“電源(PSU)”其實(shí)是“電源供應(yīng)器(Power Supply Unit)”的簡(jiǎn)稱。而我們所經(jīng)常提到的“PC電源”,實(shí)際上也是一種簡(jiǎn)稱,如果嚴(yán)格上講,我們應(yīng)該將“PC電源”稱之為“應(yīng)用于PC主機(jī)上的開關(guān)電源供應(yīng)器”,當(dāng)然這樣的稱呼實(shí)在是太麻煩了,因此在以下的段落中,我將使用其最簡(jiǎn)短的稱呼“電源”。
對(duì)于我們的電腦來(lái)說(shuō),電源是一個(gè)重要的組成部分,它是電腦的“心臟”,在源源不斷地為CPU、顯卡、硬盤……等其它硬件部分提供持久穩(wěn)定的電力支持,保障我們可以正常的使用電腦進(jìn)行各種各樣的工作。所以如果電源不能正常工作或者損壞,那么電腦中的其它硬件也會(huì)受到波及,并且很可能會(huì)由此而造成更嚴(yán)重的損失。
一顆良好的電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
因此,一般來(lái)說(shuō),我們應(yīng)該先購(gòu)買一顆良好的正品電源,然后在選擇其它的硬件配置。但是大多數(shù)人的做法卻恰恰相反,他們往往會(huì)先選擇好其它硬件,然后才回用最后那些為數(shù)不多的錢,去購(gòu)買電源。
而如果你正是這些剛才所描述的狀況,那么我們還是真誠(chéng)的建議你先瀏覽一下這篇文章,因?yàn)檫@會(huì)對(duì)你在選擇電源產(chǎn)品上很有幫助,并且也可能會(huì)改變你對(duì)“電源”的態(tài)度,讓你知道“電源”在電腦中所扮演著何等的重要角色。
因此我們回分幾期文章,與大家一起了解一下這個(gè),我們最熟悉也是最陌生的朋友——電源。
好啦,那么我們先從電源的基本原理開始。
電源結(jié)構(gòu)其實(shí)并不復(fù)雜
目前所有在電腦中所使用的電源,都可以稱為“開關(guān)電源轉(zhuǎn)換”,英文簡(jiǎn)稱“SPC”。而開關(guān)電源的原理,實(shí)際上也比較簡(jiǎn)單,就是將國(guó)家電網(wǎng)中獲取的能量,將能量分成一個(gè)個(gè)高頻的小能量包,然后通過(guò)例如電容、電感等電器元件將其轉(zhuǎn)移,到最后所有的小能量包被集中融合到一起,使得被矯正過(guò)之后的能量得以平順的輸出。因此開關(guān)電源,相對(duì)于其它電源形式來(lái)說(shuō),更小巧,更高效。
相比較于線性電源(Linear Power Supply)來(lái)說(shuō),開關(guān)電源具有兩個(gè)主要的優(yōu)勢(shì),開關(guān)電源采用與線性電源完全不同的設(shè)計(jì),因此電源的體積以及重量上減少了很多,并且電源的轉(zhuǎn)換效率可以很容易的超過(guò)90%。
普通開關(guān)電源原理
不過(guò)另一方面,開關(guān)電源也有個(gè)最明顯的缺陷,就是由于開關(guān)電源本身的復(fù)雜性,會(huì)產(chǎn)生大量的電磁輻射,因此目前的開關(guān)電源中都會(huì)配有EMI濾波器或則RFI屏蔽。
電源內(nèi)部是這樣劃分區(qū)域的
●EMI瞬態(tài)濾波器(EMI/Transient Filter):抑制電流進(jìn)入和輸入時(shí)的EMI/RFI ,起到電壓浪涌峰值保護(hù)的作用。
●整流橋(Bridge Rectifier):將輸入的AC交流電矯正為DC直流電。
●主動(dòng)PFC(APFC):控制輸入電源的電流,以便于是電流波形成為正比例的電源電壓波形。(使電壓和電流成線性正比例關(guān)系)
●主開關(guān)(Main Switches):將直流電信號(hào)切斷成很小的高頻能量包。
●變壓器(Transformer):獨(dú)立在一次側(cè)和二次側(cè)之間,并且將高壓電降低到低壓電。
●二次側(cè)濾波整流(Output Rectifiers & Filters):對(duì)經(jīng)過(guò)降壓的直流電進(jìn)行濾波整流。
●保護(hù)電路(Protection Circuits):當(dāng)電源出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題時(shí),及時(shí)關(guān)閉電源。
●PWM控制器(PWM Controller):周期性調(diào)整主開關(guān),以保持在所有負(fù)載下穩(wěn)定輸出電壓。
●隔振器(Isolator):阻斷從直流輸出和前往PWM控制的電壓反饋。
在電源電路變壓器之前的部分,通常被稱作“一次側(cè)”,而在變壓器后部面的部分則被成為“二次側(cè)”。簡(jiǎn)單的說(shuō),一次側(cè)主要負(fù)責(zé)高壓部分,二次側(cè)主要負(fù)責(zé)低壓部分。
為什么需要EMI電路?
