PC電源結(jié)構(gòu)剖-深度好文

ID:105323 · 發(fā)表于 2016-2-21 19:08

PC上使用的電源供應(yīng)器基于名為“開關(guān)模式（Switching Mode）”的結(jié)構(gòu)，因而也被稱為SMPS（開關(guān)電源）即Switching Mode Power Supplies（DC-DC變換器是對(duì)SMPS的另一種稱呼）。在這個(gè)文章里我們會(huì)解釋開關(guān)電源如何工作，并帶你一探PC電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作方式。在之前的幾篇文章中我們討論了電源的一些基本常識(shí)。在這部教程里我們講得深一點(diǎn)，進(jìn)一步解釋電源“黑盒子”里面有什么、電源由哪些主要元件組成、如何識(shí)別它們以及它們有什么功能。穩(wěn)壓電源有兩種基本類型：線性電源和開關(guān)電源。先簡要介紹線性電源的工作原理。電源從市電取得127V或220V交流電壓，通過變壓器將其轉(zhuǎn)換為低壓交流電（例如12V）。接著由一組二極管進(jìn)行全橋整流，將低壓交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流。下一步是濾波，由一組電解電容將這個(gè)脈動(dòng)直流波形濾成近似平滑的直流電。經(jīng)過電解電容濾波的直流波形仍然有小幅波動(dòng)（這個(gè)波動(dòng)稱作紋波），所以還需要一級(jí)電壓調(diào)節(jié)提供穩(wěn)定的輸出，使用齊納二極管或者集成穩(wěn)壓器電路.

雖然線性電源對(duì)于一些低功率應(yīng)用很適合——例如手機(jī)充電器、游戲主機(jī)電源就是兩個(gè)能立刻想到的典型應(yīng)用——但當(dāng)需要更大功率時(shí)，線性電源的體會(huì)變得很大。注：事實(shí)上小功率電源適配器常見的方案是Flyback、RCC等小功率開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，易做小尺寸和高效率，線性電源也有使用。
功率變壓器和濾波電容的容量（同樣地，體積）與輸入交流電的頻率成反比，也就是說，交流電頻率越低，這些元件的尺寸就越大。因?yàn)榫€性電源使用的市電頻率是50Hz（或60Hz，在一些國家）——這是個(gè)非常低的頻率——所以變壓器和電容會(huì)非常大。
同樣地，使用電力的設(shè)備電流需求越高，供應(yīng)它們的電源就需要越大尺寸的變壓器。
對(duì)于高頻開關(guān)電源而言，在進(jìn)入變壓器之前輸入電壓的頻率就要被提升（典型值為50~60KHz）。由于輸入電壓的頻率大幅提升，變壓器和電解電容就可以非常小。這類電源就被應(yīng)用于PC和其它一些電子設(shè)備例如錄像機(jī)上。記住這里的“開關(guān)”是指代“高頻開關(guān)元件”，而與電源外面是否有一個(gè)“開關(guān)按鈕”無關(guān)。

PC電源使用一種更好的方法：它是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。負(fù)責(zé)控制開關(guān)管的電路從電源輸出端取得反饋，依照PC的功耗增加或減少變壓器初級(jí)電壓的占空比（這個(gè)方法稱作PWM，脈沖寬度調(diào)制）。這樣電源根據(jù)負(fù)載設(shè)備的功耗對(duì)自身進(jìn)行再調(diào)節(jié)。當(dāng)你的PC不消耗很多能量時(shí)，電源調(diào)節(jié)自身提供較少的電流，這使得變壓器和其它元件的能量耗散更少——也散發(fā)出更少熱量。
對(duì)于線性電源而言，電源被設(shè)定為輸出最大功率，即便負(fù)載電路并不需要很大電流。這樣的后果是所有元件即便非必要的時(shí)候也工作在滿負(fù)荷下，結(jié)果產(chǎn)生高很多的熱量。

開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖
在下面兩個(gè)圖中可以看到一臺(tái)帶PWM反饋的PC用開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖（點(diǎn)擊查看清晰原圖）。第一個(gè)沒有PFC電路——通常這是便宜電源——而下一張的電源配備了有源PFC電路，這個(gè)電路一般用于高端電源。

比較這兩個(gè)圖，可以發(fā)現(xiàn)配備與不配備有源PFC電路的電源的結(jié)構(gòu)差別。配備了有源PFC的電源不需要切換110V/220V市電輸入的開關(guān)以及輸入倍壓器。
上面只是非常簡化的框圖。為簡潔起見我們并沒有加入各種附加電路，比如短路保護(hù)電路、待機(jī)電源、PG信號(hào)（Power Good）發(fā)生器等。如果讀者需要更詳細(xì)的電路圖，請(qǐng)看下圖。.如果你不懂電子也沒關(guān)系，這張圖只是為希望更深入了解的讀者準(zhǔn)備的。

