开关电源:PC电源分析

有人把CPU比作电脑的“心脏”,实际上,如果我们真正形象地去比较,CPU对于电脑来说更像是大脑的作用,而真正为电脑提供动力的心脏应该是为电脑提供充足电力的电源。那么让我们来关注一下这个被我们忽视的角落。

PC电源从产生到现在经历了近20年的发展,这期间不论是电源外形还是输出电压和功率以及电性能要求都有过多次变化,也先后出现过许多不同的规范和标准。至今市场上仍有许多种类的电源并存,不同类型的电源都是针对不同类型的主机设计,因此需要正确地分辨电源类型。

IBM PC/XT/AT是PC电源最早的工业标准,兼容机概念的流行使PC电源有一个相对统一的设计,也确立了+5V、+12V、-5V、-12V四组输出电压的电源总线架构。其中+5V担负了几乎所有逻辑芯片的供电,以适应已经成为工业标准的+5V TTL逻辑电平要求,+12V则主要为机内的硬盘和光驱马达供电。AT电源与主板的连接线是两条单排6芯线,分别为P8和P9。AT电源外观上最明显的标志是它的交流输入开关线,出于交流输入线的安全性要求,该线缆具有较厚的绝缘外皮,非常易于辨认。

ATX电源的出现是PC电源的一次重大变化。ATX电源中增加了+3.3V的主输出,增加了+5VSB待机输出和PS_ON#信号。+3.3V是为了部分较低功耗、逻辑电压较低的部件而设的,+5VSB和PS_ON#的增加则是为了满足PC的远程开关机、键盘开关机等新的电源管理方案的需要。电源连接主板的输出线也由原来的12芯扩充到20芯,并采用了一只双排的20芯插头。有关PC电源的设计规范也逐渐建立并完善起来,典型的是被业界接受的INTEL《ATX POWER Supply Design Guide》和《SFX POWER Supply Design Guide》。这两个标准到现在仍是PC电源设计中最主要的参照。

P4电源是目前比较受关注的电源类型,它的正式的名称是ATX12V电源。INTEL在推出其新一代Pentium4 CPU时,也相应提出了与系统变化相适应的电源标准,也就是《ATX/ATX12V POWER Supply Design Guide》。“ATX12V”被作为ATX系列电源中的“高级系列”。相比较ATX来看,ATX12V电源有以下两个明显变化:

1. 增大+12V输出能力。主板上的CPU、Chipset等有自身特定的工作电压,需要依赖VRM或是本地DC/DC来供给,随着IC功率的上升,使用+12V来为这些部分供电要比使用+5V或+3.3V易于传递更大功率并有更高的传输效率。

2. 增加了+12V输出线和接插件。为了使+12V的电流良好传输,增加了一只4芯的+12V接插头,该插头也成为ATX12V电源的外观特征。

除此之外,ATX/ATX12V系列电源的另一个变化是+5VSB输出电流的增大,是因为要适应诸如“Instantly Available PC”、“Suspend-to-RAM”等电源管理方案。

PC电源常见类型如表。

其中市场上最为多见的类型是标准AT/ATX外形的ATX和ATX12V电源,电源功率大多为200W~300W之间,我们可以根据不同主机的需要分别选取。

个人PC所采用的电源都是基于一种名为“开关模式”的技术,所以我们经常会将个人PC电源称之为——开关电源(Switching Mode Power Supplies,简称SMPS),它还有一个绰号——DC-DC转化器。本次文章我们将会为您解读开关电源的工作模式和原理、开关电源内部的元器件的介绍以及这些元器件的功能。
●线性电源知多少
  目前主要包括两种电源类型:线性电源(linear)和开关电源(switching)。线性电源的工作原理是首先将127 V或者220 V市电通过变压器转为低压电,比如说12V,而且经过转换后的低压依然是AC交流电;然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流,并将低压AC交流电转化为脉动电压(配图1和2中的“3”);下一步需要对脉动电压进行滤波,通过电容完成,然后将经过滤波后的低压交流电转换成DC直流电(配图1和2中的“4”);此时得到的低压直流电依然不够纯净,会有一定的波动(这种电压波动就是我们常说的纹波),所以还需要稳压二极管或者电压整流电路进行矫正。最后,我们就可以得到纯净的低压DC直流电输出了(配图1和2中的“5”)

