INFORMAZIONI TECNICHE

L'alimentatore AT-ATX Multiple rails

Multiple rails

Con l' aumentare della richiesta di potenza sulla tensione +12V si verificano problemi di dimensionamento e di rendimento della sezione da cui si ricava questa tensione. In particolare, l' aumento della corrente oltre i 30A si riflette in un aumento delle perdite sugli avvolgimenti e nei diodi di raddrizzamento sul secondario del trasformatore dello switch, con una riduzione del rendimento. Anche la difficoltà di reperire diodi di piccole dimensioni e che possano lavorare con sicurezza con correnti così grandi è un problema, mentre le bobine devono essere avvolte con filo di sezione maggiore, creando una serie di problemi costruttivi.

La soluzione è stata trovata nella creazione di più rami in cui suddividere questa potenza. Le specifiche ATX 2.xx precisano che la tensione +12V dovrebbe disporre di due sezioni e alcuni costruttori ne hanno implementate anche 3 e perfino 4. 
Le specifiche ATX prevedono che il ramo che alimenta la i VRM del core della CPU (il connettore 4 poli P4-12V o l' 8 poli EPS12V) appartengano ad un ramo separato da quello che alimenta il connettore a 20/24 pin e le altrevarie periferiche. Inoltre specificano che ogni ramo non superi la disponibilità di 20A, in modo da rientrare in più che ragionevoli parametri di sicurezza per i semiconduttori interessati.
La versione 2.0 delle specifiche ATX12V di Intel raccomanda la disponibilità di due rami a 12V capaci di 18A ciascuno. Questo corrisponde alle specifiche di sicurezza UL e EM60950 che non autorizzano una potenza superiore a 240W sui conduttori e quindi fissano ad un massimo di 20A la corrente disponibile. Questo limite non è di tipo strettamente tecnico, ma principalmente riguarda la sicurezza dell' utente dove le possibilità di contatto con le parti sotto tensioni sono elevate, ad esempio durante l' assemblaggio dei componenti, creando rischi di fiamma o simili. (non si applica ad altri prodotti elettronici, ad esempio TV o monitor, che, essendo venduti "finiti", non prevedono che l' utente ci metta le mani dentro).

Attenzione che deve essere chiaro che la presenza di diversi (multiple) rami (rails) per una stessa tensione non vuol dire che esistono due o più switch o trasformatori dedicati alla generazione del +12V : esiste sempre e comunque un solo switch primario che gestisce tutta la potenza richiesta dal secondario attraverso un unico trasformatore. 

Non perchè questo non sia possibile, ma semplicemente perchè lo schema diventerebbe assai complesso e più costoso di quello che i costruttori prevedono e che gli utenti pagherebbero per un alimentatore da personal computer, oltre al fatto che lo spazio nella scatola dell' alimentatore è limitato. (Va ricordato che la "colpa" non è da attribuire solo ai costruttori, ma va suddivisa tra questi e gli utilizzatori, che gradiscono , per la maggior parte, alimentare il mercato del low-cost/low-quality, sensibili solo al costo e del tutto esenti da qualsiasi introspezione che riguardi la qualità di quello che viene acquistato).

La realizzazione del multiple rail consiste semplicemente nel fatto che il secondario interessato a questa tensione non è unico, ma composto da due o più sezioni, ognuna con i suoi diodi e/o bobine e condensatori, in modo tale che ogni ramo sia interessato da una potenza ragionevolmente bassa da poter utilizzare componenti comuni e garantendo con questi una efficienza ed una sicurezza maggiori. (Questa è probabilmente la ragione principale per aver scelto questo tipo di configurazione). In particolare, riducendo la corrente sui diodi di raddrizzamento si riduce la potenza persa nel diodo, anche se, usando raddrizzatori normali e non mosfet (raddrizzamento sincrono) il "parallelo" di più diodi non porta vantaggi complessivi evidenti, se non quelli dovuti all' uso, come detto, di componenti standard.