一臺(tái)典型的低端ATX電源供應(yīng)器的原理圖，半橋結(jié)構(gòu)無PFC，控制方案采用典型的TL494芯片，配合LM393比較器、TL431C基準(zhǔn)電壓源等附加電路注：現(xiàn)在TL494及其同型芯片是低端半橋開關(guān)電源上非常常見的一款控制方案，配合339電壓比較器和431基準(zhǔn)電壓源等周邊電路組成低端開關(guān)電源的方案非常成熟，可以上至最高500W。與TL494同型的芯片常見的還有KA7500系列以及集成了494+339+431功能的SG6105等集成型控制器。我們后面會(huì)討論。
讀者可能對(duì)上圖中哪一級(jí)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電壓產(chǎn)生疑問，是PWM電路進(jìn)行這一工作。輸入電壓在開關(guān)晶體管之前經(jīng)過了一次側(cè)整流，經(jīng)過開關(guān)管輸出給變壓器的波形是方波而非正弦波。因?yàn)槭欠讲ㄋ院苋菀邹D(zhuǎn)換成直線。經(jīng)過變壓器后的二次側(cè)整流，輸出電壓已經(jīng)是接近直線了。這就是為何有時(shí)開關(guān)電源也被稱作DC-DC變換器。
注：PC上的開關(guān)電源也被稱作隔離式DC-DC變換器。實(shí)際上它做的就是將輸入整流電路提供的高壓直流轉(zhuǎn)換成低壓直流的工作，這一點(diǎn)和典型的DC-DC變換器非常相似，不同之處在于中間要加入變壓器隔離初級(jí)和次級(jí)，另外就是PC電源有多組電壓輸出。
連接PWM控制電路的反饋環(huán)負(fù)責(zé)所有必需的調(diào)節(jié)功能。如果輸出電壓過高或過低，PWM控制電路就變換開關(guān)管控制信號(hào)的占空比以修正輸出電壓。這一情形典型地發(fā)生在PC功耗升高的時(shí)候，此時(shí)輸出電壓有下降的趨勢(shì)；或者PC功耗下降的時(shí)候，此時(shí)輸出電壓有上升的趨勢(shì)。
在看下一頁之前你需要了解以下知識(shí)（這些知識(shí)你可以從研究上面的結(jié)構(gòu)圖獲得）：
變壓器之前的全部電路稱作初級(jí)（或者一次側(cè)）而變壓器之后的稱作次級(jí)（或者二次側(cè)）。
配備有源PFC的電源不需要110V/220V切換開關(guān)以及倍壓電路。
在沒有PFC的電源中，如果輸入電壓設(shè)置為110V，輸入電壓接入倍壓器電路，使輸入整流橋的交流電壓保持在220V左右。
PC電源上的高速開關(guān)由一對(duì)功率MOSFET管（或者BJT雙極型晶體管）構(gòu)成，實(shí)際上逆變級(jí)還有幾種不同的組成方式，我們稍后會(huì)討論到這一點(diǎn)。
加在變壓器一次側(cè)的電壓是方波，因而變壓器二次側(cè)輸出電壓是方波而非正弦波。
PWM控制電路——通常是一顆集成電路芯片——與一次側(cè)通過一個(gè)小變壓器（驅(qū)動(dòng)變壓器）隔離開。有時(shí)不使用變壓器而使用光耦（一個(gè)很小的帶有LED和光敏二極管的IC）進(jìn)行隔離。
前面我們提到，PWM控制電路參考電源的輸出電壓來確定如何控制開關(guān)管的開關(guān)。如果輸出電壓有偏離，PWM控制電路改變驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的波形（改變占空比）來修正輸出電壓。
下一頁我們將通過圖片來研究電源的每一級(jí)電路，告訴你在電源中何處能找到它們。
PC電源的內(nèi)部
當(dāng)你第一次打開電源外殼（此時(shí)不要將電源線連接在上面，否則你會(huì)被電到）時(shí)，你可能對(duì)電源內(nèi)什么電路在哪里毫無頭緒。但你至少可以一眼注意到兩個(gè)很容易識(shí)別的東西：電源風(fēng)扇以及一些散熱片。

但你應(yīng)該很容易識(shí)別出哪些元件是一次側(cè)，哪些是二次側(cè)。
你會(huì)看到一個(gè)（在配備有源PFC的電源上）或兩個(gè)（在無PFC的電源上）大號(hào)的電解
電容，找到它，就找到了一次側(cè)。
注：關(guān)于輸入端電解電容的配置方式有幾種常見情況。
對(duì)于無PFC或無源PFC電源而言，由于需要倍壓輸入電路，一般使用兩個(gè)200V左右的大電容串聯(lián)的接法。對(duì)于有源PFC電源，由于不需要倍壓輸入電路，一般就使用一顆400V左右的電容。
但是對(duì)于有源PFC電源而言，雖然不需要兩顆電容組成倍壓輸入電路，也有可能使用兩顆200V電容串聯(lián)的方案，比如航嘉和Topower的一些電源（寬幅王二代之類），可能是基于與低端型號(hào)共用一套方案的考慮。

像這張所顯示的，通常PC電源在兩個(gè)大號(hào)散熱片之間會(huì)有三個(gè)變壓器。主開關(guān)變壓器是最大的那個(gè)。中等體積的變壓器（待機(jī)變壓器）用來產(chǎn)生+5Vsb輸出（屬于線性電源），而最小的變壓器（驅(qū)動(dòng)變壓器）用于PWM控制電路，用來隔離二次側(cè)和一次側(cè)電路（這也就是為什么在圖3和圖4上這一變壓器被標(biāo)為“隔離器”）。在一些電源里不使用變壓器作為隔離器，而使用一個(gè)或幾個(gè)光耦（它們看上去就像小IC），所以在這些電源里你可能只找到兩個(gè)變壓器。關(guān)于這一點(diǎn)我們后面會(huì)更深入討論。
一個(gè)散熱片屬于一次側(cè)，而另一個(gè)散熱片屬于二次側(cè)。
在一次側(cè)散熱片上你能找到主開關(guān)管，如果電源配備了有源PFC電路，還包括PFC開關(guān)管和配套的快恢復(fù)二極管。一些廠商會(huì)將有源PFC元件放在一個(gè)獨(dú)立的散熱片上，在這些電源里你在一次側(cè)找到兩個(gè)散熱片。
在二次側(cè)散熱片上你能找到若干個(gè)整流管。它們看上去像三極管但事實(shí)上它們內(nèi)部是兩個(gè)封裝在一起的整流用功率二極管。
你還會(huì)發(fā)現(xiàn)一些屬于輸出濾波級(jí)的小號(hào)的電解電容與線圈——找到它們你就找到了二次側(cè)。
一個(gè)確定一次側(cè)與二次側(cè)更簡單的辦法是沿著電源的輸入輸出接線尋找。輸出的接線組連接
在二次側(cè)而輸入接線連接在一次側(cè)。
下面我們就開始討論在每一級(jí)電路里能找到的元件。
瞬變?yōu)V波電路PC電源的第一級(jí)電路是瞬變?yōu)V波電路（也稱為EMI濾波器）。下圖是一個(gè)推薦的瞬變?yōu)V波電路原理圖。
注：瞬變?yōu)V波電路不僅能保護(hù)電源及設(shè)備不受市電突波的侵害，也能抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾竄入市電。在交流輸入端的這一組電路實(shí)際上是兩級(jí)，一級(jí)負(fù)責(zé)交流濾波而一級(jí)負(fù)責(zé)抑制電壓突波。因?yàn)榻涣鳛V波電路的元件同樣對(duì)電壓瞬變有抑制作用，所以也可以視為瞬變抑制電路的一部分。
下面這張電路圖當(dāng)中，兩個(gè)電感采用不同接法分別起到共模與差模干擾抑制作用，C3和C1、C2的作用下面會(huì)講到。