電源在工作時(shí),開關(guān)晶體管會(huì)產(chǎn)生大量的EMI和RFI,而這會(huì)嚴(yán)重的影響到屋內(nèi)其它電子設(shè)備的正常工作。所以我們?yōu)榱吮WC電源不受到,電網(wǎng)中的輸入噪聲和傳出電壓浪涌峰值的影響,我們需要在電源的這一個(gè)階段進(jìn)行一個(gè)雙向的保護(hù)措施。
市電電流進(jìn)入電源首先要經(jīng)過(guò)EMI濾波器的過(guò)濾
噪音(Noise),根據(jù)傳導(dǎo)模式可以分為兩種類型:共模噪音(CMN)和差模噪音(DMN)。
共模、差模過(guò)濾一個(gè)都不能少
1.共模噪聲(CMN)是在使用交流電源的電氣設(shè)備的輸入端(輸電線和中線)都存在這種噪聲,兩者對(duì)地的相位保持同相。通過(guò)在電磁干擾濾波器中放置與每條輸電線串聯(lián)的電感,并在兩個(gè)輸電線和地之間使用Y電容進(jìn)行連接,來(lái)予以抑制。
2.差模噪聲(DMN)是來(lái)自電源火線而經(jīng)由中線返回的噪聲,存在于交流線路和中性導(dǎo)線中。
熱敏電阻
EMI濾波電路的位置在整流橋之前,因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)就可以在電流通過(guò)整流橋二極管之前對(duì)噪聲進(jìn)行過(guò)濾。在EMI濾波電流的組成部分中,必須要有兩個(gè)Y電容和兩個(gè)X電容,兩個(gè)電磁線圈,一個(gè)MOV(壓敏電阻)以及一個(gè)保險(xiǎn)絲,這些組成部分缺一不可。另外,這里需要簡(jiǎn)單介紹一下,MOV是的全名叫做“壓敏電阻器”,主要是在電網(wǎng)浪涌電壓峰值時(shí),對(duì)電源起到保護(hù)作用。
然而,在一些低端電源產(chǎn)品中,有些制造商會(huì)省略掉這個(gè)MOV,用來(lái)節(jié)省成本。如果你的電源里在EMI電路中,沒(méi)有MOV的話,那么最好連接一個(gè)帶有浪涌保護(hù)器的電源插座或者UPS電源,否則會(huì)對(duì)你的電源以及硬件系統(tǒng)造成很大的損害。
通常會(huì)放在EMI過(guò)濾電路的旁邊
一般在EMI濾波電路之后,會(huì)設(shè)有一個(gè)熱敏電阻NTC(全名:負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器,溫度越高時(shí)電阻值越低),通常會(huì)被用于在大電流進(jìn)入的時(shí)候,對(duì)電源內(nèi)部元件進(jìn)行保護(hù)。熱敏電阻有如其名,是一個(gè)通過(guò)溫度高低控制電阻阻值高低的電阻器。當(dāng)熱敏電阻溫度低的時(shí)候,電阻阻值通常在6-12歐姆左右,當(dāng)電源啟動(dòng)后,電阻器溫度升高,阻值大約為0.5-1歐姆左右。
對(duì)于高性能的電源,則會(huì)配有一個(gè)繼電器,在電源啟動(dòng)之后則會(huì)繞過(guò)熱敏電阻,減少電力的熱量損失,對(duì)于電源效率的提升起到一定的幫助。
整流橋 AC to DC的關(guān)鍵
其實(shí)整理橋的全稱叫做“橋式整流器”,是由四只整流硅芯片作橋式連接,然后使用絕緣朔料將其封裝一起,而一些大功率橋式整流器在絕緣層外添加鋅金屬殼包封,主要也是為了增強(qiáng)散熱。
電源整流橋
而有些質(zhì)量較低,或者結(jié)構(gòu)較老的電源中,我們不會(huì)看到封裝好的整流橋,大多會(huì)以四個(gè)整流晶體管并列焊接在電路板上。
非常古老的整流橋
另外,需要注意的是,整流橋是電源中發(fā)熱量較大的電氣元件,尤其是在一些功率較大的電源中,整流橋必須配有散熱片進(jìn)行散熱,否則會(huì)存在電源使用的安全隱患。
“功率因數(shù)”到底是如何產(chǎn)生的
通過(guò)整流橋矯正后直流電被輸入到PFC電路。而在我們討論P(yáng)FC(功率因數(shù)校正)電路之前,還是讓我們先來(lái)簡(jiǎn)單的了解一下什么叫做“功率因數(shù)(PF)”吧。
功率因數(shù)(PF)是指,實(shí)際功率(有效功率)與視在功率(表觀功率)的比率(kW/kVA),而我們都知道,功率P等于電壓與電流的乘積(P=V×I)。另外,在電路中會(huì)存在著最基本的兩種電路負(fù)載,一種為“電阻(由電源中各種電阻構(gòu)成的電路負(fù)載)”,另外一種為“電抗(由電源中電感線圈和電容構(gòu)成的電路負(fù)載)”。
