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酒逢知己饮,诗向会人吟。相识满天下,知心能几人。

 
 
 

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别让评测变天书 电脑电源知识扫盲  

2011-08-27 11:07:57|  分类: 电脑硬件 |  标签: |举报 |字号 订阅

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买什么用什么IT产品之前,我们很多时候都会先看看评测,或者看看网友的试用感受,可是很多的评测试用文章,内嵌了太多的专业术语,这就需要我们预先了解这些专业知识,再去解读,尤其是很多电源的评测文章,很多人感叹这简直是在看天书,晕乎晕乎的,所以在这里,就凭着自己的一些浅薄的见识,来给大家分享一些电源电路上的小知识。


首先从整体来看,电源的整个电路大体可以分为以下几个部分。


连接在电流输入接口的那部分叫做一级EMI;主电容的那一边一般叫做高压侧,也叫做一次侧,但说的准确点,应该叫做高压滤波电路。在一次侧下边的这些元器件组成的叫二级EMI;而处于电源中间变压器部分的电路,就叫做变压器。而在右边的这些输出电流的部分的电路叫做低压侧,也叫二次侧,但准确来说,应该叫输出滤波电路。

EMI滤波电路作为电源中的第一道滤波电路,也可以说是电源的第一道屏障。它的主要作用就是滤除电网中的高频杂波和干扰信号,同时还要避免电源中产生的电磁辐射泄漏到外面,以减少电源开关本身对外界的干扰。如果电源没有EMI滤波电路,那么电源所产生的电磁辐射就会影响平台里面各部分配件,以及显示器等的正常使用。同时,这些电磁波还会对人体造成一定程度的伤害,影响到用户的健康。

现在我们将按着电流流经电路的顺序依次来介绍电源中各个电路种类的辨别。

一级EMI:
过去,很多老电源的一级EMI都是板载在PCB板上的,而如今更多的主流电源,则直接焊接在电路上,就是电源线与电源项链的那个插口上的电路。这里面可以看到,黄色立方体和蓝色颗粒状的分别是X、Y电容,以及铜线圈电感,起到的是过滤的作用。
如下图:




二级EMI:
二级EMI一般由两个Y电容,一个X电容组成(如前面介绍到的两类电容),保险管,加上一些差模电感和共模电感(共模电感是双线并绕的电感,差模电感就是一般的单线绕制的电感)。两类电感起到的是更好的滤波、抗干扰的作用。




比较一般的一级EMI和二级EMI的图



当然有的高级电源,二级EMI的用料会更好更奢华,包括线材、保险管、电感的屏蔽层包裹都会有,而有的劣质山寨电容,直接把整个二级EMI都省略了。如下图:


桥式整流

接着是桥式整流部分,也就是我们经常说的整流桥,比较老式的是由四个分立的二极管组成,另一种是将四个分立的二极管集成在一起。后一种整流桥方案得到了更为广泛的应用,其不但便于散热,而且其耐压值至少为600V,主流瓦数级别以上的整流桥,都采用这样的整流桥
差整流桥的图


PFC:

PFC(Power Factor Correct)的意思是“功率因数校正”,主要用于表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高,说明电能的利用效率越高,计算机开关电源是一种电容输入型电路,其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失,此时便需要PFC电路提高功率因数
PFC其实并不是电源一定要有的电路,因此在一些国外卖的极度低端的电源中是没有PFC的。只不过根据我国的法律规定,我们电脑的电源必须得拥有PFC。

现在我们常见的PFC主要有三种,被动式PFC,主动式PFC和交错式PFC。

被动式PFC:被动式PFC电路结构较为简单,实际上是一颗矽钢片制成的工频电感,它利用电感线圈内部电流不能突变的原理调节电路中的电压及电流的相位差,使电流趋向于正弦化以提高功率因素。被动式PFC其实就是一个巨大而沉重的电感(这也是为何不少老结构电源比新机构的电源重的原因之一),这个电感一般位于垂直于电源的主PCB板四周的电源壁上,并且一般都有黄色的胶布捆着。同时被动PFC电路也有标准的高压滤波电容,用做电能储备之用。

被动PFC电路属于早期的PFC架构,转换效率较低,价格较为低廉,而如今大多数通过80plus认证的主流电源,均采用的是主动PFC的架构,因此这里我们接着往下看……

被动PFC如下图:


  
主动式PFC:主动式PFC一般已经包括了整个一次侧。如下图:


  
从上图我们可以看到,主动式PFC的PFC电感比被动式PFC的电感小得多,并且有一个比较大的PFC输入滤波薄膜电容;而且我们还能发现,主电容也可以叫做PFC输出电容(很多也称大奶瓶电容),只有主动式PFC的电源其主电容才能叫做PFC输出电容,而没有PFC或者被动式PFC的电源的主电容只能叫做主电容或者高压电容。这时这个主电容的主要用处就是给主动PFC储存电能,并且可以看作是主动式PFC的一部分。


由于架构的改良,大多数同瓦数级别的主动PFC架构电源,都要比被动PFC架构的要轻,,主动PFC架构是现在大多数主流电源所沿用的架构,也是相对于被动PFC更为体现电源节能效应的架构,目前随着技术的成熟,主动PFC架构能够轻松做出主流瓦数级别的80plus白标、铜牌等电源,所以普及面比较广

交错式PFC:交错式PFC其实也是属于主动式PFC,是主动式PFC的一种,可以看作是主动式PFC的升级进化产物。

不同以往普通PFC,它由两个大电感组成。在工作方式上,交错PFC技术让2个PFC交错并联工作在零电流导通的临界模式。并联工作的方式使得每路工作电流更低,有效地降低了开关电路的损耗;另一方面,PFC输入输出电流频率增加了一倍,有利于降低EMI电路的体积。



   
从上图,我们可以看到,交错式PFC有一个特点,就是有两个并列的PFC电感,也就是相当于有了两套PFC电路,两套的相位正好错开。 交错式PFC由此得名。

交错PFC电路使用较小的元件,降低成本,改善散热性能,提供功率密度,降低传导损耗,从而提高供电系统效率。

由于两套PFC电路必然提升电源造价成本,因此虽然这样的架构对于提升电源转换效率有一定的帮助,但它往往更多地会在中高端的电源范畴上出现。

电源的拓扑结构:

半桥拓扑:半桥拓扑是一种极为古老的电源结构,说好听点叫成熟,说实在点就叫落后。半桥拓辨别起来比较简单,一般来说,靠看电源中间部分的变压器就很容易辨别出是否是半桥拓扑的电源了。半桥拓扑的电源有一大(主变压器)两小(驱动变压器和辅助变压器)三个变压器,以大小小排列。


一般来说,半桥拓扑架构与被动PFC常常成对出现,出现在老电源或者低端电源身上。
如下图:


正激:正激是现在主流的电源结构,它已经再中低价位的像样点的电源中普及。正激拓扑的电源的辨别也是靠看电源中间部分的变压器,正激的电源雨有一大(主变压器)一小(辅助变压器)两个变压器,并没有驱动变压器(这也是为何不少老结构电源比新机构的电源重的原因之一)。如下图:

而正激里还分有几种,单管正激,双管正激和有源钳位正激。有源钳位正激可以说是正激的升级进化产物,它既能做成单管的,也能做成双管的,因此我们便能看到有源钳位单管正激和有源钳位双管正激。

看单管正激还是双管正激主要靠看一次侧上的开关管的数目,而由于一次侧上有开关管,二极管,还有三极管,其中开关管和三极管都是有三个脚,因此当我们在简单辨别的时候,并不需要去看清楚那三个脚的晶体管到底是三极管还是开关管。

单管正激:一次侧的散热片上,一般有两个三个脚的晶体管,其中一个是开关管。另一个则为三极管。如下图:




双管正激:顾名思义,就是有两个开关管的正激。双管正激的电源的一次侧散热片上一般有两个开关管和两个三极管,共有四个三个脚的晶体管。由于这些晶体管数目过多,而且有时候还有二极管,整流桥需要贴在散热片上,因此除了都贴在一条散热片的一边这种形式外,我们还经常能见到分别贴在一次测的两边两条散热片上,或者贴在一条散热片的正反两面这两种形式。
贴在一次侧两边的两条散热片上:
  
  
贴在一条散热片的正反两面:





都贴在一条散热片的一边:




相对之下双管正激的架构更为普遍,而这影响到一系列的电源内部架构,在开关管电路上,也分成是双管正激+单磁路放大,以及双管正激+双磁路放大。单磁路放大可以看出线圈有两组不同的颜色的绕组,余下一个是3.3V电感,双路磁放大三路各一个电感,其中5V和3.3V用的电感规格一般相同。


前者是十分常见的架构,而且成本相对低,单磁放大电源的电路特点就是在变压器与输出整流管之间有一个独立的磁环,配上一个为12V/5V输出储能的电感,以及一个单独为3.3V输出储能的电感,因为12V与5V电感联合输出,因此在稳定性方面较难掌控,尤其是在高瓦数电源里面,这样的架构就会容易出现问题。