這里我們說“推薦的”是因?yàn)楹芏嚯娫础绕涫橇畠r(jià)電源——不會(huì)做上圖中的全部元件。所以一個(gè)區(qū)分電源優(yōu)劣的簡便方法就是檢查它的瞬變?yōu)V波電路是否完整地做上了全部推薦的元件。
一個(gè)主要元件叫做MOV（Metal Oxide Varistor，金屬氧化物壓敏電阻）或壓敏電阻，在電路圖上標(biāo)為RV1，負(fù)責(zé)抑制市電的電壓尖峰（瞬變）。這個(gè)元件同樣被用在浪涌抑制器上。問題在于，廉價(jià)電源為了節(jié)省成本不會(huì)搭載這一元件。對(duì)于搭載了MOV的電源，市電接入的浪涌抑制器就不是必需了，因?yàn)殡娫磧?nèi)部已經(jīng)有一個(gè)瞬變抑制器件。
注：瞬變抑制器件除了壓敏電阻以外，還有輸出瞬態(tài)抑制二極管（Transient protection diode）和充氣式電涌放電器（Gas-filled surge arrester）。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，沒有一個(gè)瞬變抑制器件能接近理想要求，實(shí)際使用當(dāng)中是嚴(yán)格地設(shè)計(jì)使其相互配合，盡可能涵蓋所有應(yīng)用場合的。
L1和L2是鐵氧體線圈。C1和C2是扁平形狀的電容，通常為藍(lán)色，也被稱作“Y電容”。C3是金屬化聚酯膜電容，通常容量為100nF（納法）、470nF或680nF，也稱作“X電容”。有的電源配備了第二顆X電容，并聯(lián)在交流輸入火線和零線之間，位于圖中RV1的位置。
注：Y電容負(fù)責(zé)濾除共模干擾，X電容負(fù)責(zé)濾除差模干擾。它們都屬于安規(guī)電容。下面引用一篇來自的介紹X電容與Y電容的文章——
在交流電源輸入端,一般需要增加3個(gè)安全電容來抑制EMI傳導(dǎo)干擾。
交流電源輸入分為3個(gè)端子：火線（L）/零線（N）/地線（G）。在火線和地線之間以及在零線和地線之間并接的電容,一般統(tǒng)稱為Y電容。這兩個(gè)Y電容連接的位置比較關(guān)鍵,必須需要符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn), 以防引起電子設(shè)備漏電或機(jī)殼帶電,容易危及人身安全及生命。它們都屬于安全電容,從而要求電容值不能偏大，而耐壓必須較高。一般情況下，工作在亞熱帶的機(jī)器,要求對(duì)地漏電電流不能超過0.7mA，工作在溫帶機(jī)器，要求對(duì)地漏電電流不能超過0.35mA。因此,Y電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700PF（472）。特別指出：作為安全電容的Y電容,要求必須取得安全檢測(cè)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。Y電容外觀多為橙色或藍(lán)色,一般都標(biāo)有
安全認(rèn)證標(biāo)志（如UL、CSA等標(biāo)識(shí)）和耐壓AC250V或AC275V字樣。然而,其真正的直流耐壓高達(dá)5000V以上。必須強(qiáng)調(diào),Y電容不得隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V或者DC400V之類的普通電容來代用。在火線和零線之間并聯(lián)的電容,一般稱之為X電容。由于這個(gè)電容連接的位置也比較關(guān)鍵,同樣需要符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。X電容同樣也屬于安全電容之一。根據(jù)實(shí)際需要,X電容的容值允許比Y電容的容值大,但此時(shí)必須在X電容的兩端并聯(lián)一個(gè)安全電阻,用于防止電源線拔插時(shí),由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時(shí)間帶電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線被拔掉時(shí),在兩秒鐘內(nèi),電源線插頭兩端帶電的電壓(或?qū)Φ仉娢?必須小于原來額定工作電壓的30%。作為安全電容之一的X電容,也要求必須取得安全檢測(cè)機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。X電容一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和耐壓C250V或AC275V字樣,但其真正的直流耐壓高達(dá)2000V以上,使用的時(shí)候不要隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V或者DC400V之類的的普通電容來代用。通常,X電容多選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容。這種類型的電容,體積較大,但其允許瞬間充放電的電流也很大,而其內(nèi)阻相應(yīng)較小。普通電容紋波電流的指標(biāo)都很低,動(dòng)態(tài)內(nèi)阻較高。用普通電容代替X電容,除了電容耐壓無法滿足標(biāo)準(zhǔn)之外,紋波電流指標(biāo)也難以符合要求。
X電容是并聯(lián)在市電輸入火、零之間的任何電容，Y電容是成對(duì)出現(xiàn)的，需要串聯(lián)連接到火、零之間并將兩個(gè)電容的中點(diǎn)接地，也就是連接到電源外殼上，因而對(duì)于市電輸入而言它們是并聯(lián)的。
瞬變?yōu)V波電路不止濾除市電當(dāng)中的電壓瞬變，也防止開關(guān)管產(chǎn)生的噪音傳導(dǎo)到市電當(dāng)中對(duì)其它用電設(shè)備造成干擾。
讓我們來看一些實(shí)際的例子。注意下圖，看到什么奇怪的東西么？這個(gè)電源根本沒有瞬變?yōu)V波電路！
這是一個(gè)廉價(jià)的所謂“普通”電源。如果注意看你會(huì)看到電源PCB上印刷著濾波器件的安裝位置，那里本該有元件但現(xiàn)在空著。

