ATX12VO: Vor- und Nachteile des neuen Netzteil-Standards

Netzteile nach ATX12VO liefern nur noch 12 Volt ans Mainboard, 3,3 und 5,0 V leitet die Platine daraus ab. Das macht kompaktere und günstigere Netzteile möglich, effizienter im Standby sein sollen sie auch. ATX12VO verschiebt Kosten und Komplexität dafür auf das Mainboard. Ein großer technischer Fortschritt bleibt aus.

Ein neuer Netzteilstandard von Intel

Weltweit agierende, marktdominierende Systemintegratoren nutzen bereits seit Jahren einen Netzteilstandard abseits von ATX12V mit nur einer einzigen Ausgangsspannung. Im Mai 2020 hat dann Intel mit ATX12VO eine Designrichtlinie veröffentlicht, mit der nun auch für den Endkundenmarkt ein gemeinsamer Standard für dieses Konzept geschaffen wird. ATX12VO sieht vor, dass Netzteile nur noch 12,0 Volt an das Mainboard liefern.

Welche Vorteile gegenüber ATX12V zu erwarten sind, wird in diesem Bericht beispielhaft an einem entsprechend angepassten ASRock Z490 Phantom Gaming 4SR und einem ATX12VO-Netzteil von High Power untersucht. Versprochen wird auch eine höhere Effizienz.

3,3 und 5,0 Volt kommen vom Mainboard

Der Verzicht auf die Erzeugung der Nebenspannungen 5,0 Volt und 3,3 Volt (Minor-Rails) im Netzteil bedeutet nicht, dass die Spannungsschienen überhaupt nicht mehr benötigt werden. 5,0 Volt sind für die USB-Ports genauso wie 3,3 Volt für den PCIe-Slot nach wie vor unverzichtbar. Auch versorgen sich Logik-ICs des Mainboards entweder aus 3,3 oder 5 Volt.

Externe Laufwerke und Peripherie werden nun also nicht mehr direkt vom Netzteil, sondern vom Mainboard versorgt. Neben den ausgangsseitigen Steckern des Netzteils (siehe Abschnitt Leistungsaufnahme, Schaltungslayout und Stecker des Netzteils) wird in der ATX12VO-Spezifikation deshalb auch definiert, wie der Verbinder für den Kabelstrang der SATA-Stecker auszusehen hat.

Intel unterscheidet dabei zwischen der Bereitstellung von zwei und vier SATA-Anschlüssen, für die ein 4-Pin- bzw. 6-Pin-Header vorgesehen sind. Im Gegensatz zu allen anderen bisher gebräuchlichen Steckervarianten handelt es sich hier allerdings um einen Molex-Micro-Fit-Stecker mit 3-mm-Pin-Abstand, dessen Terminals bereits von Nvidia in den GeForce RTX 3000 Founders Editions verwendet werden. Beide Stecker verfügen lediglich über 12 und 5 Volt – anders als in der ATX12V-Spezifikation wird die 3,3-Volt-Schiene nicht mehr angebunden.

ATX12VO soll Strom im Standby sparen

Im Designhandbuch der ATX12VO-Spezifikation steht gleich unter der ersten Überschrift die Definition des „Alternative Low Power Mode“ (ALPM), der auf Betriebssystem-Ebene von Microsoft mit „Modern Standby“ und von Google mit „Lucid Sleep“ umgesetzt wurde. Dabei handelt es sich um einen neuen Energiespar-Systemzustand, in dem Aufgaben wie die E-Mail-Synchronisierung ohne das Wecken des kompletten Systems stattfinden kann, wie es beispielsweise bei Smartphone-Betriebssystemen bereits gang und gäbe ist. Dieser Standby-Leistungszustand, auch bekannt als S0i3, unterscheidet sich allerdings vom S3-Standby („Suspend to RAM“) darin, dass alle Ausgangsschienen des Netzteils aktiv bleiben müssen.

Intel mit verpflichtendem Wirkungsgrad für Standby-Schiene

Davon unabhängig gelten weiterhin Regeln für die maximale Leistungsaufnahme, wenn lediglich die Standby-Schiene aktiv ist. Für diese wird in der ATX12VO zudem eine Nennspannung von 12 V anstatt der bisher gewöhnlichen 5 V spezifiziert. Im Gegensatz zur ATX12V-Norm werden in der ATX12VO nun verpflichtende Effizienzwerte für die Standby-Schiene gefordert:

Ausgangsleistung	ATX12VO		ATX12V
Implementierung	verpflichtend		empfohlen
	Effizienz	Anmerkung	Effizienz	Anmerkung
0,225 W	45 %	ErP Lot 6 2013	45 %	ErP Lot 6 2013
0,45 W	55 %	empfohlen	45 %	ErP Lot 6 2013
2,75 W	75 %	ErP Lot 3 2014	55 %	ErP Lot 3 2014
4,8 W	75 %	empfohlen	k. A.
7,5 W	75 %	ErP Lot 3 2014	k. A.
Max.	75 %	empfohlen	k. A.