如果整個(gè)電路都是線性負(fù)載(電路阻抗為恒定常數(shù)的負(fù)載),那么電源電壓和電流都將會(huì)呈現(xiàn)為正弦曲線,并且相位相同。而如果在這個(gè)純電阻電路中,那么電壓和電流都會(huì)在同一時(shí)刻逆轉(zhuǎn)極性,那么也就是說(shuō),在每一時(shí)刻,電壓與電流的乘積都為“正”。也就是說(shuō),在電路中,沒(méi)有“反方向(負(fù)極方向)”的能量移動(dòng),而此時(shí)所產(chǎn)生負(fù)載功率才被稱為“實(shí)際功率”。
純電抗電路負(fù)載
而在一個(gè)純電抗負(fù)載電路中,電壓和電流之間會(huì)產(chǎn)生一定的是時(shí)間差,也就會(huì)出現(xiàn)相位差(最大理論值為90度,一般情況多為45度),那么電壓與電流的乘積,就不一定每一時(shí)刻都為“正”了。在第一個(gè)半周期內(nèi),能量為“正”,另外一個(gè)半周期內(nèi)能量為“負(fù)”,那么就是說(shuō),前半周期電源從電網(wǎng)中獲取能量,而在后半個(gè)周期內(nèi),這些能量又會(huì)回流到國(guó)家電網(wǎng)中。所以如果按照一個(gè)周期計(jì)算,那么電源獲得的能量會(huì)為“零”,沒(méi)有能量。
電阻電抗混合電路負(fù)載
上面的兩種描述都是純理論的理想狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用中,電路中會(huì)有大量的電阻、電感和電容,在同一時(shí)刻都會(huì)有負(fù)載,也就會(huì)產(chǎn)生不同方向的“能量”。因此,所有的正向能量,我們稱其為“實(shí)際功率”,而反向回流電網(wǎng)的能量則稱之為“無(wú)用功率”,那么“實(shí)際功率”與“無(wú)用功率”的綜合,就是之前我們所說(shuō)的“視在功率”。
國(guó)家電網(wǎng)為何如此重視“功率因數(shù)”
但正如我們之前所提到的,“功率因數(shù)”實(shí)際上就是“實(shí)際功率”與“視在功率”的比值。而最為理想的比值為“1”,當(dāng)然這還無(wú)法做到,因此只能無(wú)限接近于“1”,這個(gè)數(shù)值我們一般稱之為“功率因數(shù)”。
這里我們需要指出的是,居民用戶只需要支付實(shí)際功率(瓦數(shù))所消耗的電量,則不會(huì)支付回流到電網(wǎng)中無(wú)用功率的電量。而對(duì)于商業(yè)工廠用電則會(huì)追加無(wú)用功率這一部分的用電,因?yàn)樗麄兯碾娏康幕鶖?shù)太大了。
工業(yè)用電功率因數(shù)太低 會(huì)造成巨大電能浪費(fèi)
雖然對(duì)于居民用戶來(lái)說(shuō),我們不需要支付無(wú)用功率的電費(fèi),但是根據(jù)《歐盟EN61000-3-2號(hào)標(biāo)準(zhǔn)》(當(dāng)然中國(guó)也有相關(guān)的法規(guī)條款),凡是功率擦超過(guò)75W的開關(guān)電源,都需要至少安裝被動(dòng)PFC模塊。此外,在80Plus電源認(rèn)證中,則要求功率因數(shù)需要超過(guò)0.9,甚至更多。
主動(dòng)PFC更利于電網(wǎng)節(jié)能
不過(guò)在數(shù)年前,許多的電源廠商大多都在電源產(chǎn)品中使用被動(dòng)PFC模塊。而PFC模塊則是一個(gè)減少諧波電流,并且將非線性負(fù)載轉(zhuǎn)換成線性負(fù)載的過(guò)濾器,電容和電感所產(chǎn)生的功率因數(shù)則會(huì)向單位值跟近一些。
因此,我們接下來(lái)要說(shuō)的,就是主動(dòng)PFC和被動(dòng)PFC電路。被動(dòng)PFC相對(duì)主動(dòng)PFC,功率因數(shù)較低,并且被動(dòng)PFC只適用于230V高壓電網(wǎng),對(duì)于115V低壓電網(wǎng),被動(dòng)PFC還需要一個(gè)倍壓器以適應(yīng)電網(wǎng)規(guī)格。不過(guò),被動(dòng)PFC比主動(dòng)PFC的效能要高!
