这个标准准确的说是一个涵盖主板、机箱尺寸的规范，并且包括电源标准。

注意，这里我们说的ATX是ATX电源标准，主要是输出的电流标准，并非主板的板型规格，也不是电源的物理形态。诸如ATX、SFX/SFX-L（图2）以及Flex ATX（图3）都是电源的物理形态规格，并非电源标准，它们都是依托于ATX标准而生的，不可混为一谈。

相比之前的AT标准电源，ATX电源增加了+3.3V、PS-On和+5VSB，用以支持更多的设备连接。注意，这个时候的ATX其实和我们今天使用的ATX规格电源并不太一样，例如我们今天习以为常的CPU辅助供电、显卡供电以及SATA电源接口（图4），在最初的ATX标准上是没有的。

当然了，它的基本结构和我们今天的ATX电源还是基本一致的。例如20Pin主供电接口负责为主板供电（后增强至24Pin）（图5）.其次是4Pin D型接口，它是从AT电源标准延袭而来，提供+12V和+5V电源，为IDE设备、光驱和5.25英寸磁盘驱动器设备供电使用，现在最大的作用是为风扇或其他设备转接供电使用。另外早期的小4P电源已经消失不见，它提供+12V和+5V供电，负责为3.5英寸的磁盘驱动器供电使用。除此之外，最早的ATX电源标准还有一个附加的6PinAUX接口，提供额外的额外的+5V和3.3V电源供电，并可附加一个2Pin接口（图6），不过日常应用很少罢了。

ATX除了接口供电形式的变化，其实本质上的改进并不算多，尤其是供电效率上。而且，随着电脑各部件设备的功耗峰值越来越高，ATX电源时候作出改变了——24Pin的主供电接口中，只有2个端子提供12V供电电压，按照最高承受12A电流计算，24Pin的ATX供电接口最高也就只能提供12V 144W的功率（图7），这根本不足以应对CPU的峰值功耗（PL2瞬态功率），这也是为什么CPU要被设计一个辅助供电接口，所谓“缝缝补补又三年”就是如此。从ATX 1.0至今ATX历经16个版本的标准更新，到ATX 2.52标准后，英特尔在2019年推出了全新的一个ATX 12VO规范，正式开启了新的供电篇章（图8）。

ATX 12VO 为紧凑型电脑而生

ATX 12VO标准实际还是依托在ATX标准之上的，但是它的外形变化极大：主供电接口由24Pin改为10Pin，并且这个10Pin接口只有12V供电。对，没错，诸如3V、5V、5VSB、-5V统统取消，并且，除辅助供电外，其他外部设备供电接口全部取消（如SATA电源接口）（图9）。

不仅如此，它的待机电压从5 V 改成12V，现有主板上的待机电压，主要是应用在EC芯片（使用3.3V待机），PCH芯片（使用1.8V、1.05V待机），PS/2的键盘鼠标（使用5V待机）以及PCIe通道（使用3.3V待机）上，简言之不同部分之间使用不同电壓供电待机，对电源的转换有更高需求。

在AT X 12VO标准中，大一统的12V电压取代一切（图10），让供电电路、供电线缆、供电接口都变得更加简洁（图11）。显而易见的第一个好处是电源设计更为简化，不用繁杂的转换电路，电源成本更低。这个标准可以说更像是笔记本电脑的电源供电设计思路：电源供电，主板负责电压转换，通过各个PWM电路分别控制产生。

例如，笔记本的适配器大多是输出19V～20V电压（注：使用USB Typec-C接口的笔记本电源是5V供电，通过与笔记本主板的电源管理芯片“协商”后升压到20V），适配器插入笔记本以后，会经过保护隔离电路进入公共点，然后再通过公共点送往各个PWM电路上管D极，给各个PWM电路提供主供电，由PWM电源管理芯片控制产生各路供电。

也许有人会说这样的设计属于转嫁成本，主板的设计难度和维修成本会提高。实际不然，笔记本电脑很久以前就已经使用这种统一电压供电的方式，因此维修的难度并不会增加（笔记本电路维修和台式机主板电路维修一直不是一回事）;另一方面是成本转嫁问题，不要忘记，电源本身的价格会进一步降低，因此总拥有成本（电源+主板）并不会有什么变化。