Die ErP Lot 6 2013 spezifiziert allerdings nur die maximale Standby-Leistungsaufnahme in Höhe von 0,5 W für geschlossene Systeme – also nicht für Netzteile, die nicht ohne Computer betrieben werden können. Intel macht dadurch folglich indirekt auch eine Vorgabe für Mainboards, die von Systemintegratoren in der EU in Komplettsystemen verkauft werden sollen. Sofern Mainboard-Hersteller die maximale Leistungsaufnahme entsprechend dem zulässigen Netzteilwirkungsgrad begrenzen, wird das Schlupfloch der bisher gängigen ATX12V-Spezifikation demnach geschlossen.

Verpflichtende Schwachlast-Effizienz

Damit im „Modern Standby“ das Netzteil nicht unnötig viel Leistung aufnimmt, gibt Intel Wirkungsgrad-Minima vor, die sich an den Anforderungen der kalifornischen Energiekommission orientieren (California Energy Commission, Abk.: CEC).

Nennleistung	10 W Last	2 % Last
< 400 W	> 75 %	–
400 ‑ 500 W	> 72 %	–
> 500 W	–	> 72 %

Demnach gilt für eine Auslastung von 2 Prozent ein Wirkungsgrad-Minimum von 72 Prozent für Netzteile größer als 500 W. Dasselbe gilt für 400- bis 500-Watt-Netzteile, die allerdings mit 10 W ausgelastet werden. Für noch kleinere Netzteile wird ein Wirkungsgrad von mindestens 75 Prozent gefordert.

Das ändert sich auf dem Mainboard

Full-Size-ATX-Mainboards mit hohen Nennströmen der Minor-Rails

Mit der Zahl der PCIe-Slots, USB-Buchsen und SATA-Anschlüsse wächst auch der Nennstrom an, der bei Vollbestückung im Zweifelsfall als Dauerstrom für 3,3 und 5,0 Volt bereitgestellt werden muss. Für das ASRock Z490 Phantom Gaming 4SR, ein Full-Size-ATX-Mainboard, wurde die Berechnung des Nennstroms nach der vorliegenden Bestückung durchgeführt:

3,3 Volt	Anzahl	Strom (einzeln)	Maximalstrom
PCIe	5	3,0 A	15,0 A
B-key m.2	1	2,5 A	2,5 A
M-key m.2	1	2,5 A	2,5 A
3,3 Volt (insgesamt)			20,0 A
5 Volt	Anzahl	Strom (einzeln)	Maximalstrom
SATA	4	1,02 A	4,08 A
USB 2.0	4	0,5 A	2,0 A
USB 3.x	6	0,8 A	4,8 A
Addressable RGB	2	~3 A	~6 A
5 Volt (insgesamt)			16,9 A

Insgesamt ist also mit zusätzlichen knapp 40 Ampere zu rechnen, wenn alle Anschlüsse für Peripherie genutzt und maximal ausgefahren werden.

Spannungswandler mit bis zu 11 Euro höheren Kosten in der BOM

In der BOM wirkt sich der Kostenanteil für die Spannungswandler auf der Platine empfindlich aus. Mit dem Texas Instruments TPS53355 als integrierter Schaltspannungsregler wurde eine relativ teure Lösung gewählt, die aber nur sehr wenig Raum auf der Hauptplatine belegt. In der Tabelle wurden die wichtigsten Kostenpositionen für die beiden Abwärtswandler zusammengefasst. Dabei wurden die Nettopreise der Bauteile für hohe Abnahmemengen ermittelt oder zumindest abgeschätzt.

BOM: Kosten für zwei Spannungswandler	Bauteil	Preis
Leistungshalbleiter (PMIC)	TI TPS53355	8 Euro
Induktivität		~1 Euro
Elektrolytkondensatoren	je 2 × 270 µF, 16 V & je 2 × 560 µF, 6,3 V	1,20 Euro
Kühlkörper?		~1 Euro
Insgesamt		10‑11 Euro

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In ATX12V-Netzteilen wird typischerweise ein integrierter Schaltspannungsregler-Controller und Treiber des taiwanischen Herstellers Anpec eingesetzt. Mit dem APW7159C können beispielsweise beide Abwärtswandler angesteuert werden, der deutlich geringere Kosten als die vollintegrierte Implementierung von Texas Instruments verursacht, der aber extern beschaltete MOSFETs benötigt. Als Leistungshalbleiter wurden für diesen Vergleich drei Infineon-MOSFETs ausgewählt, von denen vergleichbare Verluste zum Texas Instruments TPS53355 zu erwarten sind.

