標題: PC電源結構剖-深度好文 [打印本頁]
作者: 51黑黑黑    時間: 2016-2-21 19:08
標題: PC電源結構剖-深度好文
PC上使用的電源供應器基于名為“開關模式（Switching Mode）”的結構，因而也被稱為SMPS（開關電源）即Switching Mode Power Supplies（DC-DC變換器是對SMPS的另一種稱呼）。在這個文章里我們會解釋開關電源如何工作，并帶你一探PC電源的內(nèi)部結構以及工作方式。 在之前的幾篇文章中我們討論了電源的一些基本常識。在這部教程里我們講得深一點，進一步解釋電源“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，通過變壓器將其轉換為低壓交流電（例如12V）。接著由一組二極管進行全橋整流，將低壓交流電轉換為脈動直流。下一步是濾波，由一組電解電容將這個脈動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（這個波動稱作紋波），所以還需要一級電壓調(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.


雖然線性電源對于一些低功率應用很適合——例如手機充電器、游戲主機電源就是兩個能立刻想到的典型應用——但當需要更大功率時，線性電源的體會變得很大。注：事實上小功率電源適配器常見的方案是Flyback、RCC等小功率開關電源結構，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。因為線性電源使用的市電頻率是50Hz（或60Hz，在一些國家）——這是個非常低的頻率——所以變壓器和電容會非常大。
同樣地，使用電力的設備電流需求越高，供應它們的電源就需要越大尺寸的變壓器。
對于高頻開關電源而言，在進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。這類電源就被應用于PC和其它一些電子設備例如錄像機上。記住這里的“開關”是指代“高頻開關元件”，而與電源外面是否有一個“開關按鈕”無關。

PC電源使用一種更好的方法：它是一個閉環(huán)系統(tǒng)。負責控制開關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電壓的占空比（這個方法稱作PWM，脈沖寬度調(diào)制）。這樣電源根據(jù)負載設備的功耗對自身進行再調(diào)節(jié)。當你的PC不消耗很多能量時，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。
對于線性電源而言，電源被設定為輸出最大功率，即便負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候也工作在滿負荷下，結果產(chǎn)生高很多的熱量。

            開關電源的結構框圖
在下面兩個圖中可以看到一臺帶PWM反饋的PC用開關電源的結構框圖（點擊查看清晰原圖）。第一個沒有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，這個電路一般用于高端電源。

比較這兩個圖，可以發(fā)現(xiàn)配備與不配備有源PFC電路的電源的結構差別。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，比如短路保護電路、待機電源、PG信號（Power Good）發(fā)生器等。如果讀者需要更詳細的電路圖，請看下圖。.如果你不懂電子也沒關系，這張圖只是為希望更深入了解的讀者準備的。

一臺典型的低端ATX電源供應器的原理圖，半橋結構無PFC，控制方案采用典型的TL494芯片，配合LM393比較器、TL431C基準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基準電壓源等周邊電路組成低端開關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。我們后面會討論。
讀者可能對上圖中哪一級負責調(diào)節(jié)電壓產(chǎn)生疑問，是PWM電路進行這一工作。輸入電壓在開關晶體管之前經(jīng)過了一次側整流，經(jīng)過開關管輸出給變壓器的波形是方波而非正弦波。因為是方波所以很容易轉換成直線。經(jīng)過變壓器后的二次側整流，輸出電壓已經(jīng)是接近直線了。這就是為何有時開關電源也被稱作DC-DC變換器。
注：PC上的開關電源也被稱作隔離式DC-DC變換器。實際上它做的就是將輸入整流電路提供的高壓直流轉換成低壓直流的工作，這一點和典型的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和次級，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)負責所有必需的調(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管控制信號的占空比以修正輸出電壓。這一情形典型地發(fā)生在PC功耗升高的時候，此時輸出電壓有下降的趨勢；或者PC功耗下降的時候，此時輸出電壓有上升的趨勢。
在看下一頁之前你需要了解以下知識（這些知識你可以從研究上面的結構圖獲得）：
變壓器之前的全部電路稱作初級（或者一次側）而變壓器之后的稱作次級（或者二次側）。
配備有源PFC的電源不需要110V/220V切換開關以及倍壓電路。
在沒有PFC的電源中，如果輸入電壓設置為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電源上的高速開關由一對功率MOSFET管（或者BJT雙極型晶體管）構成，實際上逆變級還有幾種不同的組成方式，我們稍后會討論到這一點。
加在變壓器一次側的電壓是方波，因而變壓器二次側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——與一次側通過一個小變壓器（驅動變壓器）隔離開。有時不使用變壓器而使用光耦（一個很小的帶有LED和光敏二極管的IC）進行隔離。
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管的開關。如果輸出電壓有偏離，PWM控制電路改變驅動開關管的波形（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電路，告訴你在電源中何處能找到它們。
PC電源的內(nèi)部
當你第一次打開電源外殼（此時不要將電源線連接在上面，否則你會被電到）時，你可能對電源內(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很容易識別的東西：電源風扇以及一些散熱片。