当然了，除了10Pin的主供电接口，英特尔在ATX 12VO规范中还给主板设计了一个额外的6Pin供电接口（图12），直接使用目前PCIe供电接口规范，也就是三个12V输入端子，三个GND端子，它最高也能够提供288W的功率，联合10Pin就可以做到576W的供电输入。

使用ATX 12VO供电规范的电脑，体积必然会进一步缩小，外观的设计就会更加简洁。而且因为电源效率更高，它的供电节能特性将更为出色。

ATX 12VO更像是一个为轻量化桌面电脑设计的电源标准规范，但是，推广它的难度颇高。第一个问题在于“惯性”，从主板厂商到最终用户，彻底更换另一个模式成本颇高——新老标准下的各个部件互相之间无法平滑升级，只能全部更换;第二个问题在于ATX 12VO也不是针对ATX 2.x的替代品，因为，ATX 3.0来了，它才是ATX 2.x的真正后继者。AXT 12OV更像是补充市场需求（轻量化桌面电脑）。其实，早在英特尔推出ATX 12VO电源标准之前，戴尔和联想都推出过以12V供电为基础的特殊电源规格用于自家的小型化电脑产品，只不过这仅限于联想、戴尔，并没有形成统一的电源规范。

ATX 3.0规格 升级再升级

当大家以为未来一定是ATX 12VO的时候，英特尔又推出了ATX 3.0标准。ATX 3.0标准是在ATX 2.52标准之后的一个重大改进（ATX 12VO为另一个改进方向）。为什么有了ATX 12VO之后，英特尔还要“返回头”再升级ATX电源标准呢？其实，这从ATX 3.0最大的改进之一就可以看出端倪——ATX 3.0电、即显卡供电上。它主要是为了满足PCIe 5.0规范下的供电设计提出要求。

ATX 3.0规范主要的改进：

1. 新增12VHPPWR供电接口，为满足PCIe 5.0规范之显卡提供更为充沛的电力，供电功率可达150W、300W、450W、600W

2. 12VHPPWR接口的最大供电功率，必须在电源线接头上标注（图13）

3. 在ATX 3.0规范下，总电源功率超过450W（额度功率、非峰值功率），必须标配12VHPWR接口

4. 电源通过边带信号（Sideband Signal）向显卡报告供电能力，便于后者设定功耗极限

5. ATX 3.0規范下，硬性要求电源开关必须满足年17.52万次切换无损坏

6. ATX 3.0中规定10W或者2%最大标称功率下，效率不得低于60%，推荐不低于70%的电源效率（图14）

7. 峰值功率大幅度提升，规范要求在10%工作周期、100微秒时间内，电源需可承受200%的标称功率

8. 增加瞬间负载的电压转换速率，+12V电路要达到2倍～5倍

9. 12V电路最高实际可达12.2V，并允许更低的掉压波动

10. 放宽+12V电路负载调整率的限制，PCIe为-8%到+5%，其他接口为-7%到+5%

11. 调整开机加电信号速度，加快响应和缩短系统唤醒时间（图15）

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

13. 电源标签须包括T1、T3时序

14. 80PLUS之外新增Cybenetics认证

ATX 3.0 显卡的好助手

显然，更强大的PCIe供电能力是ATX3.0规范的核心改进，这也是ATX 12VO不具备的能力。可以说，这两个电源规范开始走向了两个不同的发展方向，其中，ATX3.0可以理解为“性能为先导”的电源规范，ATX 12OV则是以为更紧凑的电脑设计的。

近年来，显卡的性能越发强大，但是这一切是以更高功耗作为支撑换来的。PCIe4.0、PCIe 5.0的重要改进除了增加带宽之外，就是提高功耗，这就需要配套的电源能够为PCIe设备，或者说为显卡提供更高功率的供电能力。但是，在PCIe标准组织制定规范的时候，对功耗有着严格的要求，基本可以理解为“不可越雷池一步”，也就是有“功耗上限”，没有峰值功率这件事（图16）。但是，显卡在设计的时候为了能够更强、再强一点，会采取“超额取电”的方式来提升性能。一方面PCIe规范不支持“超额取电”，另一方面显卡又会“超额取电”，这个矛盾最终的体现就是在部分电脑的电源上，会因为“超额取电”触发电源的OCP过流保护机制（为防止这些开关稳压器由于过量电流而损坏），表现就是使用中突然断电。固然，这是电源对自身的一种保护机制，但是突然断电对电脑部件来说是极有杀伤力的事情，例如主板损毁、固态硬盘掉电后损坏等等。