尽管说线性电源非常适合为低功耗设备供电,比如说无绳电话、PlayStation/Wii/Xbox等游戏主机等等,但是对于高功耗设备而言,线性电源将会力不从心。
  对于线性电源而言,其内部电容以及变压器的大小和AC市电的频率成反比:也即说如果输入市电的频率越低时,线性电源就需要越大的电容和变压器,反之亦然。由于当前一直采用的是60Hz(有些国家是50Hz)频率的AC市电,这是一个相对较低的频率,所以其变压器以及电容的个头往往都相对比较大。此外,AC市电的浪涌越大,线性电源的变压器的个头就越大。
  由此可见,对于个人PC领域而言,制造一台线性电源将会是一件疯狂的举动,因为它的体积将会非常大、重量也会非常的重。所以说个人PC用户并不适合用线性电源。
开关电源知多少
  开关电源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关电源而言,AC输入电压可以在进入变压器之前升压(升压前一般是50-60 KHz)。随着输入电源的升高,变压器以及电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。这种高频开关电源正是我们的个人PC以及像VCR录像机这样的设备所需要的。需要说明的是,我们经常所说的“开关电源”其实是“高频开关电源”的缩写形式,和电源本身的关闭和开启式没有任何关系的。
  事实上,终端用户的PC的电源采用的是一种更为优化的方案:闭回路系统(closed loop system)——负责控制开关管的电路从电源的输出获得反馈信号,然后更加PC的功耗来增加或者降低某一周期内的电压的频率以便能够适应电源的变压器(这个方法称作PWM,Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)。所以说,开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功耗的大小来自我调整,从而可以让变压器以及其他的元器件带走更少量的能量,而且降低发热量。
  反观线性电源,它的设计理念就是功率之上,即便负载电路并不需要很大电流。这样做的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下,结果产生高很多的热量。

第2页:倍压器和一次侧整流电路

●倍压器和一次侧整流电路
  上文已经说过,开关电源主要包括主动式PFC电源和被动式PFC电源,后者没有PFC电路,但是配备了倍压器(voltage doubler)。倍压器采用两颗巨大的电解电容,也就是说,如果你在电源内部看到两颗大号电容的话,那基本可以判断出这就是电源的倍压器。前面我们已经提到,倍压器只适合于127V电压的地区。

主动式PFC电路通常使用两个功率MOSFET开光管。这些开光管一般都会安置在一次侧的散热片上。为了易于理解,我们用在字母标记了每一颗MOSFET开光管:S表示源极(Source)、D表示漏极(Drain)、G表示栅极(Gate)。
  PFC二极管是一颗功率二极管,通常采用的是和功率晶体管类似的封装技术,两者长的很像,同样被安置在一次侧的散热片上,不过PFC二极管只有两根针脚。
  PFC电路中的电感是电源中最大的电感;一次侧的滤波电容是主动式PFC电源一次侧部分最大的电解电容。图16中的电阻器是一颗NTC热敏电阻,可以更加温度的变化而改变电阻值,和二级EMI的NTC热敏电阻起相同的作用。
  主动式PFC控制电路通常基于一颗IC整合电路,有时候这种整合电路同时会负责控制PWM电路(用于控制开光管的闭合)。这种整合电路通常被称为 “PFC/PWM combo”.
  照旧,先看一些实例。在图17中,我们将一次侧的散热片去除之后可以更好的看到元器件。左侧是瞬变滤波电路的二级EMI电路,上文已经详细介绍过;再看左侧,全部都是主动式PFC电路的组件。由于我们已经将散热片去除,所以在图片上已经看不到PFC晶体管以及PFC二极管了。此外,稍加留意的话可以看到,在整流桥和主动式PFC电路之间有一个X电容(整流桥散热片底部的棕色元件)。通常情况下,外形酷似陶制圆盘电容的橄榄色热敏电阻都会有橡胶皮包裹。

