هر آنچه باید درباره‌ی منبع تغذیه کامپیوتر بدانید

هر کامپیوتر شخصی رومیزی، کنسول بازی یا لپ‌تاپ، مجهز به یک قطعه‌ی مشترک است. این قطعه تأثیری در افزایش نرخ فریم بازی شما یا برداشت رمزارز در فرایندهای استخراج ندارد. به‌علاوه از میلیاردها ترانزیستور در آن استفاده نمی‌شود و همچنین از آخرین روش تولید نانومتری نیمه‌هادی بهره نمی‌برد. در نگاه اول ظاهرا با دستگاهی ساده و خسته‌کننده روبه‌رو هستیم. البته تصور اولیه قطعا صحیح نیست و قطعه‌ی ظاهرا ساده‌ی مذکور، نقشی حیاتی در دستگاه‌های پردازشی دارد. درواقع بدون استفاده از آن، هیچ کامپیوتری توانایی فعالیت ندارد.

واحدهای تأمین برق (PSU) هیچ‌گاه به‌اندازه‌ی پردازنده‌های مرکزی خبرساز نیستند، اما از لحاظ فناوری جزئیات و جذابیت‌های زیادی دارند. در ادامه‌‌ی این مطلب زومیت، ساختار داخلی PSU را بررسی می‌کنیم. بررسی قطعات داخلی و نحوه‌ی فعالیت آن‌ها، نکات جالبی را درباره‌ی قطعه‌ی کمتر شناخته‌شده‌ی دنیای پردازش و وظایف آن نمایان می‌کند.

بسیاری از قطعات کامپیوتر، نام‌‌هایی دارند که برای درک فعالیت آن‌ها نیاز به تفسیر و دانش فنی داریم (مثلا درایو حالت جامد یا SSD). در مورد منبع تغذیه، چنین تفسیری صحیح نیست و با شنیدن نام آن، می‌دانیم که با واحدی با وظیفه‌ی تأمین نیروی برق روبه‌رو هستیم.

برای بررسی بهتر آناتومی داخلی منبع تغذیه، هیچ کاری بهتر از تجزیه‌ی یک نمونه‌ی موجود و قطعات داخل آن نیست. برای این مطلب، یک منبع تغذیه‌ی Cooler Master G650M مورد بررسی قرار گرفت که طراحی کاملا عادی و مرسوم دارد. مشخصات منبع مذکور نیست با اکثر محصولات عادی بدنه‌ی بازار یکسان است. البته PSU کولرمستر قابلیتی خاص دارد که آن را از رقبا متمایز می‌کند.

منبع تغذیه‌ی مورد بررسی برای مطلب حاضر، از فرم فاکنور ATX 12V v2..31 بهره می‌برد. درنتیجه در دسته‌ی محصولات عادی قرار می‌گیرد و قابل جانمایی در اکثر کامپیوترهای شخصی امروزی است.

منابع تغذیه فرم فاکتورهای متنوعی دارند که شامل ابعاد کوچک‌تر یا طراحی‌های خاص برای تجهیزات متنوع می‌شوند. ازطرفی همه‌ی محصولات از ابعاد استاندارد صنعتی پیروی نمی‌کنند. به‌عنوان مثال شاید منبع تغذیه‌ای با طول و عرض برابر با نمونه‌ی دیگر ولی با ضخامت متفاوت در یک استاندارد مشابه پیدا کنید.

نام‌گذاری و برچسب‌گذاری منابع تغذیه عموما باتوجه به حداکثر توان آن‌ها در تأمین برق انجام می‌شود. به‌عنوان مثال نمونه‌ی مورد بررسی در این مقاله توانایی تأمین حداکثر برق ۶۵۰ وات دارد. در ادامه معنای همین حداکثر برق تأمینی را هم بررسی می‌کنیم. منابع تغذیه با توان تأمین برق پایین‌تر هم در بازار وجود دارند و لزوما نیازی به خرید منابع با قدرت بالا برای همه‌ی کاربردها نیست. قطعات مرسوم در بازار توان تأمین برق بین ۴۰۰ تا ۶۰۰ وات دارند.

منابع تغذیه‌ی بزرگ و حرفه‌ای عموما در جعبه‌های فلزی قرار دارند که آن‌ها را سنگین می‌کند

منابع تغذیه مانند نمونه‌ی کولر مستر در مقاله‌ی حاضر، عموما در جعبه‌های فلزی قرار می‌گیرند که در طراحی‌های متنوع فلز بدون رنگ یا سیاه‌رنگ عرضه می‌شوند. همین جعبه‌ی فلزی، وزن PSU را نیز افزایش می‌دهد. لپ‌تاپ‌ها تقریبا همیشه یک منبع تغذیه دارند که به‌صورت خارجی در کنار دستگاه قرار می‌گیرد و اغلب جنس پلاستیکی دارد. البته ساختار داخلی منبع تغذیه‌ی لپ‌تاپ، تفاوت زیادی با نمونه‌ی مذکور ندارد.