到了PCIe 5.0规范，供电的需求拓展到了450W、600W（之前最高300W），这就意味着其对电源的功率要求进一步提高，而且幅度相当之大，相应的，它也需要更大的峰值功率来应对——否则，之前只是“有可能”突然断电造成电脑硬件损坏，变成“极有可能”突然断电造成电脑硬件损坏。也正因如此，英特尔在设计ATX 3.0电源标准的时候，对电源的额定功率及峰值功率都进行了改进，用来指导电源厂商如何应对PCIe 5.0规格显卡的功率要求（图17）。

如同笔者罗列的ATX 3.0规范第7条中所述，在ATX 3.0设计指南中，英特尔要求PCIe设备在峰值功耗的持续时间不超过100微秒的时候，其峰值功率允许达到TDP的3倍（图18），举例来说，一个显卡的TDP功耗为300W，在100微秒的时间内，新的ATX 3.0电源可以提供高达900W功率的（峰值）供电能力;如果峰值功率的持续时间超过1秒，那么它的峰值功耗就必须在TDP功率范围内，即300W;如果是介于1微秒至1秒之间，那么显卡可以获得的功率则与时长呈反比，持续的时间越长，允许的峰值功耗则越低。

可能有些读者会挠头，这让我以后如何选电源？以前不都是要看额度功率而不是峰值功率吗，难道现在要着重看电源的峰值功率作为选购的判断依据？当然不是，英特尔基于ATX 3.0 规范的电源标准下，对电源搭配的推荐也提出了自己的建议：在对于TDP不超过300W的PCIe设备（显卡），推荐搭配额定功率750W的电源;对于TDP不超过450W的PCIe设备（显卡），推荐搭配额定功率1000W的电源;对于TDP不超过600W的PCIe设备（显卡），搭配额定功率1200W的电源即可。所以，未来选购ATX 3.0电源的重点，依旧要以额定功率为主要参数指标。

CPU供电更有保障

ATX 3.0的核心要素就是增强供电能力，这不仅体现在对PCIe设备的供电支持上，对于CPU的供电需求，ATX 3.0也作出了新的调整。在ATX 3.0中，CPU的功耗需求分为四个档位，分别是35W、65W、125W和165W。注意，在新一代CPU上，已经不是TDP（ThermalDesign Power，热设计功耗）作为功耗参考，而是使用了更为贴切的PBP（Processor Base Power，处理器基础功耗），ATX 3.0对CPU功耗的设计也是参照PBP设计的。当然，像12代酷睿CPU除了PBP之外，還有一个MTP（Maximum Tubo Power，最大加速功耗）的功耗参考值（图19）。

小知识

TDP

在高复杂度工作负载下，所有内核都处于活动状态时，以基础频率工作处理器的平均耗能（发热）功率（以瓦特为单位），并以此为散热器设计的重要参考。

PBP

PBP功耗为一个单位时间内的平均功耗，CPU在制造过程中被验证为不能超过此值，验证时处理器在数据表中的SKU部分和配置中规定的基频和结点温度下执行英特尔指定的高复杂度工作负载。

MTP

MTP是指受电流或温度控制限制处理器的最大持续（>1s）功耗，瞬时功率可能在短时间内超过最大睿频功率（<=10ms）。注意：最大睿频功率由系统供应商配置，可以是特定于系统的。

