MODPSU - Så funkar det

MODPSU är en ny typ av modulärt nätaggregat för PC-datorer. Uttrycket ”modulärt” har använts i många år om monolitiska ATX- eller SFX-nätaggregat där kablarna inte bara på utsidan utan även på insidan är löstagbara, men här är det alltså själva nätaggregatet som består av olika delar som tillsammans utgör strömförsörjningen.

Syftet med uppdelningen är framförallt att flytta ut de delar som är stora och blir varma, vilket gör att de delar som är kvar inuti lådan är svala, små och kan utformas så att de kan placeras där det finns plats. På detta sätt kan man göra datorlådan nästan lika kort som ITX-formatets 17 cm utan att den sväller åt andra håll. Man slipper på detta sätt även en fläkt till nätaggregatet.

Sedan lite drygt 10 år finns det små likspänningsnätaggregat (legacy DC_PSU_L) som typiskt används med en power brick (extern nätadapter). De allra flesta av dessa legacy-modeller är inte konstruerade för hög effektförbrukning. MODPSU bygger vidare på detta koncept med en förbättrad design av DC_PSU, vid behov kombinerat med ett eller flera AddOn Boards som används för att slå av eller på strömmen till grafikkort eller mekaniska hårddiskar.

De olika datorlådorna och hur man kopplar in strömmen

MODPSU finns i två utföranden, Itsy och Bitsy, designade för att rymma ett eller två grafikkort (eller godtyckligt PCI Express-instickskort). Båda utförandena kan användas med eller utan den medföljande förlängningssektionen. Den korta varianten är anpassad för grafikkort i ITX-format och den långa är konstruerad för att rymma alla förekommande spelgrafikkort.

Bitsy har tre expansionsplatsers mellanrum mellan de två PCI Express-socklarna för att luftflödet till det inre grafikkortet ska bli tillräckligt när man använder grafikkort som är två platser breda. Vissa RTX 20XX-kort upptar 3 expansionsplatser och kräver därmed att man använder Bitsy, där det fortfarande går att använda den andra sockeln så länge som instickskortet är litet och inte blockerar luftflödet alltför mycket.

MODPSU-nätaggregatet är konstruerat så att moderkortet (med processor och övriga komponenter) drivs från en +12 V-matning och grafikkortet eller grafikkorten drivs med vars en +12 V-matning. Datorn behöver alltså en, två eller tre +12 V-matningar beroende på antalet grafikkort. PCI Express-specifikationen anger att grafikkortens olika (egna) strömförsörjningskretsar måste vara fristående från varandra. (Eller annorlunda uttryckt att grafikkortet inte får koppla ihop en strömkälla med en annan.) Det betyder att man fritt kan använda en, två eller tre (separata) power bricks till en dator med noll, ett eller två grafikkort.

Låt oss som exempel säga att du köper en viss dator för processorkraften och att du använder processorns inbyggda grafik eller ett billigt grafikkort (som inte drar så mycket ström). Då räcker det med en 120 W eller 150 W power brick. Om du senare vill byta till ett kraftfullt grafikkort (som drar betydligt mer ström) kan du välja om du vill köpa en ny kraftig power brick och endast använda denna eller om du vill köpa en ny lite klenare power brick och använda den tillsammans med den du redan har. Kanske har du redan en som ligger och skräpar i en låda. MODPSU kallar detta ”non-replacement upgrades”.

Hur många Watt krävs egentligen?

Den som byggt eller uppgraderat sin dator känner säkert till TDP, Thermal Design Power. Det är egentligen ett riktmärke för hur hög genomsnittlig effektutveckling som måste ledas bort från processorn i form av värme vid en viss, relativt högpresterande, testkörning, men det ger också en indikation på hur hög effekt nätaggregatet måste kunna leverera. Intels i9-9900K-processor har en TDP på 95 W. På ett liknande sätt anger till exempel nVidia 260 W ”Graphics Card Power” för RTX 2080 Ti Founder’s Edition och 650 W ”Recommended System Power”. Resten av en normalbestyckad speldator med en SSD drar kanske 10 till 15 W.

95 + 260 + 15 W = 370 W. MODPSU:s demomaskin med i9-9900K och RTX 2080 Ti går att köra på en power brick med 360 W angiven effekt. (Detta är dock på gränsen. En 400 W power brick rekommenderas för denna värsting.) 650 W är 62,5% mer än 400 W och 80% mer än 360 W. Varför krävs det då ett 650 W ATX-nätaggregat?

Ett visst, slumpmässigt utvalt, ATX-nätaggregat är specificerat för 700 W, med 750 W peak. Det kan leverera max 25 A (82,5 W) på 3,3 V-matningen, max 20 A (100 W) på 5 V-matningen, max 36 A (432 W) på ena 12 V-matningen och max 30 A (360 W) på andra 12 V-matningen. Maximal kombinerad effekt på båda 12 V-matningarna samtidigt är 672 W och 150 W på både 3,3 V och 5 V tillsammans.

MODPSUs DC_PSU_M är designad för att kunna leverera max 12,5 A på både 3,3 V- och 5 V-matningarna, men som ni ser nedan är detta är valt med stor marginal.