اکثر منابع تغذیه که در کامپیوترهای شخصی رومیزی مجهز به یک کلید قطع و وصل جریان اصلی برق و یک فن برای خنک‌ کردن قطعات هستند. البته برخی از آن‌ها شاید بدون این قطعات عرضه شوند. به‌علاوه همه‌ی آن‌ها هم لزوما در جعبه‌های فلزی با سوراخ‌های متعدد عرضه نمی‌شوند. برای تولید نمونه‌های موجود در سرورها به‌ندرت از جعبه‌های فلزی استفاده می‌شود.

پس از بازکردن جعبه‌‌ی فلزی منبع تغذیه، با قطعاتی مهم و جذاب در آن روبه‌رو می‌شویم که در ادامه توضیح می‌دهیم.

پیش از بررسی قطعات داخلی منبع تغذیه، بررسی دلایل به‌کارگیری آن در کامپیوترها اهمیت بیشتری دارد. تاکنون از خود پرسیده‌اید که چرا کامپیوتر را مستقیما به برق شهری وصل نمی‌کنیم؟ درواقع نیاز قطعات موجود در کامپیوترهای شخصی مدرن به برق، با نوعی از برق که از سمت پریزهای شهری تأمین می‌شود، تفاوت دارد.

نمودار زیر، ساختار متداول برق شبکه‌ی اصلی را نشان می‌دهد. بردار X زمان را در میلی‌ثانیه و بردار Y، ولتاژ را در واحد ولت نشان می‌دهد. برای تعریف ولتاژ نیز تنها آن را تفاوت انرژی بین دو نقطه تصور کنید.

اگر ولتاژ به یک ماده‌ی رسانا اعمال شود (مثلا سیم فلزی)، تفاوت سطح انرژی باعث حرکت الکترون‌های درون ماده از سطح بالاتر به سطح پایین‌تر می‌شود. همان‌طور که می‌دانید، الکترون‌ها یکی از اجزاء تشکیل‌دهنده‌ی اتم هستند و فلزها نیز تعداد زیادی الکترون آزاد دارند. جریان الکتران به‌نام شدت جریان در مفاهیم الکتریسیته شناخته شده و با واحد آمپر اندازه‌گیری می‌شود.

برای تشبیه و تعریف بهتر جریان الکتریسیته می‌توان آن را به‌صورت جریان آب در یک شیلنگ تشبیه کرد. ولتاژ با فشار اعمال‌شده در شیلنگ و نرخ جریان آب، با شدت جریان برق هم‌سان می‌شود. هرگونه مانع در مسیر شیلنگ را نیز می‌توان با مقاومت الکتریکی هم‌سان دانست.

نمودار بالا نشان می‌دهد که جریان برق شهری با گذشت زمان تغییر می‌کند و به‌همین دلیل آن را جریات برق متناوب یا AC می‌نامند. تناوب جریان برق شهری در مناطق گوناگون جهان با هم تفاوت دارد. در برخی منطق جریان ۶۰ بار در ثانیه تغییر می‌کند و به حداکثر ۳۴۰ یا ۱۷۰ ولت می‌رسد، درحالیکه در مناطق دیگر شاهد جریان برق ۱۲۰ یا ۲۴۰ ولت هستیم.

نیاز به منبع تغذیه در کامپیوترهای شخصی، از طبیعت متناوب برق شهری سرچشمه می‌گیرد. درواقع کامپیوترها به ولتاژ ثابت نیاز دارند که هیچ‌گاه در زمان فعالیت، تغییر نکند. به‌علاوه شدت جریان باید در سطح بسیار پایین‌تری باشد. درواقع نمودار جریان برق مورد نیاز کامپیوتر مانند تصویر زیر است.

نیاز یک کامپیوتر شخصی به جریان برق، یک ولتاژ ثابت نیست. البته تفاوت جریان مورد نیاز آن‌ها آن‌چنانکم است که به‌سختی دیده می‌شود. کامپیوتر شخصی به ولتاژها‌ی ۱۲- و ۱۲+ و همچنین جریان‌های کوچک‌تر ۵+ و ۳/۳+ نیاز دارد. از آن‌جایی که اعداد مذکور، ثابت هستند، جریان جدید را جریان مستقیم یا DC می‌نامند. درنهایت یکی از وظایف اصلی منبع تغذیه، در تبدیل جریان AC به DC‌ دیده می‌شود.

پس از درک اولیه درباره‌ی دلیل استفاده از منبع تغذیه در کامپیوتر شخصی، نوبت به بررسی قطعات داخلی می‌رسد. پس از بازکردن جعبه‌ی محافظ، با نمایی شبیه به تصویر زیر روبه‌رو می‌شوید. اگر آشنایی کافی با فرایندهای تخصصی سخت‌افزاری و الکتریسته ندارید، از بازکردن منبع تغذیه و دست‌کاری قطعات آن پرهیز کنید. بسیاری از قطعات داخلی، الکتریسیته را ذخیره می‌کنند که در برخی موارد، بسیار زیاد و خطرناک است.