            但你應該很容易識別出哪些元件是一次側，哪些是二次側。
你會看到一個（在配備有源PFC的電源上）或兩個（在無PFC的電源上）大號的電解
電容，找到它，就找到了一次側。
注：關于輸入端電解電容的配置方式有幾種常見情況。
對于無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200V左右的大電容串聯(lián)的接法。對于有源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共用一套方案的考慮。

像這張所顯示的，通常PC電源在兩個大號散熱片之間會有三個變壓器。主開關變壓器是最大的那個。中等體積的變壓器（待機變壓器）用來產(chǎn)生+5Vsb輸出（屬于線性電源），而最小的變壓器（驅動變壓器）用于PWM控制電路，用來隔離二次側和一次側電路（這也就是為什么在圖3和圖4上這一變壓器被標為“隔離器”）。在一些電源里不使用變壓器作為隔離器，而使用一個或幾個光耦（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變壓器。關于這一點我們后面會更深入討論。
一個散熱片屬于一次側，而另一個散熱片屬于二次側。
在一次側散熱片上你能找到主開關管，如果電源配備了有源PFC電路，還包括PFC開關管和配套的快恢復二極管。一些廠商會將有源PFC元件放在一個獨立的散熱片上，在這些電源里你在一次側找到兩個散熱片。
在二次側散熱片上你能找到若干個整流管。它們看上去像三極管但事實上它們內(nèi)部是兩個封裝在一起的整流用功率二極管。
你還會發(fā)現(xiàn)一些屬于輸出濾波級的小號的電解電容與線圈——找到它們你就找到了二次側。
一個確定一次側與二次側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
在二次側而輸入接線連接在一次側。
下面我們就開始討論在每一級電路里能找到的元件。
瞬變?yōu)V波電路PC電源的第一級電路是瞬變?yōu)V波電路（也稱為EMI濾波器）。下圖是一個推薦的瞬變?yōu)V波電路原理圖。
注：瞬變?yōu)V波電路不僅能保護電源及設備不受市電突波的侵害，也能抑制開關電源產(chǎn)生的傳導騷擾竄入市電。在交流輸入端的這一組電路實際上是兩級，一級負責交流濾波而一級負責抑制電壓突波。因為交流濾波電路的元件同樣對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。
下面這張電路圖當中，兩個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的作用下面會講到。