第4页:开光管

●开光管
  开关电源的开关逆变级可以有多种模式,我们总结了一下几种情况:

模式 开光管数量 二极管数量 电容数量 变压器针脚
单端正激 1 1 1 4
双管正激 2 2 0 2
半桥 2 0 2 2
全桥 4 0 0 2
推挽 2 0 0 3

  当然了,我们只是分析某种模式下到底需要多少元器件,事实上当工程师们在考虑采用哪种模式时还会收到很多因素制约。
  目前最流行的两种模式时双管正激(two-transistor forward)和全桥式(push-pull)设计,两者均使用了两颗开光管。这些被安置在一次侧散热片上的开光管我们已经在上一页有所介绍,这里就不做过多赘述。

第5页:变压器和PWM控制电路

●变压器和PWM控制电路
  先前我们已经提到,一太PC电源一般都会配备3个变压器:个头最大的那颗是之前图3、4和图19-23上标示出来的主变压器,它的一次侧与开关管相连,二次侧与整流电路与滤波电路相连,可以提供电源的低压直流输出(+12V,+5V,+3.3V,-12V,-5V)。
  最小的那颗变压器负载+5VSB输出,通常也成为待机变压器,随时处于“待命状态”,因为这部分输出始终是开启的,即便是PC电源处于关闭状态也是如此。
  第三个变压器室隔离器,将PWM控制电路和开光管相连。并不是所有的电源都会装备这个变压器,因为有些电源往往会配备具备相同功能的光耦整合电路。

模式A更多的会被用于低端入门级电源中,这种模式需要从变压器引出三个针脚。模式B则多用于高端电源中,这种模式一般只需要配备两个变压器,但是铁素体电感必须够大才行,所以这种模式成本较高,这也是为什么低端电源不采用这种模式的主要原因。
  此外,对于高端电源而言,为了提升最大电流输出能力,这些电源往往会采用两颗二极管串联的方式将整流电路的最大电流输出提升一倍。
  无论是高端还是低端电源,其+12 V和+5 V的输出都配备了完整的整流电路和滤波电路,所以所有的电源至少都需要2组图27所示的整流电路。
  对于3.3V输出而言,有三种选项可供选择:
  ☆在+5 V输出部分增加一个3.3V的电压稳压器,很多低端电源都是采用的这种设计方案;
  ☆为3.3 V输出增加一个像图27所示的完整的整流电路和滤波电路,但是需要和5 V整流电路共享一个变压器。这是高端电源比较普通的一种设计方案。
  ☆采用一个完整的独立的3.3V整流电路和滤波电路。这种方案非常罕见,仅在少数发烧级顶级电源中才可能出现,比如说安耐美的银河1000W。
  由于3.3V输出通常是完全公用5V整流电路(常见于低端电源)或者部分共用(常见于高端电源中),所以说3.3V输出往往会受到5V输出的限制。这就是为什么很多电源要在铭牌中著名“3.3V和5V联合输出”。
  下图28是一台低端电源的二次侧。这里我们可以看到负责产生PG信号的整合电路。通常情况下,低端电源都会采用LM339整合电路。

☆稳压器IC芯片——尽管它有三个针脚而且看起来和三极管非常相似,但是它却是可IC芯片。这款电源采用的是7805稳压器(5V稳压器),负责+5VSB的稳压。之前我们已经提到过,+5VSB采用的是独立的输出电路,因为它即便是在PC处于断电状态时依然需要向+5VSB提供+5 V输出。这就是为什么+5VSB输出也通常会被称之为“待机输出”。7805 IC最大可以提供1A的电流输出。
  ☆功率MOSFET晶体管,主要负责3.3V输出。这款电源的MOSFET型号为PHP45N03LT,最大可允许45A的电流通过。上一页我们已经提到,只有低端电源才会采用和5V共享的3.3V稳压器。
  ☆功率肖特基整流器,由两个二极管整合而成。这款电源的肖特基型号为STPR1620CT,它的每颗二极管最大可允许8A的电流通过(总共为16A)。这种功率肖特基整流器通常被用于12V输出。
  ☆另一颗功率肖特基整流器。这款电源采用的型号是E83-004,最大可允许60A电流通过。这种功率整流器常被用于+5 V和+ 3.3 V输出。因为+5 V和+ 3.3 V输出采用的是同一个整流器,所以它们的总和不能超过整流器的电流限制。这就是我们常说的联合输出的概念。换句话说就是3.3V输出来自5V输出。和其他各路输出不同,变压器没有3.3V输出。这种设计常用于低端电源。高端电源一般都会采用独立的+3.3 V和+5 V输出。