下面這個(gè)圖中你可以看到一個(gè)廉價(jià)電源的瞬變?yōu)V波電路�？梢钥闯�，MOV不見了，而線圈只有一個(gè)（L2線圈缺失）。另一方面這個(gè)電源市電端有一個(gè)額外的X電容（對(duì)應(yīng)圖8中RV1的位置）。

在一些電源當(dāng)中瞬變?yōu)V波電路分成兩部分，一部分焊在市電輸入插座上而另一部分在主PCB上，你可以在圖11和12中看到一個(gè)例子。
在這個(gè)電源當(dāng)中你可以看到一個(gè)X電容和第一級(jí)鐵氧體線圈（L1）焊在一小塊PCB上，連接到市電交流輸入插座。

在這個(gè)電源的主PCB上你可以找到余下的元件�？梢钥闯鲞@個(gè)電源有一顆MOV，盡管放在一個(gè)不常見的位置也就是第二級(jí)線圈后面。如果你仔細(xì)看你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)電源的濾波元件數(shù)量比推薦數(shù)量還要多，除了圖8所示的元件外還有一個(gè)額外的X電容。

瞬態(tài)濾波電路第二部分

這個(gè)電源的MOV是黃顏色的，但最常見的MOV顏色是深藍(lán)色。
你應(yīng)該還能在瞬態(tài)濾波電路旁邊找到一顆保險(xiǎn)絲。如果這顆保險(xiǎn)絲燒了就要當(dāng)心了。保險(xiǎn)絲自己一般不燒毀，保險(xiǎn)絲燒毀通常意味著一個(gè)或多個(gè)元件失效了。如果你替換了保險(xiǎn)絲，替換上的那顆很可能在你下一次開機(jī)時(shí)立刻燒毀。
倍壓器和一次側(cè)整流電路
在沒有有源PFC電路的電源當(dāng)中你會(huì)找到一個(gè)輸入倍壓器。輸入備壓電路使用兩顆大號(hào)的電解電容。
在開關(guān)電源中找到的大號(hào)電容便屬于這一級(jí)電路。前面我們已經(jīng)提到，只有當(dāng)市電輸入是127V時(shí)才使用倍壓電路。
注：在輸入電壓為110V時(shí)，通過連通110V輸入開關(guān)，整流橋中的兩個(gè)二極管處于反偏狀態(tài)，另兩個(gè)二極管在正負(fù)半個(gè)周期內(nèi)輪流為電容充電，電容上的電壓就是火線零線之間的電壓絕對(duì)值。因?yàn)檩敵鲭妷菏莾深w電容串聯(lián)的電壓，所以就起到了倍壓整流的效果。
當(dāng)輸入電壓為220V時(shí)一定不能將開關(guān)扳到倍壓整流模式，否則一次側(cè)整流輸出電壓過高會(huì)燒電源。
倍壓輸入電路的電容容量隨不同結(jié)構(gòu)有不同的需求。對(duì)于半橋拓?fù)涞碾娫矗淮蝹?cè)的兩顆大電容的容量要求比較高。
無PFC或無源PFC的電源需要倍壓輸入電路，因而一次側(cè)大電容是兩顆200V左右串聯(lián)的規(guī)格；而配備有源PFC的電源，PFC電路本身就能完成升壓功能，經(jīng)過有源PFC電路輸出的直流電壓在300~415V左右，因而不需要倍壓電路，電容是耐壓值400V左右的規(guī)格。

在兩個(gè)大電解電容旁邊你可以找到一個(gè)全橋整流器。這個(gè)橋式整流器可以由分立的四顆二極管或單一封裝的元件組成，見下圖。在高瓦數(shù)電源里這個(gè)整流橋要安裝散熱片輔助散熱。

在一次側(cè)你還能找到一個(gè)NTC熱敏電阻，這是一個(gè)能隨著電源溫度升高而降低自身阻
值的電阻。它用來在電源工作少許時(shí)間、溫度上升到一定程度時(shí)重置電力供應(yīng)�！癗TC”代表負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient）。這個(gè)元件長得像一片圓片型陶瓷電容，通常是橄欖色。

注：NTC熱敏電阻的工作原理如下。
在計(jì)算機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的浪涌電流，可能燒毀電源和主機(jī)內(nèi)部，而NTC熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，阻值對(duì)溫度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，零功率下有一個(gè)較高的阻值而工作溫度下阻值接近零。因而在冷啟動(dòng)初始時(shí)NTC電阻串入電路可以將浪涌電流大部分抑制掉。當(dāng)計(jì)算機(jī)工作少許時(shí)間后，NTC電阻溫度上升到工作區(qū)間，自身阻值下降到很低的數(shù)值可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)輸出電流產(chǎn)生影響，可以避免過多功耗。采用熱敏電阻抑制浪涌的一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)?shù)谝淮瓮姇r(shí)需要花一些時(shí)間讓其電阻下降到工作阻值。如果此時(shí)交流輸入過小，調(diào)整也就無法形成足夠的升溫期。再者，當(dāng)關(guān)斷電源后快速地重新接通時(shí)，熱敏電阻還未完全冷卻，將部分喪失浪涌抑制功能。這也就是為何短暫地關(guān)掉又開啟電源是有害操作的原因，除非有針對(duì)這種情況的專門設(shè)計(jì)。
電源的防浪涌電流設(shè)計(jì)還有其它幾種方式。串聯(lián)普通電阻而非熱敏電阻是小功率應(yīng)用中的一種簡單做法，但是在電流增大時(shí)顯然導(dǎo)通損耗會(huì)比較大。對(duì)于大功率變換器可采用有源抑制電路，在啟動(dòng)之后使用雙向三極晶閘管或繼電器將抑制電阻旁路掉，對(duì)晶閘管或繼電器的工作方式需要合適的電路來控制。‘