همان‌طور که گفته شد منابع تغذیه ساختار و الگوی داخلی مشابهی دارند. اگرچه مدل و شرکت سازنده‌ی قطعات داخلی با هم تفاوت دارد، اما باز هم با ساختاری مشابه در PSUهای گوناگون روبه‌رو خواهید بود. اتصال اصلی برق شهری به منبع تغذیه، در بالا و سمت چپ تصویر بالا دیده می‌شود. جریان برق به‌صورت ساعت‌گرد در تصویر بالا حرکت می‌کند و از خروجی منبع تغذیه در پایین و سمت چپ تصویر (سیم‌های رنگی) خارج می‌شود.

با نگاهی به پشت برد اصلی منبع تغذیه، متوجه تفاوت بزرگ آن با اتصال‌های موجود در مادربرد می‌شویم. اتصال‌های الکترونیکی در برد PSU، عمیق‌تر و گسترده‌تر هستند و به‌نوعی برای عبور جریان بیشتر طراحی شده‌اند. نکته‌ی کاملا مشهود در طراحی برد جریانی، فاصله‌ی خالی بوده که در ظاهر دو بخش مجزا را در برد ایجاد کرده است.

وجود دو بخش مجزا در اتصال‌های برد منبع تغذیه نشان می‌دهد که این تجهیز لزوما به دسته‌بندی متمایز نیاز دارد که به‌صورت اولیه و ثانیه شناخته می‌شوند. بخش اول وظیفه‌ی تنظیم اولیه‌ی ولتاژ ورودی را برعهده دارد تا بتوان ولتاژ را با بازدهی بالا، از ورودی شهری تغییر داد. بخش ثانویه یا دوم، فعالیت‌های تغییر و فرایندهای بعدی را مدیریت می‌کند.

فعالیت اصلی PSU روی جریان برق شهری تنها تغییر آن از AC به DC یا کاهش ولتاژ نیست. درواقع، منبع تغذیه، ولتاژ ورودی را هموار می‌کند. از آن‌جایی که تجهیزات برقی متعددی در خانه‌ها، دفاتر کاری و محیط‌های کسب‌وکار به برق شهری متصل هستند، فعالیت آن‌ها موجب ایجاد نوسان در جریان می‌شود. تجهیزات برقی مدام خاموش و روشن می‌شوند و سیگنال‌های الکترومغناطیسی از خود ساطع می‌کنند. نوسان در جریان ورودی نه‌تنها هماهنگ کردن جریان شهری را دشوار می‌کند، احتمالا به قطعات داخلی PSU نیز آسیب می‌رساند.

منبع تغذیه‌ی مورد بررسی در مقاله‌ی حاضر، از دو مرحله فیلتر گذار بهره می‌برد. فیلتر اول، روی سوکت ورودی اعمال می‌شود و از سه خازن برای فیلتر کردن بهره می‌برد. درواقع می‌توان سه خازن را سرعت‌گیرهایی برای تغییرات ناکهانی در ولتاژ ورودی دانست. مرحله‌ی دوم فیلتر کردن پیچیدگی بیشتری دارد، اما تقریبا همان عملیات را انجام می‌دهد.

وظیفه‌ی اصلی منبع تغذیه، تبدیل نوع جریان و کاهش ولتاژ برق است

بلوک‌های زردی که در تصاویر می‌بینید، خازن بوده و حلقه‌های سبز پوشیده شده با سیم‌‌های مسی، القاگر هستند (البته وقتی از القاگرها به‌ این صورت استفاده شود، با اصطلاح مسدودکننده (Choke) شناخته می‌شوند). القاگرها، انرژی الکتریکی را در میدان مغناطیسی نگه‌داری می‌کنند، اما همین فیلد، ولتاژ تأمین‌کننده‌ی انرژی را به عقب می‌راند. درنهایت تغییر شدید ولتاژ، باعث می‌شود تا میدان مغناطیسی با فشار معکوس، با آن مقابله کند.

دو دیسک کوچکی که در تصویر می‌بینید هم خازن هستند و در زیر آن‌ها (که در یک پوشش پلاستیکی سیاه قرار دارد) وریستور اکسید فلز (MOV) نام دارد. این قطعات هم به ایجاد نوسان‌های مقابله‌ای در برابر ولتاژ ورودی کمک می‌کنند. برای درک بهتر تفاوت بین مدارهای فیلتر جریان، این لینک را مطالعه کنید.

بخش فیلتر جریان عمومی بیشترین اقدام‌ها را با هدف کاهش هزینه مشاهده می‌کند. منابع تغذیه‌ی ارزان‌تر از فیلترینگ کمتر بهره می‌برند و ارزان‌ترین نمونه‌ها هیچ بخش فیلترسازی ندارند که درنهایت آن‌ها را به نمونه‌هایی نه‌چندان مناسب تبدیل می‌کند.

همان‌طور که گفتیم وظیفه‌ی اصلی منبع تغذیه در تغییر ولتاژ AC بیش از ۱۲۰ ولت به ولتاژ DC به‌مقدار ۱۲ و پنج و ۳/۳ ولت تعریف می‌شود. در جریان این تغییر، ابتدا ولتاژ AC به DC تغییر می‌یابد. منبع تغذیه‌ی کولر مستر از قطعه‌ای به‌نام یکسوکننده‌ استفاده می‌کند. در تصور زیر، یکسوکننده همان قطع‌ی سیاهی است که به قطعه‌ی فلزی دیگر (هیت‌سینک) چسبیده است.