ATX 3.0设计指南中，35W PBP功耗的CPU在+12V持续电流上，其硬性要求从13A降低到11A，但峰值电流需求从16A提升至19A;65WPBP功耗的CPU电源需要为+12V供电持续电流不得低于23A，峰值电流不低于30A;125W PBP功耗的CPU，电源为其提供的+12V供电持续电流需要在26A以上，峰值电流不低于34A;对于125W PBP的CPU，电源为其提供的+12V供电持续电流需要在26A以上，峰值电流不低于34A。注意，ATX 3.0电源规范对CPU的功耗设计冗余明显要宽泛许多，尤其是在峰值电流上，为CPU的MTP最大加速功耗提供了充沛的电力供应，这样便于释放CPU的最大性能;另一个特点在于，对于功耗较低的CPU，供电电流反而降低了——可以这样理解，现代CPU的功耗下限更低、但是绝对功耗可以更高，这样宽泛的供电对应着性能表现，即功耗性能比更大，并不是单纯的因为ATX 3.0供电设计规范或者说CPU功耗的绝对值提升导致耗电增加（仅针对CPU部分而言）。

当然，在进一步增强12V供电的同时，AT X 3.0和ATX 12VO最大的区别在于外部供电，相对于ATX12VO破釜沉舟式的精简（图20），ATX 3.0仍保留了用户与厂商习惯的输出方式，复杂但更灵活（图21）。

ATX 3.0：可配置电源？

ATX 3.0在设计上采取了更宽泛的设计思路，而且进一步提升了峰值功耗的上限值，但是作为配合，电压偏离的要求反而放宽了许多（图22）。例如在之前的AT X标准中，+12V电压输出时偏离度的要求在±5以内。在ATX 3.0中，考虑到峰值功耗提升后往往会伴随瞬态电压的下降，为了避免给电源生产设计制造商带来过大的制造难度（或者说成本因素），在新规范中+12V的输出电压偏离度放宽到了最高不超过+5%，最低不低于-7%的范围，也就是说，+12V的电压输出范围在ATX 3.0中可以是11.16V至12.6V之间;PCIe供电的+12V则允许最高不超过+5%，最低不低于-7%的范围，相当于11.04V至12.6V的范围内都可以。因此，与其说是“可配置电源”，到不如说ATX 3.0规范为降低部分电源设计难度提供了可能。

Cybenetics認证是什么？

在ATX 3.0中，还有一个不太起眼的新特性——Cybenetics认证（图23）。Cybenetics认证和80 Plus电源认证并不是替代关系，其实是竞争关系。Cybenetics认证不仅要关注电源转换效率、PF值，同时还对电源待机功耗和+5VSB输出的转换效率，以及电源运行噪音提出了要求。可以说，Cybenetics的认证范围更宽泛，要求也比80 Plus更严格，但毕竟是新标准，能否大规模普及，甚至取代80 Plus认证还未可知，但总算迈出了重要的一步：无疑它是更全面的电源认证。

Cybenetics认证分为两个部分，分别为ETA级别认证和LAMBDA级别认证两种，前者代表电源的转换效率（图23），后者则代表电源的噪音水平（图24）。

Cybenetics ETA认证标准：

ETA-A+：94%≤转换效率<97%，PF值0.985或以上，+5VSB转换效率>79%，待机功率<0.10W

ETA-A：91%≤转换效率<94%，PF值0.980或以上，+5VSB转换效率>77%，待机功率<0.15W

ETA-B：88%≤转换效率<91%，PF值0.970或以上，+5VSB转换效率>75%，待机功率<0.20W

ETA-C：85%≤转换效率<88%，PF值0.960或以上，+5VSB转换效率>73%，待机功率<0.23W

ETA-D：82%≤转换效率<85%，PF值0.950或以上，+5VSB转换效率>71%，待机功率<0.25W

Cybenetics LAMBDA认证标准：

LAMBDA-A++：噪音<20分贝

LAMBDA-A+：20分贝≤噪音<25分贝

LAMBDA-A：25分贝≤噪音<30分贝

LAMBDA-B：30分贝≤噪音<35分贝

LAMBDA-C：35分贝≤噪音<40分贝

LAMBDA-D：40分贝≤噪音<45分贝

LAMBDA-E：45分贝≤噪音

当然，无论是ATX 12VO还是ATX 3.0，两种电源规范都代表了电脑的不同发展方向，前者更注重小型化、高效能表现的电脑;后者则是更强大的供电设计思路，为高性能电脑而生。需要注意的是，这二者互不兼容（主板+电源各自形成一套体系），毕竟从接口就不同以往，更不用谈供电设计的核心思路都南辕北辙。