主動(dòng)PC電路
對(duì)于主動(dòng)PFC來(lái)說(shuō),它基本上是一個(gè)通過(guò)PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制電流波形的AC/DC整流器。在最開始,AC電壓通過(guò)整流橋整流。然后PWM觸發(fā)主動(dòng)PFC電路中的MOSFET管(通常是兩個(gè)),分離中間直流電壓到恒定脈沖序列。這些脈沖信號(hào)通過(guò)濾波電容,將相對(duì)平順的電流送到主開關(guān)電路。而在此之前,我們還會(huì)看到一個(gè)大個(gè)的電感線圈,而這個(gè)大電感可以對(duì)突然涌入的電流起到緩沖和梳理的作用,當(dāng)然磁線圈也是電抗產(chǎn)生的重要元件。
此外,在主動(dòng)PFC電路中我們還會(huì)看到一個(gè)熱敏電阻,同樣是用來(lái)限制突然涌入的電流,特別是當(dāng)電源通電以及啟動(dòng)時(shí)。
80Plus要求PFC超過(guò)0.9
主動(dòng)PFC電路通常也有兩種不同的模式,電流斷續(xù)模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和電流連續(xù)模式CCM( Continuous Conduction Mode)。其中DCM是指,當(dāng)電感電流為零時(shí),PFC的MOSFET管被開啟的工作狀態(tài);CCM是指,電感電流始終在零以上,PFC的MOSFET管被開啟的工作狀態(tài),因此在MOSFET管中,所有的反向恢復(fù)的能量都會(huì)被浪費(fèi)。
在電源PFC電路中的第二種模式(CCM)主要被用于超過(guò)200W功率輸出的電源,因?yàn)樗軌蛱峁┫鄬?duì)較低電流噪聲峰值,這意味著高功率電源可以有效抑制電流紋波,輸出更為平順的電流。不過(guò)CCM的缺點(diǎn)是耗能較高,并且在升壓二極管關(guān)閉時(shí),會(huì)產(chǎn)生額外EMI,所以我們經(jīng)常會(huì)看到電源整流橋后通常會(huì)增加一個(gè)X電容。
因此在目前的電源產(chǎn)品中,都會(huì)采用CCM模式的PFC電路,雖然功耗略高,也會(huì)產(chǎn)生額外的EMI,但是可以有較高水準(zhǔn)的功率因數(shù)輸出。因此對(duì)于高能耗的用電大戶來(lái)說(shuō),高功率因數(shù)的電源是非常有必要的,對(duì)于國(guó)家電網(wǎng)的節(jié)能也是十分重要的,畢竟節(jié)約能源人人有責(zé)嘛。
主控開關(guān)的重要作用
根據(jù)資料的解釋,電源的主控開關(guān)(Main Switches)只有兩種狀態(tài)模式,一種是“開(導(dǎo)通)”,而另一種則是“關(guān)(非導(dǎo)通)”。用于導(dǎo)通和切斷從濾波電容輸出的直流信號(hào),通過(guò)開關(guān)閉合形成脈沖信號(hào),而輸入電壓大小決定了脈沖信號(hào)的振幅,開關(guān)穩(wěn)壓控制器來(lái)調(diào)節(jié)占空比。因此,直流信號(hào)被轉(zhuǎn)換成方波形式輸入到電源的主變壓器中。
占空比是脈沖持續(xù)時(shí)間與脈沖周期的之間的不知比值
而由電源的主變壓器調(diào)整直流電壓之后,輸出到電壓二次側(cè)中(輸出電壓為:+12V、5V、3.3V、5VSB和-12V)。因此變壓器在電壓一次側(cè)和二次側(cè)之間扮演著相當(dāng)重要的角色。
當(dāng)主控開關(guān)接通時(shí),通過(guò)的電壓為零(理論上);而主控開關(guān)斷開時(shí),通過(guò)的電流為零,這意味著在主控開關(guān)中應(yīng)該沒(méi)有能量損失。
然而這只是一種理想狀態(tài),在現(xiàn)實(shí)中,沒(méi)有任何晶體管或者M(jìn)OSFET管能做到零損耗。主控開關(guān)的晶體管,開和關(guān)之間,總有那么一小段時(shí)間內(nèi),會(huì)同時(shí)存在著電壓和電流,所以電壓和電流的乘積就不可能為零,由此就產(chǎn)生了電能損耗,也就是“熱量”。因?yàn)殡娫磧?nèi)所有的MOSFET管,都是通過(guò)風(fēng)扇和散熱片進(jìn)行散熱。