            這里我們說“推薦的”是因為很多電源——尤其是廉價電源——不會做上圖中的全部元件。所以一個區(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，在電路圖上標為RV1，負責抑制市電的電壓尖峰（瞬變）。這個元件同樣被用在浪涌抑制器上。問題在于，廉價電源為了節(jié)省成本不會搭載這一元件。對于搭載了MOV的電源，市電接入的浪涌抑制器就不是必需了，因為電源內(nèi)部已經(jīng)有一個瞬變抑制器件。
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，沒有一個瞬變抑制器件能接近理想要求，實際使用當中是嚴格地設計使其相互配合，盡可能涵蓋所有應用場合的。
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電容負責濾除共模干擾，X電容負責濾除差模干擾。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個安全電容來抑制EMI傳導干擾。
交流電源輸入分為3個端子：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Y電容連接的位置比較關鍵,必須需要符合相關安全標準, 以防引起電子設備漏電或機殼帶電,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，工作在亞熱帶的機器,要求對地漏電電流不能超過0.7mA，工作在溫帶機器，要求對地漏電電流不能超過0.35mA。因此,Y電容的總容量一般都不能超過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機構的認證。Y電容外觀多為橙色或藍色,一般都標有
安全認證標志（如UL、CSA等標識）和耐壓AC250V或AC275V字樣。然而,其真正的直流耐壓高達5000V以上。必須強調(diào),Y電容不得隨意使用標稱耐壓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。由于這個電容連接的位置也比較關鍵,同樣需要符合相關安全標準。X電容同樣也屬于安全電容之一。根據(jù)實際需要,X電容的容值允許比Y電容的容值大,但此時必須在X電容的兩端并聯(lián)一個安全電阻,用于防止電源線拔插時,由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電。安全標準規(guī)定,當正在工作之中的機器電源線被拔掉時,在兩秒鐘內(nèi),電源線插頭兩端帶電的電壓(或對地電位)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機構的認證。X電容一般都標有安全認證標志和耐壓C250V或AC275V字樣,但其真正的直流耐壓高達2000V以上,使用的時候不要隨意使用標稱耐壓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)阻相應較小。普通電容紋波電流的指標都很低,動態(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準之外,紋波電流指標也難以符合要求。
X電容是并聯(lián)在市電輸入火、零之間的任何電容，Y電容是成對出現(xiàn)的，需要串聯(lián)連接到火、零之間并將兩個電容的中點接地，也就是連接到電源外殼上，因而對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中的電壓瞬變，也防止開關管產(chǎn)生的噪音傳導到市電當中對其它用電設備造成干擾。
讓我們來看一些實際的例子。注意下圖，看到什么奇怪的東西么？這個電源根本沒有瞬變?yōu)V波電路！
這是一個廉價的所謂“普通”電源。如果注意看你會看到電源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。



下面這個圖中你可以看到一個廉價電源的瞬變?yōu)V波電路�？梢钥闯�，MOV不見了，而線圈只有一個（L2線圈缺失）。另一方面這個電源市電端有一個額外的X電容（對應圖8中RV1的位置）。

在一些電源當中瞬變?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中看到一個例子。
在這個電源當中你可以看到一個X電容和第一級鐵氧體線圈（L1）焊在一小塊PCB上，連接到市電交流輸入插座。


在這個電源的主PCB上你可以找到余下的元件�？梢钥闯鲞@個電源有一顆MOV，盡管放在一個不常見的位置也就是第二級線圈后面。如果你仔細看你會發(fā)現(xiàn)這個電源的濾波元件數(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額外的X電容。


                               瞬態(tài)濾波電路第二部分


這個電源的MOV是黃顏色的，但最常見的MOV顏色是深藍色。
你應該還能在瞬態(tài)濾波電路旁邊找到一顆保險絲。如果這顆保險絲燒了就要當心了。保險絲自己一般不燒毀，保險絲燒毀通常意味著一個或多個元件失效了。如果你替換了保險絲，替換上的那顆很可能在你下一次開機時立刻燒毀。
倍壓器和一次側整流電路
在沒有有源PFC電路的電源當中你會找到一個輸入倍壓器。輸入備壓電路使用兩顆大號的電解電容。
在開關電源中找到的大號電容便屬于這一級電路。前面我們已經(jīng)提到，只有當市電輸入是127V時才使用倍壓電路。
注：在輸入電壓為110V時，通過連通110V輸入開關，整流橋中的兩個二極管處于反偏狀態(tài)，另兩個二極管在正負半個周期內(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值。因為輸出電壓是兩顆電容串聯(lián)的電壓，所以就起到了倍壓整流的效果。
當輸入電壓為220V時一定不能將開關扳到倍壓整流模式，否則一次側整流輸出電壓過高會燒電源。
倍壓輸入電路的電容容量隨不同結構有不同的需求。對于半橋拓撲的電源，一次側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。