یکسوکننده یکی از اهداف مرسوم تولیدکننده‌ها در کاهش هزینه‌ها محسوب می‌شود. قطعات ارزان‌تر، فعالیت ضعیفی در تبدیل ولتاژ دارند و برخی اوقات گرمای بیشتری تولید می‌کنند. به‌هرحال پس از ورود ولتاژ AC مثلا ۱۷۰ ولتی (که حداکثر ولتاژ برق شهری ۱۲۰ ولت است) به یکسوکننده، شاهد خروج ولتاژ DC به همان مقدار خواهیم بود.

پس از تبدیل ولتاژ به DC، نوبت به کاهش آن می‌رسد. قطعه‌ی بعدی در نمونه‌ی موجود، active power factor correction converter یا APFC نام دارد. مدار موجود، جریان الکتریکی را در واحد تنظیم می‌کند. درواقع به‌خاطر اینکه مدار شامل قطعات متعدد با رویکرد نگه‌داری و رها کردن انرژی در رویکردهای پیچیده می‌شود، شاید قدرت خروجی نهایی کمتر از مقدار مورد نیاز باشد؛ درنتیجه به تنظیم‌گری نیاز دارد.

منابع تغذیه‌ی مرسوم به‌جای APFC از مبدل‌های پسیو استفاده می‌کنند که البته عملکردی مشابه با قطعه‌ی مذکور دارد. قطعات پسیو باوجود تأثیرگذاری کمتر، برای منابع تغذیه با قدرت پایین مناسب و کافی هستند.

قطعه‌ی APFC را در تصویر بالا مشاهده می‌کنید. قطعات سیلندری بزرگ که در سمت چپ تصویر قرار دارند، خازن‌هایی هستند که جریان تنظیم‌شده را نگه‌داری می‌کنند. سپس جریان به مرحله‌ی بعدی زنجیره‌ی فرایندهای PSU منتقل می‌شود.

قطعه‌‌ای که در پشت APFC قرار دارد به‌نام Pulse Width Modulation یا PWM شناخته می‌شود. این قطعه، ولتاژ DC را دریافت کرده و با بهره‌گیری از ترانزیستورهای متعدد اثر میدان، ولتاژ را با نرخ بسیار بالا قطع و وصل می‌کند. درواقع قطعه‌ی مذکور، مجددا ولتاژ DC را به AC تبدیل می‌کند. تبدیل جریان به این دلیل انجام می‌شود که قطعه‌ی کاهش‌دهنده‌ی ولتاژ در منبع تغذیه، یک ترانسفورمر است. این قطعات از القای الکترومغناطیسی و مجموعه‌‌ای از دو سیم‌پیچ (که یکی از آن‌ها حلقه‌های بیشتری نسبت به دیگری دارد) برای کاهش ولتاژ استفاده می‌کنند. درنهایت ترانسفورمرها تنها با ولتاژ AC کار می‌کنند.

فرکانس ولتاژ AC‌ (نرخ تغییر ولتاژ که با واحد هرتز اندازه‌گیری می‌شود)، تأثیر زیادی روی بازدهی ترانسفورمر دارد (فرکانس بالاتر، بهتر خواهد بود)، درنتیجه فرکانس ۵۰ تا ۶۰ هرتزی که از برق شهری وارد منبع تغذیه می‌شود، به فرکانسی بین ۵۰ تا ۶۰ هزار هرتز تغییر می‌کند. هرچه بازدهی ترانسفورمر بالاتر باشد، قابلیت کوچک‌ کردن آن بیشتر می‌شود. سوئیچ کردن فوق سریع ولتاژ DC را می‌توان دلیل نام‌گذاری این قطعه نیز دانست: a switched mode power supply یا SMPS.

در تصویر زیر، سه ترانسفورمر را مشاهده می‌کنید. بزرگ‌ترین آن‌ها تنها ۱۲ ولت خروجی تولید می‌کند. در منابع تغذیه‌ی دیگر، ترانسفورمرهای بزرگ تمامی ولتاژ مورد نیاز را تأمین می‌کنند. بزرگ‌ترین قطعه‌ی بعدی، پنج ولت خروجی ایجاد می‌کند که در بخش‌های بعدی آن را شرح می‌دهیم. کوچک‌ترین ترانسفورماتور نیز نقش ایزوله‌کننده را برای مدار PWM ایفا می‌کند همین قطعه‌ی سوم، مدار PWM را از خطر دور می‌کند و همچنین مانع ایجاد تداخل با ولتاژهای دیگر در PSU می‌شود.

منابع تغذیه‌ی گوناگون، روش‌های متفاوتی برای ساختن جریان مورد نیاز، ایزوله کردن مدار PWM و فعالیت‌های دیگر دارند. استفاده از فطعات، وابستگی زیادی به محدودیت‌های بودجه‌ای و نیاز خروجی از منبع دارد. به‌هرحال صرف‌نظر از قطعه‌ی مورداستفاده، منبع تغذیه پس از دریافت ولتاژ از ترانسفورمر، باید آن را مجددا به DC تبدیل کند.