Per contro, questa implementazione consente il vantaggio di avere una certa separazione tra i rami alimentati, il che riduce le possibilità di inneschi e di interferenze tra i carichi, riducendo anche le emissioni elettromagnetiche indesiderate (EMI) : usando diversi rami per la CPU, le schede video e le periferiche dotate di motori, ogni carico risulta molto meno sensibile a disturbi, picchi, rumore indotti dal funzionamento delle varie parti. A seconda di come è realizzato il tutto, anche la stabilità su ogni ramo dovrebbe essere migliorata e comunque le variazioni del carico applicato non influiscono che minimamente sugli altri rami.

Solitamente si parte dal presupposto che la 12V1 alimenti i dispositivi in generale e la 12V2 sia specifica per il core della CPU; se esiste una 12V3, questa è indirizzata all' alimentazione delle schede video, ecc. Questa divisione è fatta in base al principio che la CPU è una sezione particolarmente sensibile alla qualità dell' alimentazione, mentre le VGA, richiedendo forti correnti, necessitano di una certo grado di separazione; per contro, i motori delle periferiche sono fonte di rumore elettrico e di picchi di consumo.

Detto questo, parrebbe che la soluzione multi rails sia cosa ottima. In effetti, se correttamente implementata, potrebbe esserlo. Nella pratica le cose sono un po' diverse.

In primis, il problema della sicurezza sembra ben relativo : la stessa Intel certifica alimentatori che hanno un single rail da più di 240W (>30A), il che è tutto dire. In effetti non risultano report di danni drammatici prodottisi su alimentatori che superano questo limite; i produttori di alimentatori per uso industriale realizzano moduli da kilowatt e oltre, a singola tensione, e si tratta di prodotti per uso professionale, quindi al top della qualità. In effetti, la sicurezza dipende da molti fattori, in primo luogo dal progetto e dai componenti utilizzati e non dalle dimensioni delle grandezze in gioco. Nel campo industriale  esistono ampiamente situazioni che superano di gran lunga il "limite Intel" senza alcun rail addizionale e non ci sono problemi di sorta, così come UL, TUV ed tutti gli altri enti di qualità/sicurezza, certificano alimentatori con ben oltre 240W per ramo : sono tutti matti oppure il concetto dei rails non è poi così fondamentale ?

Inoltre, cosa importante, il realizzare avvolgimenti multipli e trovare lo spazio per posizionare diodi e bobine addizionali è un problema nel volume limitato dell' alimentatore standard senza ricorrere a tecnologie recenti o ad altre soluzioni che hanno come conseguenza un aumento sensibile del costo.
Il risultato è che molti "multiple rails" sono in realtà dei normali alimentatori dove i rami separati derivati dal trasformatore comune sono poi ricondotti ad un unico punto, da cui si dipartono i cavi gialli del +12V verso tutte le possibili periferiche, dalla CPU ai dischi. In questo modo si può implementare una unica protezione contro le sovracorrenti (OCP), con relativo risparmio. Questo è stato rilevato su svariati modelli, anche di nome.
Questo non è una truffa, ma la dimostrazione che con il multiple rails i costruttori non intendono n secondari a 12V assolutamente isolati tra di loro (cosa del tutto inutile e neppure possibile,  per il fatto che tutti gli elementi del PC hanno una massa in comune), mentre impiegano questa tecnica per ottenere maggiori potenze come somma di singoli rami in cui sono cablati componenti "normali".
Si trovano costruttori che mescolano le uscite 12V1 e 12V2 tra di loro, inviando le tensioni tanto alla mainboard quanto al processore o alle periferiche. I vari rails possono essere messi in parallelo ad alimentare un solo carico senza problemi, oltre al fatto che la limitazione della corrente a meno di 20A (tipicamente 18A o meno) per rail rende problematico il destinare un solo rail ad una certa alimentazione. Il mescolarli supera questo limite. 