            
在兩個大電解電容旁邊你可以找到一個全橋整流器。這個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)電源里這個整流橋要安裝散熱片輔助散熱。

在一次側你還能找到一個NTC熱敏電阻，這是一個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間、溫度上升到一定程度時重置電力供應�！癗TC”代表負溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient）。這個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。
在計算機冷啟動時會產(chǎn)生一個很大的浪涌電流，可能燒毀電源和主機內(nèi)部，而NTC熱敏電阻具有負的溫度系數(shù)，阻值對溫度呈負指數(shù)關系，零功率下有一個較高的阻值而工作溫度下阻值接近零。因而在冷啟動初始時NTC電阻串入電路可以將浪涌電流大部分抑制掉。當計算機工作少許時間后，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，不會對輸出電流產(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缺點是，當?shù)谝淮瓮姇r需要花一些時間讓其電阻下降到工作阻值。如果此時交流輸入過小，調(diào)整也就無法形成足夠的升溫期。再者，當關斷電源后快速地重新接通時，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掉又開啟電源是有害操作的原因，除非有針對這種情況的專門設計。
電源的防浪涌電流設計還有其它幾種方式。串聯(lián)普通電阻而非熱敏電阻是小功率應用中的一種簡單做法，但是在電流增大時顯然導通損耗會比較大。對于大功率變換器可采用有源抑制電路，在啟動之后使用雙向三極晶閘管或繼電器將抑制電阻旁路掉，對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（主動式PFC）電路------------------------------
顯然這個電路只有在配備了有源PFC的電源上才能找到，下圖是一個典型的有源PFC電路框圖。

有源PFC電路通常使用兩個功率MOSFET開關管。這兩個開關管固定在電源一次側的散熱片上。為方便記憶，我們用字母標記每個MOSFET的三個引腳，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的散熱片上。
上圖中所示的PFC線圈是電源中個頭最大的線圈繞組。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電路通常由一個集成電路控制。有時這個電路還負責控制PWM開關電路（用來控制主開關管的開關），此類集成電路稱作“PFC/PWM Combo”。
我們來看一些實際的例子。在下圖當中去掉了一次側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。因為一次側散熱片被摘下，PFC開關管和PFC二極管（事實上還有主開關管）在這里是看不到的。如果仔細觀察你會發(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，這個電源當中能找到的最大個的線圈通常是有源PFC的線圈。

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

右側還能看到這臺電源的兩個主開關管（這里是MOSFET），我們下面就要討論到它們。
開關晶體管
SMPS的開關逆變級可以有若干種組態(tài)。我們在下表中總結了最常見的幾個組態(tài)。


            當然我們只是在分析“需要的元件數(shù)目”，在決定使用哪個電路結構的時候工程師需要將很多其它因素考慮在內(nèi)。
對于PC電源最常見的兩種組態(tài)是雙管正激拓撲和半橋拓撲（原文為push-pull，估計是有出入），它們都使用兩顆晶體管作為主開關管。這些開關管——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的散熱片上。
注：雙管正激式拓撲，有的地方譯作“雙晶順向式”，一個比較正規(guī)的叫法是“對角半橋式正激變換器”，實際上是單端正激拓撲的變體，是現(xiàn)在常用的結構。
半橋式（Half-bridge）拓撲，在實際產(chǎn)品中使用的都是BJT雙極型晶體管作為開關元件。
500W以下小功率PC電源用半橋式拓撲成本低廉且比較方便，缺點是性能和效率很難再提升。
全橋式（Full-bridge）拓撲多用于1000W以上大功率型號。
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，一臺典型PC電源具有三個變壓器。最大的一個是我們在結構框圖和原理圖上畫出來的主變壓器，其一次側與開關管相連，而二次側與次級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）。第二個變壓器用來產(chǎn)生+5Vsb輸出，一個獨立的稱作“待機電源”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，即便你的主機電源“已經(jīng)關閉”（也就是說處于待機狀態(tài)）。第三個變壓器是隔離變壓器（在我們前面的框圖里稱為“隔離級”)，將PWM控制信號耦合到開關管上。這個第三組變壓器可能不會存在，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
的電源當中，有時會使用一顆集成了PWM和PFC控制功能的集成電路。CM6800是這種PWM/PFC Combo芯片的一個典型例子。電源上通常還會用另一顆集成電路來產(chǎn)生PG信號，我們后面再討論這個電路。