در تصویر زیر، قطعه‌ی فلزی بزرگ، هیت‌سینک نام دارد که برای یکسوکننده‌های تبدیل AC به DC کاربرد دارد. مداری که در وسط تصویر می‌بینید نیز شامل مجموعه‌ای از ماژول‌های تنظیم ولتاژ (VRM) است که ولتاژهای خروجی پنج و ۳/۳ ولت را ایجاد می‌کنند. در این مرحله باید با مفهومی به‌نام ripple آشنا شوید.

در شرایط بسیار ایده‌آل و غیرممکن که منبع تغذیه با بازدهی بسیار بالا عمل کند، ولتاژ متغیر AC به ولتاژ DC با وضعیت ثابت تبدیل می‌شود. البته در واقعیت چنین رخدادی ممکن نیست و ولتاژ DC مرتبا تغییر می‌کند.

تغییر در جریان DC با اصطلاح ripple voltage شناخته می‌شود و در منبع تغذیه باید آن را به حداقل ممکن برسانیم. کولر مستر در مشخصات منبع تغذیه‌ی خود اطلاعاتی از نوسان ولتاژ ارائه نمی‌کند. البته بررسی‌های موجود در رسانه‌های فناوری، نوسان را برای منبع مورد بررسی، حداکثر ۰/۰۴۲ ولت (۴۲ میلی‌ولت) بیان می‌کنند.

تصویر پایین نشان می‌دهد که نوسان در ولتاژ خروجی، چه مقدار با ولتاژ مورد نیاز تفاوت دارد. خط قرمز، جریان ثابت ۱۲ ولتی DC است و خط متغیر آبی، خروجی واقعی را نشان می‌دهد. البته نوسان هیچ‌گاه کاملا ثابت نمی‌ماند.

کیفیت خازن‌های مورد استفاده در منبع تغذیه، نقش مهمی در تنظیم نوسان دارد. هرچه خازن‌های کوچک‌تر و بی‌کیفیت‌تری استفاده شود، نوسان بیشتر خواهد بود که خروجی را از حالت ایده‌آل خارج می‌کند. اگر نوسان (ripple) بالا باشد، مدارهای پیچیده‌ای که در بخش‌های دیگر کامپیوتر قرار دارند، احتمالا با رویکردی نه‌چندان پایدار فعالیت می‌کنند. در نمونه‌ی مورد بررسی، مقدار ۴۰ میلی‌وات مناسب به‌نظر می‌رسد، هرچند باز هم با ایده‌آل فاصله دارد.

صرف‌نظر از قطعه‌ای که برای ایجاد ولتاژ خروجی DC استفاده می‌شود، هنوز برای رسیدن به مرحله‌ی نهایی خروج جریان از PSU چند مدار دیگر نیاز داریم. مراحل بعدی با این هدف انجام می‌شوند که خروجی منبع تغذیه را مدیریت کنند. درواقع در مراحل آخر راهکارهایی را پیاده‌سازی می‌کنیم تا درصورت افزایش تقاضای یک ولتاژ مورد نیاز (از بین چهار ولتاژ ارائه‌شده)، تأثیری بر ولتاژهای دیگر وارد نشود.

تراشه‌ای که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، ناظر یا Superviser نام دارد و خروجی‌ها از منبع تغذیه را مدیریت می‌کند. درواقع وظیفه‌ی بررسی کافی بودن ولتاژ و جریان خروجی برعهده‌ی این تراشه قرار دارد. البته تراشه عملکرد آن‌چنان پیچیده‌ای ندارد و تنها درصورت بسیار کم بودن یا بسیار زیاد بودن جریان و ولتاژ، منبع تغذیه را خاموی می‌کند.

منابع تغذیه‌ی گران‌قیمت‌تر، از پردازنده‌های سیگنال دیجیتال برای نظارت بر خروجی بهره می‌برند. پردازنده‌های مذکور، در صورت نیاز وظیفه‌ی تنظیم ولتاژ را هم انجام می‌دهد و همچنین جزئیاتی از وضعیت منبع تغذیه را به کامپیوتر ارسال می‌کند. شاید چنین قطعه‌ای برای کامپیوترهای شخصی بیش از نیاز کاربر عادی باشد، اما در سرورها و ماشین‌های پرداشی پیش‌رفته، یک نیاز حیاتی محسوب می‌شود.

همه‌ی منابع تغذیه مجهز به دسته‌های عظیم سیم هستند که از قسمت عقبی آن‌ها خارج می‌شود. تعداد مجموعه‌های سیم و چگونگی اتصال آن‌ها به واحد اصلی، در نمونه‌های بسیار متنوع، متفاوت است. البته همه‌ی نمونه‌ها، اتصال‌های استاندارد دارند.