Erweiterte Regelungsverfahren für höhere Teillast-Effizienz

Allerdings birgt die Implementierung von Anpec den Nachteil, dass nur ein einfaches Spannungsregelungsverfahren angewandt wird, das keine verbesserte Teillast-Effizienz, wie es der Texas-Instruments-PMIC unterstützt, ermöglicht. Bei einer Last von kleiner als 5 A auf der 3,3-Volt-Schiene beziehungsweise 3 A auf der 5-Volt-Schiene kann nach dem Diagramm aus dem Datenblatt des Texas Instruments TPS53355 nämlich ein höherer Wirkungsgrad im Skip-Mode erzielt werden, der jeweils links des „Knicks“ in den Kurven dargestellt ist. Dadurch können beispielsweise die elektrischen Verluste im "Modern Standby" reduziert werden, wenn alle Peripheriegeräte die meiste Zeit deaktiviert sind, aber nur eine Ethernet-Verbindung für eine kurze Zeit aufgebaut wird, sodass die Minor-Rails für gewöhnlich nur sehr geringfügig ausgelastet sind.

BOM: Kosten für zwei Spannungswandler (typ.)	Bauteil	Preis
Integrierter Controller und Treiber	Anpec APW7159C	0,60 Euro
MOSFETs	je 3 × Infineon BSC050N03LS	1,5 Euro
Induktivität	Sonderfertigung	< 1,0 Euro
Elektrolytkondensatoren	je 2 × 270 µF, 16 V & je 2 × 560 µF, 6,3 V	1,2 Euro
Insgesamt		4 Euro

Mit dem Verzicht auf eine maximale Integrationsdichte können die Zusatzkosten der ATX12VO-Implementierung auf dem Mainboard demnach auf 4 Euro gesenkt werden. Auch wenn für ITX-Mainboards ein kleinerer Nennstrom auf den Minor-Rails aufgrund weniger Erweiterungs-Slots bereitgestellt werden muss, kann die BOM weiter kostenoptimiert werden. Da die jeweils drei MOSFETs eine größere Oberfläche als der PMIC bieten und über das PCB effektiver gekühlt werden können, wurde auf einen Kühlkörper in dieser Rechnung verzichtet.

Zusätzliche Wärmequellen auf dem Mainboard

Eine vollintegrierte Implementierung eines Schaltspannungsreglers wie im ASRock Z490 Phantom Gaming 4SR hat wiederum den Nachteil, dass die komplette Verlustwärme aus einem einzelnen, kleinen Gehäuse ausgeleitet werden muss.

Für diese Messungen wurden ein Intel Core i5-10600k und eine Gigabyte R9 290X WindForce mit synthetischer Last vollausgelastet. Einen Luftstrom erzeugten zwei nach außen gerichtete Lüfter oberhalb des Bildes und der in der Mitte des Doppelturm-Kühlers platzierte Ventilator. Hotspots auf der Rückseite des Grafikkarten-PCBs von 90 Grad Celsius strahlen dabei auch Wärme an das Mainboard ab. Damit der Luftstrom eines geschlossenen Gehäuses nachgestellt werden kann, wurde für die Messung die Seite des ATX-Gehäuses mit Frischhaltefolie abgedeckt.

Bei einer Auslastung der Minor-Rails mit jeweils 10 A können die zwei Texas-Instruments-PMICs mit 57 respektive 67 Grad Celsius in der Wärmebildaufnahme klar identifiziert werden. Mit einer dauerhaften Last von 20 A auf beiden Minor-Rails würde die Temperatur an den PMICs ohne Kühlkörper zu stark ansteigen. Begrenzt ASRock die dauerhafte Nennleistung der Minor-Rails nicht, sollte dringend ein Kühlkörper im Design des Leistungswandlers inkludiert werden.

Bei Gaming-Systemen ist eine derartige Auslastung zwar nicht zu erwarten, für Workstation-Systeme kann das Abrufen der maximalen Nennleistung auf der 3,3-Volt-Schiene über Peripherie-Verbraucher mit hoher Dauerlast aber durchaus denkbar sein.

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Eine Vergleichsmessung mit einem ASRock Z490 Phantom Gaming 4 zeigt niedrigere Temperaturen für den untersuchten Teil des Mainboards von maximal nur 53 Grad Celsius, die an einem der DRAM-Module gemessen werden können.