-------------------------------------二次側---------------------------------------
終于我們來到了二次側。在這一級電路，主變壓器的各組輸出被整流并濾波然后提供給PC。負電壓輸出（-5V和-12V）的各組的整流由普通二極管完成，因為它們不需要輸出很高功率和電流。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。這種管有三個腳，長得像功率晶體管但實際上內(nèi)部封裝了兩個功率二極管。二次側整流工作的方式由電源電路結構決定，可能有兩種整流電路結構，見下圖。

注：上圖實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問題。選擇全波整流還是半波整流是由逆變級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稱工作，因為變換器只有半個周期內(nèi)輸出能量，所以只能用半波整流電路。
而對稱工作的半橋、橋式和推挽式電路，因為逆變器在兩個半周中都輸出能量，所以整流電路應該用全波整流或橋式整流。
結構“A”多用于低端電源。可以看到，這種組態(tài)需要從變壓器次級引出三根針腳。結構“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。但對于+3.3V輸出就有三種方案供選擇：
從+5V輸出接一個+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做一組完全獨立的整流與輸出電路，也包括獨立的變壓器繞組。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立的雙變壓器設計，兩部分電路分別有自己的開關管、變壓器和二次側整流濾波電路，一個變壓器負責+12V和+5V的輸出，另一個變壓器負責另一組+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，同時還獲得了兩組完全獨立的+12V輸出。


其實高端電源上還有一些特別的設計，比如PC P&C Turbo Cool系列一個高瓦數(shù)結構相當于多個獨立的開關電源裝進一個外殼里，從高壓側PFC電路開始完全獨立的變壓器、次級整流、濾波輸出，提供絕對優(yōu)秀的交叉調(diào)節(jié)特性。

CWT的千瓦以上PUC方案、億泰興ET850和臺達給Antec OEM的Signature系列等諸多高端方案都使用一個或多個變壓器上12V繞組、+5V和+3.3V通過+12V進行DC-DC VRM變換產(chǎn)生，達到高效和獨立穩(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直流轉換為5V和3.3V輸出。

因為+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）。
在下圖當中你可以看到一個低端電源二次側電路的大概面貌。可以看到負責產(chǎn)生PG信號的集成電路。通常低端電源使用LM339或等價的電路實現(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） 和幾個線圈。它們負責濾波級電路。

            
為拍得更仔細我們?nèi)サ袅怂械妮敵鼋泳�和兩個大號濾波線圈。在圖29當中你可以看到-12V和-5V整流用的小號二極管，這些二極管的電流（也即輸出功率）指標更低（對這臺電源而言是每根管子0.5A電流）。其它各路輸出需要遠超過1A的電流，要用到功率二極管來進行整流。



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


從左到右你會找到：
一個集成三端穩(wěn)壓器電路——雖然它有三個引腳且長得像三極管，它是個實實在在的集成電路。在這個例子當中它是一塊7805集成電路（5V三端穩(wěn)壓器），負責調(diào)節(jié)+5Vsb輸出。我們前面提到，這組輸出使用一組與標準+5V線路完全獨立開來的電路，由于它即便在PC“斷電（待機模式）”時仍然要向+5Vsb提供+5V的輸出。這就是為何這組輸出也被稱作“待機電源”。7805集成穩(wěn)壓器能供應最高1A的電流。
注：這并不代表PC電源的待機電路都要由線性電源組成。事實上PC電源高效率待機電源的常見方案是小功率的單端反激式拓撲（Single-ended Flyback）。
一顆負責調(diào)節(jié)+3.3V輸出的大功率MOSFET。我們這臺電源使用的型號是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。（不過這個結構已經(jīng)相當老舊，目前大都采用磁放大。）
一顆大功率肖特基整流管，其實就是兩顆功率二極管裝進了一個封裝里。我們這臺電源里面的型號是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。我們這臺電源里面的型號是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：這里開始我認為作者犯了個嚴重的錯誤，他錯誤地計算了整流管的指標。
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。對于全波整流而言兩顆二極管是一顆導通時另一顆反向關斷，輸出電流是單顆二極管上流經(jīng)的電流；而對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，兩顆輪番導通，輸出電流仍然等于單顆二極管上流經(jīng)的電流。因此計算該路理論輸出值的方法應該是看整流管內(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的地方恐怕都犯了這一相同的錯誤。
然后讓我們來看看一臺高端電源的二次側會使用什么元件