تعداد مجموعه سیم‌های خروجی از PSU به مدل و شرکت سازنده بستگی دارد، اما از یک استاندارد پیروی می‌کند

همان‌طور که گفته شد، ولتاژ به تفاوت انرژی بستگی دارد، درنتیجه باید دو سیم برای یک خروجی مشخص در اختیار داشته باشیم. یکی از آن‌ها برای ولتاژ اصلی مورد نظر و دیگری به‌عنوان سیم مرجع برای اندازه‌گیری تفاوت استفاده می‌شود. سیم مرجع به‌نام سیم زمین نیز شناخته می‌شود. درنهایت مجموع دو سیم، یک چرخه را ایجاد می‌کند که جریان از منبع تغذیه خارج می‌شود و پس از رسیدن به قطعه‌ی نیازمند برق، مجددا به منبع تغذیه باز می‌گردد.

جریان برق ازطریق چرخه‌ی سیم‌ها ایجاد می‌شود. از آن‌جایی که برخی از چرخه‌ها نیازمند حجم پایینی از جریان هستند، می‌توان سیم‌های زمین را به‌صورت مشترک در چرخه‌های متعدد به کار گرفت.

اولین چرخه‌ی سیم‌های انتقال جریان، چرخه‌ی الزامی ۲۴ پینی ATX12V نسخه‌ی ۲/۴ است که سیم‌های متعددی را برای ولتاژهای گوناگون ارائه می‌کند. به‌علاوه، سیسم‌‌های اخصتصای نیز در این چرخه دیده می‌شود.

یکی از سیم‌های مهم در چرخه‌ی ATX12V به‌نام سیم 5V standby+ شناخته می‌شود. تازمانی که منبع تغذیه روشن و متصل به مادربرد باشد، این سیم فعال خواهد بود. فعال بودن سیم مذکور به آن خاطر است که کامپیوتر درواقع هیچ‌گاه به‌صورت کامل خاموش نمی‌شود. زمانی‌که دستور خاموش شدن را به سیستم‌عامل ارسال می‌کنید، مادربرد نیروی مورد نیاز خود را از اتصال استندبای دریافت می‌کند تا فعال بماند.

یک اتصال (کانکتور) هشت پینی دیگر نیز برای مادربرد وجود دارد که دو مجموعه‌ی 12V+ و سیم مرکز را ارائه می‌کند. به‌علاوه، اکثر منابع تغذیه حداقل یک اتصال PCI Express مجهز به ۶ یا هشت پین دارند. کارت‌های گرافیکی حداکثر توانایی دریافت ۷۵ وات انرژی از ادرگاه PCI مادربرد را دارند. درنتیجه این اتصال توانایی ارائه‌ی نیروی بیشتر را نیز برای کارت‌های گرافیکی غول‌پیکر امروزی دارد.

منبع تغذیه‌‌ی کولر مستر که برای مطلب حاضر بررسی شد، به‌خاطر دلایل کاهش هزینه، دو کانکتور PCI Express از سیم‌های مشابه دارد.

تفاوت بین کانکتورهای هشت و ۶ پین در دو سیم زمین اضافه دیده می‌شود. اضافه شدن دو سیم زمین، امکان کاهش یک جریان سطح بالا را تا جریان ۱۲ ولت ممکن می‌کند که منبع تغذیه‌ای بهتر برای کارت‌های گرافیک بسیار بزرگ و پرمصرف خواهد بود.

در سال‌های گذشته انواع منبع تغذیه با شعار ماژولار به بازار عرضه شده‌اند. همه‌ی ادعاهای بازاریابی جدید به این معنی هستند که برخی از اتصال‌های تأمین برق، به اتصال‌های دیگر سیم‌کشی شده‌اند که به‌صورت مستقیم به PSU متصل می‌شود. درنتیجه با بهره‌گیری از نمونه‌های ماژولار، می‌توان برخی از سیم‌های بدون استفاده را از مدار خارج کرد تا فضای بیشتری در داخل کیس کامپیوتر ایجاد شود.

مدل کولر مستر مانند تمامی مدل‌های مرسوم بازار، سیستم اتصال کاملا پایه‌‌ای را برای کابل‌های ماژولار استفاده می‌کند.

هر کانکتور، از هر سیم ۱۲ و پنج و ۳/۳ ولتی یک عدد به‌همراه دو سیم زمین ارائه می‌کند. پیکربندی سیم‌ها در انتهای کابل نیز بسته به دستگاهی که کابل‌ها به آن متصل می‌شوند، تغییر می‌کند.

کانکتور SATA که در تصویر بالا می‌بینید، برای ارائه‌ی برق مورد نیاز به هارد درایو و SSD استفاده می‌شود. به‌علاوه لوازم دیگر همچون درایوهای DVD نیز از همین کانکتور بهره می‌برند.

ظاهر آشنایی که در بالا می‌بنید به‌نام AMP MATE-N-LOK 1-480424-0 شناخته می‌شود که عموم کاربران و کارشناسان آن را Molex می‌نامند. البته Molex نام شرکت سازنده‌ی کانکتور بالا است. این کانکتور، یک سیم ۱۲ را به‌همراه یک سیم پنج ولت و دو سیم زمین ارائه می‌کند.