Quale sarebbe , teoricamente, beneficio della separazione dei rails ? Ovvero di un rail per il core della CPU, uno per le periferiche da 5.25", uno per ogni VGA SLI, ecc ? Teoricamente, si avrebbe che, pure se a massa comune, ogni area avrebbe virtualmente una propria sorgente di tensione, abbastanza separata dalle altre e quindi non interessata da rumore, picchi di assorbimento, fluttuazione non di sua competenza.
Questo è bello , ma solo in via teorica, perchè si scontra immediatamente con "il problema" del PC, ovvero quello di essere non un oggetto uniforme, ma un assieme di parti che danno origine alle configurazioni più varie. Chi può sensatamente garantire che il ramo dedicato al core e in grado di fornire 20A sarà adeguato per quel certo processore o multi processore ? Oppure chje iol ramo dedicato alla VGA non si trovi a dover alimentare un nuovo supermostro che consuma più dei 240 watt-Intel ? Inoltre, sarà ben comune che un ramo sia trovi ben caricato, mentre altri siano al limite del carico minimo (ricordiamo che stiamo parlando non di lineari, ma di alimentatori a commutazione, in cui la corrente di uscita fa parte del feedback che mantiene l' uscita stabile), con problemi di stabilità ?  Ad esempio un sistema con due mega VGA SLI, ma con un solo disco rigido, oppure uno con un array SCSI di 16 dischi e la VGA integrata on board, ecc.
Si finirebbe per dover avere alimentatori "dedicati" alle diverse situazioni.
Praticamente la maggior parte dei costruttori divide arbitrariamente la potenza disponibile in modo quasi uguale sui vari rami, cosicchè se la sezione 12V è in grado di produrre 30A, si potrà trovare l' indicazione  12V1: 15A, 12V2: 15A quanto  12V1: 14A, 12V2: 16A, in cui non si capisce quale sia il motivo per cui la capacità dei due rami si differenzi di solo due ampere ! Così si trovano alimentatori della stessa serie, cioè  basati sullo stesso circuito stampato in cui sono cambiati alcuni componenti critici (e costosi) in funzione della potenza che si vuole ottenere, che dichiarano ben piccole differenze tra le correnti disponibili su ogni rail. ( a parte i prodotti della way of commerce cinese con etichette che indicano potenze combinate dei rails 12V maggiori o minori del prodotto V*I ).

L' unica soluzione reale à quella di avere un certo grado di "mescolamento", se non un parallelo completo, di alcuni ( o tutti) i rails. E questo non pregiudica per nulla la qualità dell' alimentazione : i rails sono  secondari multipli che trattano il 12V alla ricerca di un miglior rendimento, derivato dal suddividere la corrente su più rami, e questo è già significativo.
In sostanza, la stragrande maggioranza di alimentatori multiple rails utilizzano questa tecnologia solo ed esclusivamente per ottenere migliore rendimento e qualità nella produzione di grandi correnti senza usare componenti speciali (oltre ad adeguarsi alle alzate di di ingengo di Intel e, sopratutto, alla moda del momento)

Certamente ci sono produttori  che interpretano diversamente le specifiche e realizzano realmente due o più rami totalmente separati, sia a livello di circuito stampato che di cavi verso i connettori. 

Se i rails sono due, è interessante notare che, in genere, si è introdotta la pratica di utilizzare per la 12V1 i classici cavi gialli e per la 12V2 dei cavi gialli con una riga nera. L' alimentatore nell' immagine dispone di due rails realmente separati, i cui cavi parto da due ben distinte aree del circuito stampato : +12V1, con cavi gialli (freccia blu)  +12V2, con cavi giallo/nero (freccia rossa) Nell' esempio a lato, il +12V2 alimenta esclusivamente il connettore 4/8 poli della CPU. Un terzo rail (12V3) è in parallelo sui cavi gialli.

Abbastanza comune è avere separazione dei rails che alimentano il core della CPU e le VGA SLI, che in sostanza sono i punti che possono presentare più criticità.
E. in conseguenza di quanto detto finora, più potenza sarà richiesta sul 12V, maggiore sarà il numero dei rails : un alimentatore da 1000W può dare almeno 900W sul +12V attraverso almeno 4 rails.

Va detto che praticamente mai sono dichiarate nelle specifiche del prodotto a quali connettori sia collegato uno specifico rail; questa poca chiarezza, a parte la predetta chinese way of commerce,  può anche essere dovuta proprio alla volontà di fare poca chiarezza su come in realtà stiano le cose. 