------------------------有源PFC（主動(dòng)式PFC）電路------------------------------
顯然這個(gè)電路只有在配備了有源PFC的電源上才能找到，下圖是一個(gè)典型的有源PFC電路框圖。

有源PFC電路通常使用兩個(gè)功率MOSFET開關(guān)管。這兩個(gè)開關(guān)管固定在電源一次側(cè)的散熱片上。為方便記憶，我們用字母標(biāo)記每個(gè)MOSFET的三個(gè)引腳，S表示源極，D表示漏極而G表示柵極。
PFC二極管是一顆通常封裝的很像功率晶體管（但只有兩根針腳）的功率二極管，它也固定在電源一次側(cè)的散熱片上。
上圖中所示的PFC線圈是電源中個(gè)頭最大的線圈繞組。而搭配的濾波電容也是帶有此類電路的電源中個(gè)頭最大的電容。
PFC二極管后串聯(lián)的電阻是NTC熱敏電阻，和前一頁提到的NTC熱敏電阻起相同作用。
有源PFC電路通常由一個(gè)集成電路控制。有時(shí)這個(gè)電路還負(fù)責(zé)控制PWM開關(guān)電路（用來控制主開關(guān)管的開關(guān)），此類集成電路稱作“PFC/PWM Combo”。
我們來看一些實(shí)際的例子。在下圖當(dāng)中去掉了一次側(cè)散熱片以便讀者看清元件。圖片右方你可以看到前面討論過的瞬態(tài)濾波電路元件。左方是有源PFC部分的元件。因?yàn)橐淮蝹?cè)散熱片被摘下，PFC開關(guān)管和PFC二極管（事實(shí)上還有主開關(guān)管）在這里是看不到的。如果仔細(xì)觀察你會(huì)發(fā)現(xiàn)在整流橋和有源PFC電路之間有一顆X電容（整流橋散熱片下方露出一角的棕色方塊）。那個(gè)長得像圓片陶瓷電容且呈深綠色的熱敏電阻，正如你所看到的，通常外面包著熱縮管。我們剛剛提到，這個(gè)電源當(dāng)中能找到的最大個(gè)的線圈通常是有源PFC的線圈。

在下圖當(dāng)中你能看到一次側(cè)散熱片上固定的若干管子。左邊是PFC電路的一對(duì)功率MOSFET和功率二極管。

右側(cè)還能看到這臺(tái)電源的兩個(gè)主開關(guān)管（這里是MOSFET），我們下面就要討論到它們。
開關(guān)晶體管
SMPS的開關(guān)逆變級(jí)可以有若干種組態(tài)。我們?cè)谙卤碇锌偨Y(jié)了最常見的幾個(gè)組態(tài)。

當(dāng)然我們只是在分析“需要的元件數(shù)目”，在決定使用哪個(gè)電路結(jié)構(gòu)的時(shí)候工程師需要將很多其它因素考慮在內(nèi)。
對(duì)于PC電源最常見的兩種組態(tài)是雙管正激拓?fù)浜桶霕蛲負(fù)洌ㄔ臑閜ush-pull，估計(jì)是有出入），它們都使用兩顆晶體管作為主開關(guān)管。這些開關(guān)管——功率MOSFET管——的形態(tài)可以在前一頁看到，它們固定在電源一次側(cè)的散熱片上。
注：雙管正激式拓?fù)�，有的地方譯作“雙晶順向式”，一個(gè)比較正規(guī)的叫法是“對(duì)角半橋式正激變換器”，實(shí)際上是單端正激拓?fù)涞淖凅w，是現(xiàn)在常用的結(jié)構(gòu)。
半橋式（Half-bridge）拓?fù)洌趯?shí)際產(chǎn)品中使用的都是BJT雙極型晶體管作為開關(guān)元件。
500W以下小功率PC電源用半橋式拓?fù)涑杀镜土冶容^方便，缺點(diǎn)是性能和效率很難再提升。
全橋式（Full-bridge）拓?fù)涠嘤糜?000W以上大功率型號(hào)。
單端反激式，或稱反馳式變換器多用于小功率電源適配器或待機(jī)電源電路。
下面我們給出以上五種組態(tài)每一種的原理圖。

------------------------------變壓器和PWM控制電路---------------------------
前面我們提到，一臺(tái)典型PC電源具有三個(gè)變壓器。最大的一個(gè)是我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)框圖和原理圖上畫出來的主變壓器，其一次側(cè)與開關(guān)管相連，而二次側(cè)與次級(jí)整流與濾波電路相連，提供電源的各組直流輸出（+12V，+5V，+3.3V，-12V，-5V）。第二個(gè)變壓器用來產(chǎn)生+5Vsb輸出，一個(gè)獨(dú)立的稱作“待機(jī)電源”的電路產(chǎn)生這一路輸出。這么做的原因是這組輸出要一直開著，即便你的主機(jī)電源“已經(jīng)關(guān)閉”（也就是說處于待機(jī)狀態(tài)）。第三個(gè)變壓器是隔離變壓器（在我們前面的框圖里稱為“隔離級(jí)”)，將PWM控制信號(hào)耦合到開關(guān)管上。這個(gè)第三組變壓器可能不會(huì)存在，而是被一組或多組看起來像是集成電路的光耦取代。