两颗并联的负责12V输出的功率肖特基整流器。低端电源往往只有一颗这样的整流器。这种设计自然让整流器的最大电流输出翻了一倍。这款电源采用的是两颗STPS6045CW肖特基整流器,每颗最大可运行60A电流通过。
  ☆一颗负责5V输出的肖特基整流器。这款电源采用的是STPS60L30CW整流器,最大可允许60A电流通过。
  ☆一颗负责3.3V输出的肖特基整流器,这是高端电源和低端电源的主要区别(低端电源往往没有单独的3.3V输出)。这款电源采用的是STPS30L30CT肖特基,最大可允许30A电流通过。
  ☆一颗电源保护电路的稳压器。这也是高端电源的象征。
  主要指出的是,以上我们所说的最大电流输出是仅仅是相对于单个元器件而言的。一款电源的最大电流输出实际上要取决于与之相连的很多元器件的品质,比如说线圈电感、变压器、线材的粗细以及PCB电路板的宽窄等等。我们可以通过整流器的最大电流和输出的电压相乘得出电源理论上的最大功率。比如说,图30中的电源的12V输出最大功率应该为16A*12V=192W。
第8页:看图说话:图解开关电源

  下图3和4描述的是开关电源的PWM反馈机制。图3描述的是没有PFC(Power Factor Correction,功率因素校正) 电路的廉价电源,图4描述的是采用主动式PFC设计的中高端电源。

你可能会问,图5设计图中为什么没有电压整流电路?事实上,PWM电路已经肩负起了电压整流的工作。输入电压在经过开光管之前将会再次校正,而且进入变压器的电压已经成为方形波。所以,变压器输出的波形也是方形波,而不是正弦波。由于此时波形已经是方形波,所以电压可以轻而易举的被变压器转换为DC直流电压。也就是说,当电压被变压器重新校正之后,输出电压已经变成了DC直流电压。这就是为什么很多时候开关电源经常会被称之为DC-DC转换器。
  馈送PWM控制电路的回路负责所有需要的调节功能。如果输出电压错误时,PWM控制电路就会改变工作周期的控制信号以适应变压器,最终将输出电压校正过来。这种情况经常会发生在PC功耗升高的时,此时输出电压趋于下降,或者PC功耗下降的时,此时输出电压趋于上升。
  在看下一页是,我们有必要了解一下以下信息:
★在变压器之前的所有电路及模块称为“primary”(一次侧),在变压器之后的所有电路及模块称为“secondary”(二次侧);
★采用主动式PFC设计的电源不具备110 V/ 220 V转换器,同时也没有电压倍压器;
★对于没有PFC电路的电源而言,如果110 V / 220 V被设定为110 V时,电流在进入整流桥之前,电源本身将会利用电压倍压器将110 V提升至220 V左右;
★PC电源上的开光管由一对功率MOSFET管构成,当然也有其他的组合方式,之后我们将会详解;
★变压器所需波形为方形波,所以通过变压器后的电压波形都是方形波,而非正弦波;
★PWM控制电流往往都是集成电路,通常是通过一个小的变压器与一次侧隔离,而有时候也可能是通过耦合芯片(一种很小的带有LED和光电晶体管的IC芯片)和一次侧隔离;
★PWM控制电路是根据电源的输出负载情况来控制电源的开关管的闭合的。如果输出电压过高或者过低时,PWM控制电路将会改变电压的波形以适应开光管,从而达到校★正输出电压的目的;
  下一页我们将通过图片来研究电源的每一个模块和电路,通过实物图形象的告诉你在电源中何处能找到它们。