在電源的二次側(cè)部分,整流器和濾波器在電源中的作用,就像他們的名字一樣如意理解,其主要任務(wù)就是,通過(guò)MOSFET開關(guān)管矯正和過(guò)濾高頻整流波形電流,完成二次側(cè)部分的整流任務(wù)。
在這個(gè)電路部分,我們也將會(huì)了解到 兩種不同的低壓整流設(shè)計(jì),“被動(dòng)式”和“同步式”。前者通常會(huì)使用肖特基二極管,而后者則會(huì)使用MOSFET管代替肖特基二極管。使用MOSFET管代替肖特基二極管的主要作用,就是為了減少正向電壓壓降。
肖特基二極管
我們舉個(gè)例子先,一個(gè)典型的肖特基二極管有0.5V左右的壓降,如果導(dǎo)通40A的電流,那么就會(huì)出現(xiàn)20W的能量損失(40A×0.5V=20W)。如果我們用MOSFET管代替掉肖特基二極管,一般MOSFET的電阻為0.003歐姆,那么損失掉的能量?jī)H有4.8W(40A×40A×0.003Ω)。那么這樣算來(lái),我們就可以節(jié)省15.2W,提高將近24%的功耗。
而實(shí)際使用中,我們也會(huì)見到肖特基二極管和MOSFET管同時(shí)使用的情況,因此我們也把這樣的整流設(shè)計(jì)叫做“半同步整流”。其主要目的,就是為了節(jié)省成本,因?yàn)樾ぬ鼗O管相對(duì)要更便宜一些。
同步整流MOSFET整流管
另外,電源有個(gè)-12V輸出電路,而-12V的產(chǎn)生,主要由于使用傳統(tǒng)二極管的原因,并且因?yàn)樵?12V這一路我們不需要過(guò)重的負(fù)載(通常電流小于1A)。5VSB是在電源關(guān)閉狀態(tài)下的仍在通電的輸電路,并且擁有一個(gè)完全獨(dú)立的變壓器,因此我們也稱其為,“待機(jī)電路”。而剩下輸出的主輸出(+12V、5V、3.3V)則將會(huì)進(jìn)一步的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。這部分的調(diào)壓方式將會(huì)有三種:組調(diào)節(jié)(Group regulation)、獨(dú)立調(diào)節(jié)(Independent regulation)和DC-DC模塊調(diào)節(jié)(DC-DC conversion),完成進(jìn)一步穩(wěn)壓調(diào)節(jié)過(guò)濾。而下面我們就來(lái)逐一的介紹一下。
組調(diào)節(jié)(Group regulation)
“組調(diào)節(jié)”經(jīng)常被用于輸出能力較低或者比較廉價(jià)的電源當(dāng)中。當(dāng)然,我們可以通過(guò)計(jì)算電源二次側(cè)的電感線圈使用個(gè)數(shù),來(lái)快速判斷電源是否是“組調(diào)節(jié)”。如果你發(fā)現(xiàn)只有兩個(gè)電感,那么就是“組調(diào)節(jié)”。個(gè)頭稍大的電感用于12V和5V輸出,另一個(gè)較小的用于3.3V輸出。+12V和5V的調(diào)壓是同時(shí)進(jìn)行,并且通過(guò)同一個(gè)電壓反饋控制器控制。
組調(diào)節(jié)(Group regulation)
不過(guò),如果12V和5V線路負(fù)載的不平衡的話,同時(shí)輸出+12V和5V來(lái)說(shuō),就很容易出現(xiàn)問(wèn)題(如果12V負(fù)載高,5V負(fù)載低,那么調(diào)壓控制就會(huì)調(diào)高12V電壓,那么同時(shí)輸出的5V,也會(huì)被調(diào)壓控制器也會(huì)調(diào)高,因此5V電壓就會(huì)偏高,甚至?xí)鲆?guī)范)。因此在交叉負(fù)載的測(cè)試中,通過(guò)“組調(diào)壓”的5V電壓則經(jīng)常會(huì)超過(guò)+/-5%的標(biāo)準(zhǔn)。而在“組調(diào)壓”中3.3V則是通過(guò)在12V或5V輸出后的一個(gè)磁放大線圈進(jìn)行調(diào)壓。