Moderna speldatorer drar nästan all effekt från de olika 12 V-matningarna. Processorn får sin ström från en så kallad multi-fas DC/DC-omvandlare som drivs med 12 V. Grafikkorten får enligt PCI Express-specifikationen dra max 5,5 A (66 W) från 12 V-matningen i moderkortskontakten och max 12,5 A (150 W) från varje 8-polig strömkontakt. Det är vissa andra komponenter på moderkortet samt hårddiskar (inkl SSD) som använder 3,3 V respektive 5 V. (PCI Express-korten får dra upp till 3 A (9,9 W) från 3,3 V-matningen men det verkar som att grafikkorten bara utnyttjar en liten del av detta.) Enligt MODPSUs mätningar förbrukas bara några få Ampere totalt på dessa matningar. Med andra ord är det för de allra flesta helt onödigt att ATX-nätaggregatet kan leverera jättehög effekt i 3,3 V och 5 V. En stor del av den rekommenderade nätaggregatseffekten går alltså helt bort. 650 W motsvarar alltså egentligen i runda slängar 500 W från i huvudsak 12 V och i liten grad från 3,3 V och 5 V.

Vad gäller 12 V-matningarna är det mer öppet för spekulation. Är skillnaden mellan de 400 MODPSU-Watten och de avskalade 500 ATX-Watten en väl tilltagen marginal eller är det så att ATX-nätaggregaten kräver en högre effekt för att klara stötströmmar vid uppstart och vissa extrema (men vanligt förekommande) driftssituationer? Vi måste lämna denna fråga öppen och konstatera att MODPSU ligger betydligt närmare summan av de olika TDP-talen än ATX- och SFX-nätaggregaten.

Modularitet och skyddsfunktioner

En minimi-konfiguration med MODPSU består av ett DC_PSU_M och en power brick. Detta kan man använda för datorer med låg effektförbrukning såsom surfdatorer och nätverksdatorer, t ex brandväggar, samt för system med hög och konstant effektförbrukning; typiskt sett filservrar med upp till åtminstone sex mekaniska hårddiskar.

Vill man koppla in ett spelgrafikkort lägger man till ett AddOnGPU Board och, om det behövs, ytterligare en power brick. Ett AddOnGPU Board är en mjukstartande strömbrytare som övervakar spänning och ström till grafikkortet och meddelar resten av det modulära nätaggregatet vid fel. Det förhindrar också datorstart ifall inte alla power bricks är anslutna och stänger av hela strömförsörjningen om dess matningsspänning försvinner under drift (t ex om någon rycker ur en kontakt). På detta sätt har antingen hela datorn korrekt spänning och ström eller är hela systemet nedstängt, vilket förhindrar eller kraftigt minskar risken att multipla komponenter går sönder pga ett enstaka fel. AddOn Boardet är av praktiska skäl konstruerat så att det även finns en separat anslutning som går till DC_PSU_M.

Vill man koppla in fler mekaniska hårddiskar än MODPSU DC_PSU_M självt kan hantera, lägger man till ett AddOnHDD Board och eventuellt ytterligare en power brick. Det fungerar som AddOnGPU Board och har dessutom en DC/DC-switchande omvandlare som genererar +5 V.

MODPSU kan byggas ut med minst så många Addon Boards som det praktiskt går att expandera en PC-dator, vilket utnyttjats i den MODPSU-modell som har två PCI Express-socklar och ursprungligen är designad för SLI eller CrossFire. För att detta ska fungera måste ITX-moderkortet ha stöd för bifurcation (ungefär ”förgrening” på svenska), vilket ibland kallas för stöd för ”PCIE riser board”. Mer om detta nedan.

Hur man kopplar i praktiken

Av flera skäl har MODPSU standardiserat på +12,0 V till +12,3 V och en bestämd typ av DC-kontakt. De första generationerna prototyper (som visas i artikeln på NordicHardware) använder högströmsvarianten av den sex-poliga Molex Mini-Fit Jr-kontakten till grafikkort. Med sex kontaktstift rekommenderar Molex maximalt 8 A per stift, dvs totalt maximalt 24 A för den sexpoliga kontakten. 12 V * 24 A = 288 W räcker utmärkt till ett högprestanda-grafikkort, men inte för att driva både moderkort/processor och grafikkort från en och samma kontakt/kabel. Det gör att man antingen måste ha minst två kablar eller en förgreningskabel, vilket förvisso funkar som det ska men är lite otympligt.

Den kommande generationen MODPSU kommer istället att använda den nya Molex Mega-Fit sex-poliga kontakten. Den tål maximalt 18 A per kontaktstift vid sex stift eller totalt maximalt 54 A för den sexpoliga kontakten, dvs 648 W vid 12 V.

De sex stiften kopplas enligt nedanstående bild:

De tre GND-stiften (0 V) är sammankopplade inuti MODPSU-datorlådan, men +12 V A måste vara separerad från +12 V B och +12 V C, då den förstnämnda går till DC_PSU_M och de två sistnämnda till AddOn Boardet. B och C kan vara separata eller sammankopplade beroende på om man använder en kabel med fyra eller sex ledare.

Detta sätt att koppla stiften gör det möjligt att antingen köra en hel dator på en power brick med en kabel/kontakt till både moderkort och grafikkort eller med en kabel/kontakt till moderkort och en annan till grafikkort. Se nedanstående bild. Det är inte möjligt att koppla in sig på alla tre kontakterna samtidigt och tack vare ovan beskrivna skyddsfunktioner startar inte datorn om man kopplat endast en kabel i fel kontakt.  Med den kraftiga Mega-Fit-kontakten får man både smidighet, expansionsmöjlighet och skydd mot användarfel.