PWM控制電路的核心是一顆集成電路。沒有有源PFC電路的電源通常使用一顆TL494集成電路（在圖26所示的電源中使用了一顆兼容的芯片，DBL494）。在具備有源PFC電路
的電源當(dāng)中，有時(shí)會(huì)使用一顆集成了PWM和PFC控制功能的集成電路。CM6800是這種PWM/PFC Combo芯片的一個(gè)典型例子。電源上通常還會(huì)用另一顆集成電路來產(chǎn)生PG信號(hào)，我們后面再討論這個(gè)電路。

-------------------------------------二次側(cè)---------------------------------------
終于我們來到了二次側(cè)。在這一級(jí)電路，主變壓器的各組輸出被整流并濾波然后提供給PC。負(fù)電壓輸出（-5V和-12V）的各組的整流由普通二極管完成，因?yàn)樗鼈儾恍枰敵龊芨吖β屎碗娏�。但各組正電壓（+3.3V，+5V和+12V）的輸出就要由大功率肖特基整流管完成。這種管有三個(gè)腳，長得像功率晶體管但實(shí)際上內(nèi)部封裝了兩個(gè)功率二極管。二次側(cè)整流工作的方式由電源電路結(jié)構(gòu)決定，可能有兩種整流電路結(jié)構(gòu)，見下圖。

注：上圖實(shí)際上就是全波整流和半波整流電路的分別。這里作者的說法有點(diǎn)問題。選擇全波整流還是半波整流是由逆變級(jí)的工作方式所決定的，而較少考慮到這兩種方式本身的“高檔”與“低檔”差別。
單端式的正激和反激電路是非對(duì)稱工作，因?yàn)樽儞Q器只有半個(gè)周期內(nèi)輸出能量，所以只能用半波整流電路。
而對(duì)稱工作的半橋、橋式和推挽式電路，因?yàn)槟孀兤髟趦蓚€(gè)半周中都輸出能量，所以整流電路應(yīng)該用全波整流或橋式整流。
結(jié)構(gòu)“A”多用于低端電源。可以看到，這種組態(tài)需要從變壓器次級(jí)引出三根針腳。結(jié)構(gòu)“B”多用于高端電源。這種組態(tài)只要用兩根變壓器針腳，但輸出線圈需要更大尺寸因而更貴，而這是低端電源不用這一組態(tài)的一個(gè)主要原因。
另外，在高端電源上，為了提高電源的最大輸出電流，輸出整流管可能采取兩個(gè)并聯(lián)為一組的方式，使得電路可以承受的電流翻倍。
注：通過并聯(lián)整流管還可以降低導(dǎo)通內(nèi)阻，提高效率并降低溫度。
所有的電源的+12V和+5V電路都有完整的整流和濾波電路，因而所有電源至少有兩組圖27所示的整流濾波電路。但對(duì)于+3.3V輸出就有三種方案供選擇：
從+5V輸出接一個(gè)+3.3V線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生+3.3V電壓，這是低端電源最常見的一種方案；
注：線性穩(wěn)壓，這是“最最落后”的+3.3V產(chǎn)生方案，+3.3V線路上的損耗較大且與輸出電流成正比。如果電源用這種方案那一定是非常非常省錢的。在這種方案中12V和5V有完整的變壓器繞組和整流濾波，+5V整流后再通過線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生+3.3V電壓。+3.3V輸出的電流全部通過+5V整流管，因而+5V和+3.3V輸出的電流之和是受限的。
為+3.3V做一組如上圖一樣完整的整流與輸出電路，但與+5V共享一個(gè)變壓器繞組輸出。這是高端電源最常見的方案。

為3.3V做一組完全獨(dú)立的整流與輸出電路，也包括獨(dú)立的變壓器繞組。這種方案極其罕見，僅在非常高端且昂貴的電源上才能見到。目前為止我們只見到一款電源使用這一方案（Enermax Galaxy 1000W榜上有名）。
Enermax Galaxy DXX 1000W的做法是從輸入整流濾波后完全獨(dú)立的雙變壓器設(shè)計(jì)，兩部分電路分別有自己的開關(guān)管、變壓器和二次側(cè)整流濾波電路，一個(gè)變壓器負(fù)責(zé)+12V和+5V的輸出，另一個(gè)變壓器負(fù)責(zé)另一組+12V和+3.3V的輸出，而+5V和+3.3V分別由各自所屬變壓器的12V繞組通過前面提到的磁放大整流產(chǎn)生。這種做法真正做到了各路分開，同時(shí)還獲得了兩組完全獨(dú)立的+12V輸出。

其實(shí)高端電源上還有一些特別的設(shè)計(jì)，比如PC P&C Turbo Cool系列一個(gè)高瓦數(shù)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于多個(gè)獨(dú)立的開關(guān)電源裝進(jìn)一個(gè)外殼里，從高壓側(cè)PFC電路開始完全獨(dú)立的變壓器、次級(jí)整流、濾波輸出，提供絕對(duì)優(yōu)秀的交叉調(diào)節(jié)特性。

CWT的千瓦以上PUC方案、億泰興ET850和臺(tái)達(dá)給Antec OEM的Signature系列等諸多高端方案都使用一個(gè)或多個(gè)變壓器上12V繞組、+5V和+3.3V通過+12V進(jìn)行DC-DC VRM變換產(chǎn)生，達(dá)到高效和獨(dú)立穩(wěn)定的輸出，DC-DC VRM似乎要成為2007~08年高端電源的基本配置了。這是億泰興ET850雙PCB中安放變壓器和二次側(cè)電路的一張，注意靠近輸出線豎立放置的兩張有電感、電容和散熱片的小PCB，就是DC-DC VRM模塊，將12V直流轉(zhuǎn)換為5V和3.3V輸出。