獨(dú)立調(diào)節(jié)(Independent regulation)
“獨(dú)立調(diào)節(jié)”,通常被使用大功率和高性能電源上,不過(guò)成本相對(duì)較高些。在這樣的獨(dú)立調(diào)壓控制器中,所有的輸出的直流電電壓都會(huì)被單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整,而在電壓負(fù)載不平衡時(shí),則不會(huì)出現(xiàn)個(gè)輸電電壓突升或者驟降的情況出現(xiàn)。
獨(dú)立調(diào)節(jié)(Independent regulation)
電源+12V電路通過(guò)主調(diào)壓器調(diào)整,而5V和3.3V則通過(guò)磁放大線圈調(diào)整。并且你同樣可以通關(guān)過(guò)計(jì)算二次側(cè)的磁線圈,鑒別電源是否使用了“獨(dú)立調(diào)壓”,而通常情況下,獨(dú)立調(diào)壓電源在二次側(cè)會(huì)使用3個(gè)電感線圈。
穩(wěn)壓調(diào)節(jié):DC-DC模塊調(diào)節(jié)
不過(guò)現(xiàn)在很多電源制造廠,都開始使用Buck電路對(duì)小功率輸出的輸電路進(jìn)行壓降轉(zhuǎn)換,其實(shí)這就是我們?cè)诒容^高端的電源產(chǎn)品中比較常見的調(diào)壓方式——“DC-DC調(diào)壓模塊”。
DC-DC模塊調(diào)節(jié)(DC-DC conversion)
過(guò)程是這樣,5V和3.3V直接有12V降壓生成,這樣可以再交叉負(fù)載中,有著很不錯(cuò)的效率。不過(guò)這里,我們需要指出的是,DC-DC調(diào)壓模塊,其實(shí)也是獨(dú)立調(diào)壓方式的一種。
這樣的情況也是DC-DC模塊
另外,在濾波整流之后的環(huán)型磁線圈,不僅參與到電壓的矯正,還會(huì)起到更好的濾波作用,更好的一直電流的輸出紋波。然而,在一些利用LLC諧振電路拓?fù)涞碾娫粗?,通常我們則不會(huì)在二次側(cè)(+12V輸出)看到這樣的環(huán)型磁線圈,而如果有的話,那么它僅僅起到了過(guò)濾的作用。
電源規(guī)范認(rèn)證有何用
Intel有一套自己的電源規(guī)范,也就是我們通常聽到的ATX 2.2、ATX2.31……等等。實(shí)際上,“ATX”是 Advanced Technology Extended的簡(jiǎn)寫,是Intel對(duì)于之前AT主板市場(chǎng)的一種規(guī)范形式。而“ATX電源”,則是指符合ATX主板規(guī)范,適用于ATX主板的開關(guān)電源。
intel ATX 2.31電源規(guī)范
ATX規(guī)范的首次推出是在1995年年底,并且定義三類供電接頭:4Pin Molex接口(現(xiàn)在俗稱為D型口)、4Pin軟驅(qū)接口,以及20Pin Molex接口(主板主電源接口)。并且在ATX規(guī)范中,要求開關(guān)電源需要提供5V和3.3V這兩路供電,因?yàn)楫?dāng)時(shí)大多數(shù)的電子廠商都需要這兩路提供供電需求,而12V則往往被用于風(fēng)扇和外接設(shè)備使用。這套最初的ATX規(guī)范,從1995年一直沿用到2000年。
而從2000年至今,intel的ATX規(guī)范已經(jīng)頒布了多次修干版本,最新的一次修訂是在2007年發(fā)布的ATX 2.31版。與先前的一個(gè)2.2版相比,主要的區(qū)別是,推薦最低效率增長(zhǎng)中80%,不在要求12V有很好的低負(fù)載能力。并且取消過(guò)流限制(每路240VA),鼓勵(lì)單路12V電流超過(guò)每路20A。
然而最后一條通常會(huì)被許多電源制造廠忽略掉,因?yàn)檫@些廠商將OCP(過(guò)流保護(hù)器)的出發(fā)點(diǎn)設(shè)定,會(huì)遠(yuǎn)高于20A的規(guī)定。
什么是EPS電源規(guī)范?