کابل‌کشی خروجی منبع تغذیه، یکی دیگر از حوزه‌هایی است که شرکت سازنده توانایی اعمال سیاست‌های کاهش هزینه را در آن دارد. حتی می‌توان با صرف هزینه‌ی بیشتر، ظاهر و انعطاف سیم‌های مورد استفاده را بهبود داد. حتی می‌توان از سیم‌های ضخیم‌تر استفاده کرد که نسبت به نمونه‌های نازک‌تر، مقاومت کمتری دارند و گرمای کمتری را در زمان جریان یافتن برق تولید می‌کنند.

در ابتدای مقاله گفتیم که نام‌گذاری منابع تغذیه براساس حداکثر قدرت برقی قابل تأمین توسط آن‌ها انجام می‌شود. در تعریف ساده، قدرت برق را می‌توان از حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان (در واحد وات) به‌دست آورد. اگرچه تعاریف تخصصی قطعا این تعریف اولیه را به چالش می‌کشند، اما برای مقاله‌ی حاضر و توضیح ساده‌ی عملکرد PSU، همین تعریف کافی به‌نظر می‌رسد. مدل مورد بررسی مانند تمامی مدل‌های مرسوم موجود در بازار، اطلاعاتی را از مقدار برق قابل ارائه توسط هر خط ولتاژی ارائه می‌کند.

در تصویر بالا می‌بینیم که مجموع برق قابل ارائه از همه‌ی خطوط ۱۲ ولتی منبع تغذیه، از ۶۲۴ وات بیشتر می‌شود. اگر مجموع خطوط دیگر را نیز به محاسبات خود اضافه کنم، به عدد ۷۶۰ وات می‌رسیم. رسیدن به این عدد از آنجا حاصل می‌شود که خطوط عادی پنج و ۳/۳ ولت با استفاده از VRMهایی از خروجی ۱۲ ولت به‌دست می‌آیند. به‌علاوه، کل ولتاژ خروجی از یک منبع واحد یعنی برق شهری استخراج می‌شود. درنهایت، نرخ ۶۵۰ وات، همان حداکثری محسوب می‌شود که توان منبع تغذیه را نشان می‌دهد.

با انتخاب منبع تغذیه‌ی متناسب با قطعات دیگر، تقریبا چالش کمبود برق مورد نیاز به صفر می‌رسد

حداکثر توان در منبع تغذیه به این معنا است که اگر به‌طور مثال ۶۰۰ وات انرژی از خط ۱۲ ولتی منبع استخراج کنیم، تنها ۵۰ وات برای خطوط دیگر در دست‌رس خواهد بود. خوشبختانه اکثر سخت‌افزارهای موجود در کامپیوتر، سهم عمده‌ای از نیروی خود را از خطوط ۱۲ ولت دریافت می‌کنند. درنتیجه اگر منبع تغذیه‌ی مناسبی را براساس نیازهای کامپیوتر خود انخاب کرده باشید، به‌ندرت مشکل کمبود خروجی خواهید داشت.

منبع تغذیه‌ی موجود در کنار اطلاعات حداکثر توان، یک برچسب با نوشته‌ی 80Plus Bronze دارد که به‌عنوان یک رتبه‌بندی بازدهی صنعتی شناخته می‌شود و سازنده به‌صورت اختیاری آن را رعایت می‌کند. منابع تغذیه برای دریافت استاندارد مذکور، باید تعدادی پیش‌نیاز قانونی را رعایت کنند. بازدهی منبع تغذیه همچنین به حجم خروجی آن نیز وابسته است. به‌بیان دیگر، شدت جریانی که از خطوط متعدد استخراج می‌شود، روی بازدهی تأثیر دارد.

در مثال بازدهی، اگر نمونه‌ی در دست‌رس کولر مستر را با خروجی ۳۲۵ وات به کار بگیریم (نصف حداکثر توان)، می‌توان انتظار ۸۰ تا ۸۵ درصد بازدهی از آن داشت که آن هم به ولتاژ تأمین‌شده از منبع شهری بستگی دارد. در چنین وضعیتی، منبع تغذیه ۳۸۲ تا ۴۰۶ وات انرژی از پریز دیواری استخراج می‌کند. درنهایت بازدهی بالاتر از ۸۰ درصد به این معنی نیست که منبع تغذیه توانایی ارائه‌ی نیروی بیشتری را دارد. درواقع بازدهی بیشتر تنها نشان می‌دهد که برق تأمین‌شده، در جریان فرایندهای متعدد فیلتر، یکسو کردن، سوئیچ کردن و تغییر جریان، هدررفت کمتری دارد.

حداکثر بازدهی منابع تغذیه در زمانی رخ می‌دهد که بین ۵۰ تا ۱۰۰ درصد از بار اسمی را از آن‌ها استخراج کنیم. برخی تولیدکننده‌ها نمودارهایی شبیه به تصویر زیر ارائه می‌کنند که نرخ بازدهی را در بارها و ولتاژهای تأمین گوناگون و نشان می‌دهد.