In sostanza, servono o no questi multiple rails ? 
I pareri sono discordi, come al solito, ma ad una analisi pacata, risultano per la maggior parte discussioni da Bar Sport, come al solito, sempre motivate dalla tifoseria (anche a pagamento...) piuttosto che da una reale conoscenza tecnica del problema.
I sostenitori del rail come panacea di tutti i mali ,  non considerano minimamente che sia la tensione che va sia alla CPU che alle VGA non viene usata "così come arriva", ma alimenta dei VRM locali che la convertono in altri valori più bassi; e , solitamente, i VRM sono relativamente poco sensibili alle variazioni della tensione di ingresso, mentre, magari, sono fonte di rumore elettrico o, essendo componenti attivi, possono generare inneschi reciproci, che non è detto che il rail, per il solo fatto di esistere, possa risolvere. 
Dal punto di vista della corrente continua, che ci siano o no rails è del tutto indifferente : quello che importa è che la qualità della tensione disponibile sia adeguata alle esigenze del circuito alimentato.
Se, invece, andiamo a considerare quanto concerne i problemi dinamici dovuti ad assorbimenti di corrente impulsivi, possibilità di inneschi, rumore elettrico, ecc., allora la possibilità di disporre di tensioni in un qualche modo separate per alimentare dispositivi sensibili (come le CPU) o rumorosi (come motori) o fonte di innesco (come schede video ad altissimo consumo), può essere teoricamente interessante, ma la reale funzionalità dipende non dal singolo componente, bensì dall' insieme.
Invece, dal punto di vista dello schema dell' alimentatore, rapporto volume/impegno tecnologico/prezzo, i rails sono al momento la soluzione migliore per produrre centinaia di watt concentrati su una unica tensione all' interno di un alimentatore multi tensione..

Sta di fatto che, anche se minimamente applicati, almeno 2 (se non 4) rails sono diventati un fatto comune (ricordiamo che 2 rails fanno parte delle specifiche ATX più recenti); questo nasce dalla necessità di produrre la maggior parte della potenza dell' alimentatore su UNA sola tensione (il +12V), mantenendo comunque le altre tensioni classiche e, sopratutto, la struttura base dell' alimentatore PC. In questo senso ( e non per risultare "graditi" ad Intel), ci sono ragioni costruttive più che valide, tanto che sono adottate da tutti i prodotti più recenti. Da un punto di vista strettamente teorico l' idea è buona e funzionale; anche il migliore rendimento, sicurezza, qualità della tensione dovrebbero esserci. 

Quello che dovrebbe essere finalmente la soluzione del problema, ovvero un PC alimentato da UNA SOLA tensione (tecnicamente possibile non oggi, bensì l' altro ieri, basta pensare ai notebook) pare ancora ben lontana dall' essere in vista, per quella coriacea staticità che viene, politically correct, chiamata "compatibilità" e che fa si che ogni modifica del PC sia estremamente lenta (fino a che fa comodo ai produttori), che la gabellano come un favore fatto agli utenti nel mantenere "compatibile" l' innovazione con l' "hardware installato" (cosa che tutti sanno essere una grottesca favola, di fronte alla realtà dei cambi e delle obsolescenze forzate che i costruttori hardware e software ogni tanto impongono quando decidono di cambiare socket, bus o quant' altro per "ravvivare" il mercato).

Il consiglio è che se è disponibile un alimentatore multiple rails di buona qualità, senz' altro può essere la scelta ottimale, anche se probabilmente costa qualche euro in più, sopratutto nel caso in cui si abbiano configurazioni complesse; altrimenti non è obbligatorio.
Lo diventa nelle applicazioni con richieste pesanti di corrente sul +12V, ovvero praticamente tutti i più recenti sistemi ad alte prestazioni, in quanto l' aderenza allo standard ATX più recente e la necessità di produrre elevate correnti fanno si che almeno 2 rails siano la dotazione minima di tutti gli alimentatori che si dichiarano conformi allo standard.
Quello che importa realmente è la potenza complessiva disponibile sul +12V, ma in funzione delle necessità del sistema su cui andrà usato, e, soprattutto, la realizzazione ottimale dell' alimentatore, dei cavi, dei connettori, ecc., tutti particolari che in un prodotto di marca non mancano mentre sono spesso carenti in quelli low cost.
Per contro, un PC anzianotto potrà essere ottimamente alimentato da un moderno ATX multiple rails, a patto però che questo possa fornire le potenze necessarie sulle linee +5V e +3.3V, dove un sistema non recente probabilmente concentrava la maggior parte del consumo.