用来弥补差距的则是双管正激+双磁路放大架构,其电路特点是在变压器与输出整流直接有两个磁环,加上三个分别为12V、5V与3.3V储能的电感,12V和5V输出分开以后,在交叉负载等的供电需求上稳定性也会保证在良好的水平,而且同时能够兼顾较高瓦数段的电源成本生产。



LLC谐振:LLC谐振是现在开始流行的一种新设计,其最大的特点就是能轻而易举地用较低的成本做到很高的转换效率。电路上包含有一个谐振电感与谐振电容,不带输出电感,和老式的半桥拓扑电源一样,LLC谐振也是有一大(主变压器)两小(待变变压器和谐振电路驱动变压器)三个变压器。只不过它的变压器一般一大一小的顺序排列。并且在一个小变压器的旁边还会有一个比较大的谐振薄膜电容。


LLC可以做到充分提升转换效率,稳定性也有保障,很多金牌电源,尤其是中低瓦数级别的金牌都采用了这样的架构,如下图:


有了LLC谐振,自然就会提及到DC-DC模块,用来负责5V与3.3V部分输出的。

DC-DC模块: DC-DC模块输出相比传统采用变压器直接变压输出,具备使线路电压输出在高负载和负载落差较大时的情况下其输出电压仍可保持稳定状态,这就是提升电源转换效率的一个重要途径。

DC-DC模块一般用于中高端电源的设计,在大多数情况下,它都能很容易识别得出。因为多数DC/DC的电源会在二次侧树立着一块块垂直于主PCB板的小PCB板,上面和附近布满了电容,而且小PCB板上还会有平放在PCB板上的电感。


有源钳位正激:显著的特点是高压侧一大一小两只开关管。(或者说是两组)主开关管电流大,耐压高,体积一般也较大,固定在散热器上,有时还不止一只,用两只并联。副开关管一般要小一号,有时甚至不装散热片。由于其成本控制较为困难,因此只有部分高瓦数级别电源,沿用这样的架构,能够很大程度上提升电源转换效率,可惜的是,由于使用此先进设计的电源过少,因此难以找到合适的图片来予以说明。

二次侧,其实也是电源的低压滤波输出部分,它对电源内部经过转换、整流等处理过后的电流进行过滤,保证为平台上的各部分配输出纯净的电流。一般而言,电路上包含有线圈及低压滤波电容,一般的解决方案是大小两个线圈,其中大的线圈负责+12V和+5V的转换输出,而小的线圈单独负责+3.3V的输出。而低压滤波电路采用了容量更高的滤波电容。

关于二次侧的滤波电容:当我们在看到一个电源的内部图片时,我么能看到在二次侧部分树立着一些电容,有的电源比较多,而有的电源则比较少。这些电容的主要作用,其实就是给输出的电流滤波,以达到让电源输出的直流电纯净的目的。当然,一个电容的滤波能力相当有限,因此同堂要在一条电流上串联多个电容让电流进行多次过滤,以达到让电流更纯净的目的。电流过滤得是否纯净,纹波的好坏就与其二次侧所用的电容的品质性能和数量有很大关系。

以下为一款二次侧用了不少优质电容的优秀模范电源内部图:


以下为一款二次侧用了少量普通电容的杯具典型电源内部图:


而除了常规的样子,部分对二次侧用料进行优化过的电源,会采用+12V/+5V/+3.3V电路分别分配独立电感线圈进行输出的方案,每路成独立输出以后,相互之间的干扰会更少,保持电压平稳,对显卡、CPU、主板等的稳定性支持更有优势。‘


而同样地还有一些厂商,在二次侧输出部分采用了固态电容,固态电容的电气性能更佳,同时也能让低压滤波输出的电流更为纯净。

最后,不得不说的一点,我们经常在电源二次侧输出的附近看到一个芯片,这其实就是一个电源的控制保护芯片,它是电源安全保障不可或缺的一个部分,监控+3.3 V、+5 V、+12 V等各路电压输出,实现各路输出的UVP(低电压保护)、OVP(过电压保护)、OCP(过电流保护)、SCP(短路保护),同时部分控制芯片还提供了OTP(过温度保护)或-12 V UVP(低电压保护)的功能,当超出片内设定值后,会自动停止工作,保护电源内部及平台上各配件及元件的运行,内部设计有过载保护以及防雷击功能,可保证整个电源稳定工作。


上述的这些小小的讲解,希望能够对大家简单识别电源内部技术架构有所帮助,也许当中有很多不完善和不充分之处,希望各位高手能够指正……
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