因?yàn)?3.3V輸出通常完全（在低端電源上）或部分地（在高端電源上）使用+5V輸出，+3.3V輸出電流是受到+5V輸出電流值限制的。這也就是為什么PC電源的標(biāo)稱不止有+5V和+3.3V每路的輸出能力，還有“聯(lián)合輸出功率”來標(biāo)明這兩路總的最大輸出功率（聯(lián)合輸出功率比+3.3V和+5V功率的總和要低）。
在下圖當(dāng)中你可以看到一個(gè)低端電源二次側(cè)電路的大概面貌。可以看到負(fù)責(zé)產(chǎn)生PG信號(hào)的集成電路。通常低端電源使用LM339或等價(jià)的電路實(shí)現(xiàn)這一功能。
你可以找到幾顆電解電容（比倍壓器或有源PFC電路的那些要小很多）和幾個(gè)線圈。它們負(fù)責(zé)濾波級(jí)電路。

為拍得更仔細(xì)我們?nèi)サ袅怂械妮敵鼋泳€和兩個(gè)大號(hào)濾波線圈。在圖29當(dāng)中你可以看到-12V和-5V整流用的小號(hào)二極管，這些二極管的電流（也即輸出功率）指標(biāo)更低（對(duì)這臺(tái)電源而言是每根管子0.5A電流）。其它各路輸出需要遠(yuǎn)超過1A的電流，要用到功率二極管來進(jìn)行整流。

------------------------------二次側(cè)（續(xù)）-------------------------------
下圖當(dāng)中我們來看看一臺(tái)低端電源二次側(cè)散熱片上固定的元件都有哪些。

從左到右你會(huì)找到：
一個(gè)集成三端穩(wěn)壓器電路——雖然它有三個(gè)引腳且長得像三極管，它是個(gè)實(shí)實(shí)在在的集成電路。在這個(gè)例子當(dāng)中它是一塊7805集成電路（5V三端穩(wěn)壓器），負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)+5Vsb輸出。我們前面提到，這組輸出使用一組與標(biāo)準(zhǔn)+5V線路完全獨(dú)立開來的電路，由于它即便在PC“斷電（待機(jī)模式）”時(shí)仍然要向+5Vsb提供+5V的輸出。這就是為何這組輸出也被稱作“待機(jī)電源”。7805集成穩(wěn)壓器能供應(yīng)最高1A的電流。
注：這并不代表PC電源的待機(jī)電路都要由線性電源組成。事實(shí)上PC電源高效率待機(jī)電源的常見方案是小功率的單端反激式拓?fù)洌⊿ingle-ended Flyback）。
一顆負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)+3.3V輸出的大功率MOSFET。我們這臺(tái)電源使用的型號(hào)是PHP45N03LT，可以提供45A的輸出。在前一頁中我們提到，只有低端電源使用穩(wěn)壓器電路產(chǎn)生+3.3V輸出——取自+5V線路。（不過這個(gè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當(dāng)老舊，目前大都采用磁放大。）
一顆大功率肖特基整流管，其實(shí)就是兩顆功率二極管裝進(jìn)了一個(gè)封裝里。我們這臺(tái)電源里面的型號(hào)是STPR1620CT，內(nèi)部每顆二極管可以提供8A電流輸出（總共16A）。這顆整流管用于+12V整流。
另一顆大功率肖特基整流管。我們這臺(tái)電源里面的型號(hào)是E83-004，可以提供60A輸出。這顆整流管用于+5V和+3.3V線路的輸出。由于+5V和+3.3V使用同一顆整流管，它們的輸出電流之和不能超過整流管的最大電流。這一概念稱作聯(lián)合輸出功率。換句話說，+3.3V輸出是從+5V輸出中產(chǎn)生的；變壓器并沒有3.3V繞組，這與電源其他各路輸出都不一樣。這種情況只出現(xiàn)在低端電源上。高端電源為+3.3V和+5V使用分開的整流管。
注：這里開始我認(rèn)為作者犯了個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤，他錯(cuò)誤地計(jì)算了整流管的指標(biāo)。
一顆整流管內(nèi)封裝有兩顆二極管，這兩顆二極管以全波整流或半波整流的組態(tài)接入電路。對(duì)于全波整流而言兩顆二極管是一顆導(dǎo)通時(shí)另一顆反向關(guān)斷，輸出電流是單顆二極管上流經(jīng)的電流；而對(duì)于半波整流而言只有一顆二極管是整流管，而另一顆二極管是續(xù)流管，兩顆輪番導(dǎo)通，輸出電流仍然等于單顆二極管上流經(jīng)的電流。因此計(jì)算該路理論輸出值的方法應(yīng)該是看整流管內(nèi)單顆二極管的額定電流，而不是兩顆之和。作者提到整流管指標(biāo)的地方恐怕都犯了這一相同的錯(cuò)誤。
然后讓我們來看看一臺(tái)高端電源的二次側(cè)會(huì)使用什么元件

這里你會(huì)發(fā)現(xiàn)：
并聯(lián)的兩顆用于+12V輸出的大功率肖特基整流管，而不是低端電源中的一顆。這種方案使得+12V輸出的最大總電流（也即總功率）得以翻倍。我們這臺(tái)電源使用兩顆STPS6045CW肖特基整流管，每顆可以提供最高60A電流。
一顆用于+5V輸出的大功率肖特基整流管。在這臺(tái)電源上使用了一顆STPS60L30CW，可以提供最高60A電流。
一顆用于+3.3V輸出的大功率肖特基整流管，這是高端與低端電源的主要區(qū)別（前面已經(jīng)看過低端電源的+3.3V輸出從+5V輸出產(chǎn)生）。在這臺(tái)電源上使用的整流管是STPS30L30CT，可以提供最高30A電流。
一顆用于保護(hù)電路的5V集成穩(wěn)壓管。這一部件隨電源不同型號(hào)而不同。
注意我們給出的最大電流只是對(duì)于單個(gè)元件而言的。電源的最大電流輸出能力還受到內(nèi)部其它元件的影響，比如線圈、變壓器、電容、線材直徑，甚至PCB印刷線路的寬度。
作為練習(xí)你可以試著用整流管最大電流乘以輸出電壓來計(jì)算每路理論上的最大輸出功率。舉個(gè)例子，圖30的電源的+12V最大理論輸出是192W（16Ax12V）。但一定要記得我們上一段剛剛強(qiáng)調(diào)的事實(shí)。