這里你會發(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。
一顆用于保護電路的5V集成穩(wěn)壓管。這一部件隨電源不同型號而不同。
注意我們給出的最大電流只是對于單個元件而言的。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。
作為練習你可以試著用整流管最大電流乘以輸出電壓來計算每路理論上的最大輸出功率。舉個例子，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調(diào)的事實。


            ----------------------------------外快-----------------------------------
對于很多剛入門的朋友來說，對電源內(nèi)部工作原理和結構都不太熟悉。為了讓大家在知道如何通過外表選購電源之后，能夠對電源內(nèi)部也有所了解，筆者接下來將帶大家詳細了解一下電源內(nèi)部結構。首先，電源的作用是把市用高壓交流電轉換為適合PC使用的低壓直流電，目的是為了驅動機箱內(nèi)的各中PC設備。大致轉換過程為：高壓市頻交流輸入 → 一、二級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 → 開關三極管 → 高頻率的脈動直流電 → 開關變壓器（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交流電進入電源，首先經(jīng)過一級和二級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，并且也減少開關電源對電網(wǎng)的電磁干擾，主要包括共模和差模連個模塊。劣質(zhì)電源往往會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下降，對整個電網(wǎng)信號質(zhì)量也有一定影響。
2、主動式PFC和被動式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認證的PC電源，都必須增加PFC電路。PFC電路一般設計在第二層濾波之后，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，可以在把交流電轉換為直流時提高電源對市電的利用率，減少電能損耗，同時使用PFC能減少電源對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(也稱主動式PFC)，采用完整的開關轉換器電路設計，能讓整流電壓不隨市電變化而波動，功率因數(shù)可高達99％，但是相對成本也高出許多。主動式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；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，因此采用主動式PFC的電源不需要采用很大容量的濾波電容。


主、被動PFC特點對比

很多朋友以為使用哪一種PFC電路直接決定了電源的轉換效率，這種觀點是錯誤的，對于一款電源來講，雖然PFC電路對其轉換效率有著一定影響，但轉換效率與PFC電路并沒有直接關系，電源內(nèi)部設計的合理性與用料的檔次才決定了轉換效率的高低。


接著主要是將高壓交流電轉化為高壓直接電，由全橋電路整流和大容量的濾波電容濾波來完成，對電流電壓間的相位差進行補償。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。

高頻開關變壓器、驅動變壓器和輔助變壓器
把過濾后的高頻率的脈動直流電轉化為低壓高頻直流電，這一步由半橋式功率轉換電路來完成。半橋式功率轉換電路一般由3部分組成，圖中最大的一個是開關變壓器，又稱高頻開關變壓器，旁邊被散熱片遮蓋的是驅動變壓器和輔助變壓器（待機變壓器），負責將PWM集成電路輸出的控制信號進行放大以驅動開關管進行工作，同時還可以將開關管工作的高壓區(qū)和集成電路工作的低壓區(qū)進行物理隔離。


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。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，主要用來控制開關管的導通和截止，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低。控制芯片同時還負責電壓過載和電流短路保護，避免因電源固障時導致與其連接的電腦設備毀壞。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)部結構的，但是了解一下內(nèi)部工作原理對選購電源肯定還是有幫助的















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