第9页:看图说话:电源内部揭秘
  当你第一次打开一台电源后(确保电源线没有和市电连接,否则会被电到),你可能会被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得晕头转向,但是有两样东西你肯定认识:电源风扇和散热片。

但是您应该很容易就能分辨出电源内部哪些元器件属于一次侧,哪些属于二次侧。一般来讲,如果你看到一个(采用主动式PFC电路的电源)或者两个(无PFC电路的电源)很大的滤波电容的话,那一侧就是一次侧。
  一般情况下,再电源的两个散热片之间都会安排3个变压器,比如说图7所示,主变压器是最大个的那颗;中等“体型”的那颗往往负责+5VSB输出,而最小的那颗一般用于PWM控制电路,主要用于隔离一次侧和二次侧部分(这也是为什么在上文图3和图4中的变压器上贴着“隔离器”的标签)。有些电源并不把变压器当“隔离器”来用,而是采用一颗或者多颗光耦(看起来像是IC整合芯片),也即说采用这种设计方案的电源只有两个变压器——主变压器和辅变压器。
  电源内部一般都有两个散热片,一个属于一次侧,另一个属于二次侧。如果是一台主动式PFC电源,那么它的在一次侧的散热片上,你可以看到开关管、PFC晶体管以及二极管。这也不是绝对的,因为也有些厂商可能会选择将主动式PFC组件安装到独立的散热片上,此时在一次侧会有两个散热片。
  在二次侧的散热片上,你会发现有一些整流器,它们看起来和三极管有点像,但事实上,它们都是有两颗功率二极管组合而成的。
  在二次侧的散热片旁边,你还会看到很多电容和电感线圈,共同共同组成了低压滤波模块——找到它们也就找到了二次侧。
  区分一次侧和二次侧更简单的方法就是跟着电源的线走。一般来讲,与输出线相连的往往是二次侧,而与输入线相连的是一次侧(从市电接入的输入线)。

为什么要强调是“推荐的”的呢?因为市面上很多电源,尤其是低端电源,往往会省去图8中的一些元器件。所以说通过检查EMI电路是否有缩水就可以来判断你的电源品质的优劣。
  EMI电路电路的主要部件是MOV (Metal Oxide Varistor,金属氧化物压敏电阻),或者压敏电阻(图8中RV1所示),负责抑制市电瞬变中的尖峰。MOV元件同样被用在浪涌抑制器上(surge suppressors)。尽管如此,许多低端电源为了节省成本往往会砍掉重要的MOV元件。对于配备MOV元件电源而言,有无浪涌抑制器已经不重要了,因为电源已经有了抑制浪涌的功能。
  图8中的L1 and L2是铁素体线圈;C1 and C2为圆盘电容,通常是蓝色的,这些电容通常也叫“Y”电容;C3是金属化聚酯电容,通常容量为100nF、470nF或680nF,也叫“X”电容;有些电源配备了两颗X电容,和市电并联相接,如图8 RV1所示。
  X电容可以任何一种和市电并联的电容;Y电容一般都是两两配对,需要串联连接到火、零之间并将两个电容的中点通过机箱接地。也就是说,它们是和市电并联的。
  瞬变滤波电路不仅可以起到给市电滤波的作用,而且可以阻止开光管产生的噪声干扰到同在一根市电上的其他电子设备。
  一起来看几个实际的例子。如图9所示,你能看到一些奇怪之处吗?这个电源居然没有瞬变滤波电路!这是一款低廉的“山寨”电源。请注意,看看电路板上的标记,瞬变滤波电路本来应该有才对,但是却被丧失良知的黑心JS们带到了市场里。

值得一提的是,以上这款电源的MOV压敏电阻是黄色的,但是事实上大部分MOV都是深蓝色的。
  此外,这款电源的瞬变滤波电路还配备了保险管(图8中F1所示)。需要注意了,如果你发现保险管内的保险丝已经烧断了,那么可以肯定的是,电源内部的某个或者某些元器件是存在缺陷的。如果此时更换保险管的话是没有用的,当你开机之后很可能再次被烧断。


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 ^ 开关电源:PC电源分析

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