----------------------------------外快-----------------------------------
對(duì)于很多剛?cè)腴T的朋友來說，對(duì)電源內(nèi)部工作原理和結(jié)構(gòu)都不太熟悉。為了讓大家在知道如何通過外表選購電源之后，能夠?qū)﹄娫磧?nèi)部也有所了解，筆者接下來將帶大家詳細(xì)了解一下電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)。首先，電源的作用是把市用高壓交流電轉(zhuǎn)換為適合PC使用的低壓直流電，目的是為了驅(qū)動(dòng)機(jī)箱內(nèi)的各中PC設(shè)備。大致轉(zhuǎn)換過程為：高壓市頻交流輸入 → 一、二級(jí)EMI濾波電路（濾波） → 全橋電路整流(整流)+大容量高壓濾波電容(濾波) → 高壓直流 → 開關(guān)三極管 → 高頻率的脈動(dòng)直流電 → 開關(guān)變壓器（變壓）→ 低壓高頻直流電 → 低壓濾波電路（整流、濾波） → 穩(wěn)定的低壓直流輸出。

220交流電進(jìn)入電源，首先經(jīng)過一級(jí)和二級(jí)EMI濾波電路，這部分電路的作用就是濾除外部交流輸入的突發(fā)脈沖和高頻干擾，并且也減少開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的電磁干擾，主要包括共模和差模連個(gè)模塊。劣質(zhì)電源往往會(huì)省掉這一部分電路以節(jié)約成本，但這樣電源的抗干擾能力就會(huì)下降，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量也有一定影響。
2、主動(dòng)式PFC和被動(dòng)式PFC
PFC(Power Factor Correction)即“功率因數(shù)校正”，主要用來表征電子產(chǎn)品對(duì)電能的利用效率。功率因數(shù)越高，說明電能的利用效率越高。通過CCC認(rèn)證的PC電源，都必須增加PFC電路。PFC電路一般設(shè)計(jì)在第二層濾波之后，全橋整流電路之前，它在增流濾波電路中有著非常重要的作用，可以在把交流電轉(zhuǎn)換為直流時(shí)提高電源對(duì)市電的利用率，減少電能損耗，同時(shí)使用PFC能減少電源對(duì)市電和其它電器的干擾。

PFC電路一共有兩種，一種是無源PFC(也稱被動(dòng)式PFC)，它一般采用電感直接串聯(lián)在整流電路中，成本較低，但EMI性能也較差，功率因數(shù)一般只有70％左右；另一種是有源PFC(也稱主動(dòng)式PFC)，采用完整的開關(guān)轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)，能讓整流電壓不隨市電變化而波動(dòng)，功率因數(shù)可高達(dá)99％，但是相對(duì)成本也高出許多。主動(dòng)式PFC輸入電壓可以從90V到270V，功率因數(shù)高，并具有低損耗和高可靠等優(yōu)點(diǎn)；可用作輔助電源，而不再需要輔助電源變壓器，輸出DC電壓紋波很小，因此采用主動(dòng)式PFC的電源不需要采用很大容量的濾波電容。

主、被動(dòng)PFC特點(diǎn)對(duì)比

很多朋友以為使用哪一種PFC電路直接決定了電源的轉(zhuǎn)換效率，這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，對(duì)于一款電源來講，雖然PFC電路對(duì)其轉(zhuǎn)換效率有著一定影響，但轉(zhuǎn)換效率與PFC電路并沒有直接關(guān)系，電源內(nèi)部設(shè)計(jì)的合理性與用料的檔次才決定了轉(zhuǎn)換效率的高低。

接著主要是將高壓交流電轉(zhuǎn)化為高壓直接電，由全橋電路整流和大容量的濾波電容濾波來完成，對(duì)電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。許多朋友喜歡用這里所用電容容量的大小來判斷電源的功率和用料檔次。

高頻開關(guān)變壓器、驅(qū)動(dòng)變壓器和輔助變壓器
把過濾后的高頻率的脈動(dòng)直流電轉(zhuǎn)化為低壓高頻直流電，這一步由半橋式功率轉(zhuǎn)換電路來完成。半橋式功率轉(zhuǎn)換電路一般由3部分組成，圖中最大的一個(gè)是開關(guān)變壓器，又稱高頻開關(guān)變壓器，旁邊被散熱片遮蓋的是驅(qū)動(dòng)變壓器和輔助變壓器（待機(jī)變壓器），負(fù)責(zé)將PWM集成電路輸出的控制信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管進(jìn)行工作，同時(shí)還可以將開關(guān)管工作的高壓區(qū)和集成電路工作的低壓區(qū)進(jìn)行物理隔離。

這部分電路的作用主要是將+5V和+12V直流電中的紋波過濾掉，輸出純凈的直流電信號(hào)。低壓濾波電路采用了容量更高的濾波電容，通常為2200微法，這部分直接影響輸出電流的純度。

主控芯片
還有不可忽略的是電源上所使用主控制芯片，主要用來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低�？刂菩酒瑫r(shí)還負(fù)責(zé)電壓過載和電流短路保護(hù)，避免因電源固障時(shí)導(dǎo)致與其連接的電腦設(shè)備毀壞。雖然這些控制芯片在電源里面不象其他組成部分那么明顯，但是它們卻有著作為“大腦”發(fā)揮著重要的功能。
總的來說，雖然在購買電源之前我們基本上是無法觀看到電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，但是了解一下內(nèi)部工作原理對(duì)選購電源肯定還是有幫助的

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