除了ATX規(guī)范之外,對(duì)于一些高端電源,尤其是一些高瓦數(shù)電源,我們還會(huì)聽到“EPS規(guī)范”這個(gè)名詞,那么它與ATX又有什么區(qū)別呢?
其實(shí)“EPS規(guī)范”是ATX規(guī)范的一個(gè)衍生物,全稱叫做“Entry-Level Power Supply Specification”。這套規(guī)范適用于高端PC電源,以及入門級(jí)的服務(wù)器電源。而這套規(guī)范是Server System Infrastructure forum(服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)論壇)。
EPS 2.9 電源規(guī)范
EPS規(guī)范中規(guī)定,符合EPS規(guī)定,電源主板電源接線必須提供24Pin接口,和一個(gè)8Pin的EPS接口,如果電源功率在700至800W之間,電源需要提供一個(gè)4Pin的12V接口,如果超過(guò)電源功率超過(guò)850W,那么則需要提供兩個(gè)4Pin 12V接口。而最新的EPS規(guī)范已經(jīng)更新到2.9版本。
不過(guò)就目前來(lái)說(shuō),在intel的領(lǐng)導(dǎo)下,CPU供電基本已經(jīng)是4+4Pin的模式,主板供電也達(dá)到了24Pin,也就說(shuō),如今的電源基本都是符合ATX和EPS標(biāo)準(zhǔn)的。
為什么要有80Plus認(rèn)證
除了電源規(guī)范之外,如今電源上還有個(gè)比較重要的標(biāo)識(shí),那就是“80Plus”。實(shí)際上,“80Plus”是由美國(guó)能源署出臺(tái), Ecos Consulting 負(fù)責(zé)執(zhí)行的一項(xiàng)全國(guó)性節(jié)能現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃方案。
起初為降低能耗,鼓勵(lì)系統(tǒng)商在生產(chǎn)臺(tái)式機(jī)或服務(wù)器時(shí)選配使用滿載、50%負(fù)載、20%負(fù)載效率均在80%以上和在額定負(fù)載條件下PF值大于0.9的電源。由美國(guó)政府自掏腰包,對(duì)于符合以上要求的,臺(tái)式機(jī)每套系統(tǒng)獎(jiǎng)勵(lì)5美元,對(duì)于服務(wù)器每套系統(tǒng)則獎(jiǎng)勵(lì)10美元。但是“80Plus”依舊是個(gè)民間出資的環(huán)保機(jī)構(gòu)。
80Plus效率等級(jí)
根據(jù)80Plus規(guī)范的要求,電源功率因數(shù)PF需要超過(guò)0.9(理想值為1),因?yàn)檫@樣可以為國(guó)家電網(wǎng)節(jié)省更多的能源,避免能源的浪費(fèi),尤其是對(duì)于一些工廠用電和集體用電來(lái)說(shuō)。
在轉(zhuǎn)換效率上,電源按照轉(zhuǎn)換效率高低,分為多個(gè)能效等級(jí),也就是我們俗稱的白牌、銅牌、銀牌、金牌和白金牌,而最近80Plus推出服務(wù)器級(jí)別,能效更高的“鈦金牌”效率等級(jí),要求最高效率超過(guò)96%!