برخی از منابع تغذیه در بخش مشخصات خود اصطلاح Single rail یا Multi-rail داشته و برخی هم سوئیچی برای تغییر وضعیت بین این دو حالت دارند. اصطلاح ریل عبارتی است که برای ولتاژ به‌خصوص تولیدی توسط منبع تعذیه به‌کار می‌رود. نمونه‌ی کولر مستر حاضر، یک ریل ۱۲ ولتی تکی دارد و همه‌ی کانکتورهای گوناگون ۱۲ ولتی، جریان خود را از آن استخراج می‌کنند. منبع تغذیه‌ی مجهز به چند ریل، احتمالا دو یا چند سیستم برای ارائه‌ی خروجی ۱۲ ولت دارد و تفاوت بزرگی در نحوه‌ی به‌کارگیری خروجی‌ها در آن‌ها دیده می‌شود.

منابع تغذیه که برای کاربردهای دیتاسنتر استفاده می‌شوند، ریل‌های چندگانه دارند تا تلرانس خروجی بر اثر متوقف شدن یک ریل، به حداقل برسد. منبع تغذیه‌ی چندریلی برای کامپیوتر شخصی هم احتمالا همین ساختار را دارد، اما احتمالا در آن نمونه‌ها تنها خروجی ۱۲ ولت به دو یا سه خروجی تقسیم می‌شود. به‌عنوان مثال، نمونه‌ی حاضر تا حداکثر ۵۲ آمپر را از خط ۱۲ ولتی استخراج می‌کند که برابر با ۶۲۴ وات نیروی برق خواهد بود. نسخه‌ی ارزان‌تر و چندریلی از همین منبع تغذیه، احتمالا دو خروجی ۱۲ ولتی دارد، اما هرکدام حداکثر توانایی ارائه‌ی جریان ۲۶ آمپر خواهند داشت. درنهایت یک منبع تغذیه‌ی کامپیوتر شخصی با طراحی و قطعات عالی، نیازی به سیستم چندریلی ۱۲ ولتی ندارد.

منابع تغذیه در گستره‌ی وسیعی از برچسب‌های قیمتی عرضه می‌شوند. با نگاهی به فهرست محصولات کنونی می‌توان از منبع تغذیه با قیمت ۱۵ دلار و توان ۴۰۰ وات، تا مدلی با برچسب قیمتی ۱۸۰ تا ۲۴۰ دلار و خروجی ۱،۰۰۰ وات مشاهده کرد. اکنون این سؤال ایجاد می‌شود که قیمت بالاتر، چه گزینه‌‌هایی را در اختیار کاربر قرار می‌دهد؟ چرا باید هزینه‌ای بیشتر از ۲۰۰ دلار برای یک منبع تغذیه پرداخت کرد؟

کیفیت قطعات داخلی PSU، تأثیر زیادی روی قیمت‌گذاری آن دارد

توانایی ارائه‌ی قدرت برق بیشتر، یکی از دلایل واضح افزایش قیمت منبع تغذیه محسوب می‌شود. ازطرفی چگونگی ارائه‌ی همان خروجی بالا نیز تأثیر زیادی روی قیمت محصول دارد. مدل‌های فوق ارزان، در هر خط خروجی ۱۲ ولتی تنها ۲۵ آمپر جریان ارائه می‌کنند. درحالیکه نمونه‌های گران‌قیمت‌تر تا سه برابر شدت جریان بیشتر دارند. پردازنده‌های اصلی و گرافیکی امروزی، حجم عمده‌ی نیروی برق مورد نیاز خود را از خطوط ۱۲ ولتی استخراج می‌کنند. آیا ۲۵ آمپر شدت جریان برای آن‌ها کافی است؟

تصور کنید یک پردازنده‌ی اصلی حرفه‌ای با ۳۲ هسته‌ی پردازشی و یک کارت گرافیک پرچم‌دار برای کامپیوتر شخصی خود بخرید. هردوی آن‌ها در حداکثر توان مصرفی نیاز به ۳۰۰ وات برق دارند. منبع تغذیه‌ی ارزان قطعات نمی‌تواند نیاز آن‌ها را برطرف کند. ازطرفی منابع تغذیه‌ی بسیار گران‌قیمت هم برخی اوقات حاشیه‌ی سود و قیمت بالای غیرمنطقی دارند. البته کاربرانی که ۳،۵۰۰ دلار یا بیشتر برای پردازنده‌ی اصلی و گرافیکی پرداخت می‌کنند، قطعا مشکلی با پرداخت چند صد دلار هزینه‌ی بیشتر برای خرید منبع تغذیه ندارند.

هزینه‌ی اصلی یک منبع تغذیه، به‌خاطر کیفیت قطعات داخلی آن دریافت می‌شود. اگر نگاهی به ابتدای مقاله‌ی حاضر داشته باشید، متوجه کم بودن تعداد قطعات در منبع تغذیه‌ی کولر مستر می‌شوید. از آن‌جایی که همه‌ی این قطعات، تأثیری حیاتی در عملکرد واحد دارند، پرداخت هزینه‌ی بیشتری برای قطعات باکیفیت‌تر، قطعا منطقی خواهد بود.

درنهایت با مطالعه‌ی ساختار و عملکرد واحد منبع تغذیه، متوجه اهمیت آن و طراحی‌های مهندسی حساس برای عملکرد بهتر آن می‌شویم. اکنون می‌دانیم که ساختن یک منبع تغذیه که عملکردی ظاهرا ساده دارد، نیاز به پیچیدگی‌های خاصی دارد.