全球第一款白金牌電源
這里需要補(bǔ)充一些小知識(shí),在2005年2月,海韻的一款預(yù)上市電源則成為全球第一個(gè)通過(guò)80Plus認(rèn)證的電源。而在2010年8月,全漢的FSP450-60PTM電源成為全球第一個(gè)通過(guò)80Plus白金效率的電源。
另外需要說(shuō)明的是,80Plus認(rèn)證的民用電源需要通過(guò)115V電壓下的測(cè)試,然而,對(duì)于大多數(shù)使用220至230V電壓的用戶來(lái)說(shuō),全電壓設(shè)計(jì)顯得有些浪費(fèi),因?yàn)槿绻豢?0Plus電源拿掉115V的低壓部分的話,大約會(huì)減少4至5美金的成本。也就說(shuō),如果115V電壓下拿掉高壓部分,或者230V下拿掉低壓部分,效率都會(huì)有0.5%至1.5%的變化。
效率如何更上一層樓
其實(shí)嚴(yán)格的說(shuō),關(guān)于電源的工作方式以及在電腦中的重要性,在我們介紹完電源主控開關(guān)管和二次側(cè)整流設(shè)計(jì)之后,基本上就已經(jīng)告一段落了。不過(guò),隨著高效電源技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的IC控制器被應(yīng)用到電源當(dāng)中,通過(guò)更科學(xué)更合理的調(diào)控、矯正,以提高電源交流轉(zhuǎn)換直流的工作效率和轉(zhuǎn)換效率更上一層樓。那么這些IC控制芯片以及方案就是我們今天所要介紹的內(nèi)容——“PWM控制器”以及“主控卡關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”。
就目前說(shuō),PWM控制器已經(jīng)被應(yīng)用到絕大多數(shù)的電源產(chǎn)品當(dāng)中。其主要的作用是為了保證電壓的穩(wěn)定輸出,和控制傳輸?shù)诫娫簇?fù)載的能量總量,而這些都是通過(guò)調(diào)整主開關(guān)管占空比完成。所以PWM控制器也可以看做一次側(cè)主控開關(guān)電路的一部分。
而使用PWM控制器的電源,則是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中,加在功率晶體管上的伏安乘積總是很小的(在導(dǎo)通時(shí),電壓低,電流大;關(guān)斷時(shí),電壓高,電流小)。因此,功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。
型號(hào)為CM6800的 PFC/PWM控制器
這些都是通過(guò)主控開關(guān)調(diào)節(jié)占空比完成。而占空比通??梢栽?%至100%之間調(diào)整,不過(guò)通常這個(gè)范圍比較小。簡(jiǎn)單的說(shuō),我們可以把輸出電壓值,看做輸入電壓與占空度的乘積(Vout = Vin × duty cycle)。
PWM控制器通常會(huì)使用電源理論電壓值,與輸出電壓值不斷進(jìn)行比較。而在PWM的IC芯片中有個(gè)電壓誤差放大器,用來(lái)執(zhí)行輸出電壓與參考電壓比較電壓值的增益。而根據(jù)這種電壓誤差寬度比較,誤差電壓脈沖寬度整流器則根據(jù)在電壓誤差放大器中反饋的電壓誤差級(jí)別來(lái)調(diào)整占空比。
型號(hào)為CM6800的 PFC/PWM控制器
除了決定主控開關(guān)的占空比,PWM控制器通常與其它功能合并使用,可以讓電源“溫柔的啟動(dòng)”,可以有效降低啟動(dòng)電流的沖擊,相當(dāng)于一個(gè)電源過(guò)流放大器保護(hù)電源過(guò)載。并且可以阻止由于控制器IC芯片電壓過(guò)低,以至于無(wú)法驅(qū)動(dòng)主開關(guān)管等等。
為了從直流輸出的電壓反饋能直接到達(dá)PWM芯片的電壓誤差放大器,因此會(huì)需要一個(gè)被隔離的反饋電路。而目前有兩種電氣隔離方法,光學(xué)的(光隔離器)和磁性的(變壓器)。在現(xiàn)代的電源中,光隔離器被使用的情況比較普遍。電壓誤差放大器也通常會(huì)安置在光隔離器的二次側(cè)附近,有時(shí)我們也將光隔離器成為“光耦合器”。
這里稍微介紹一下“光耦合器”。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào),它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。在一些需要通過(guò)絕緣層傳送信息但卻不允許物理電氣接觸的場(chǎng)合,通常需要一些隔離器件,比如PWM芯片中的反饋信號(hào),光隔離器就起到一個(gè)信號(hào)傳遞媒介的作用。
而在開關(guān)電源中,利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路,通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比,達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。
根據(jù)通過(guò)的峰值電流、最大工作電壓、轉(zhuǎn)換效率級(jí)別以及成本角度的考慮,電源制造商對(duì)于主控開關(guān)拓?fù)?,通常有很多?xiàng)設(shè)計(jì)方案。包括單管正激、雙管正激、全橋……等等。下面這個(gè)表格就列出了幾類常見的主控開關(guān)拓?fù)洹?/p>
最近一段時(shí)間,有許多的電源制造廠開始廣泛的應(yīng)用另外一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——“LLC諧振拓?fù)洹?。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),是利用諧振電感和電容器組合,主控開關(guān)MOSFET ZVS開通,輸出二極管ZCS關(guān)斷,沒(méi)有反向恢復(fù)問(wèn)題,開關(guān)損耗小,提高轉(zhuǎn)換效率,并且可以促使RFI和EMI減少,有效抑制紋波。
主流主控開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
而利用LLC諧振轉(zhuǎn)換器的主控開關(guān)速度會(huì)更快,而轉(zhuǎn)換效率也可達(dá)到93%至95%。當(dāng)然,我們關(guān)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型還有很多,不僅僅局限于上面我們所提到過(guò)的那些種類?!?/p>
評(píng)論
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