•   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。

      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”)

    开合电源事业道理超周到解析

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      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。

      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)。随着输入电压的升高,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,然后根据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。

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      通过图3和图4的对比我们可以看出两者的不同之处:一个具备主动式PFC电路而另一个不具备,前者没有110/220 V转换器,而且也没有电压倍压电路。下文我们的重点将会是主动式PFC电源的讲解。

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      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。输入电压在经过开关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。

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      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。

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      以上我们从宏观的角度大致介绍了一下一台电源内部的各个模块。下面我们细化一下,将话题转移到电源各个模块的元器件上来……

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      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 (l 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。

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      再看图10实物所示,这是一款具备瞬变滤波电路的低端电源,但是正如我们看到的那样,这款电源的瞬变滤波电路省去了重要的MOV压敏电阻,而且只有一个铁素体线圈;不过这款电源配备了一个额外的X电容。

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      瞬变滤波电路分为一级EMI和二级EMI,很多电源的一级EMI往往会被安置在一个独立的PCB板上,靠近市电接口部分,二级EMI则被安置在电源的主PCB板上,如下图11和12所示。

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      再看这款电源的二级EMI。在这里我们能看到MOV压敏电阻,尽管它的安置位置有点奇怪,位于第二个铁素体的后面。总体而言,应该说这款电源的EMI电路是非常完整的。

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      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。

      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。

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      在倍压器的一侧可以看到整流桥。整流桥可以是由4颗二极管组成,也可以是有单个元器件组成,如图15所示。高端电源的整流桥一般都会安置在专门的散热片上。

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      在一次侧部分通常还会配备一个NTC热敏电阻——一种可以根据温度的变化改变电阻值的电阻器。NTC热敏电阻是Negative Temperature Coefficient的缩写形式。它的作用主要是用来当温度很低或者很高时重新匹配供电,和陶瓷圆盘电容比较相似,通常是橄榄色。

      毫无疑问,这种电路仅可以在配有主动PFC电路的电源中才能看到。图16描述的正是典型的PFC电路:

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      主动式PFC电路通常使用两个功率MOSFET开关管。这些开关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开关管:S表示源极(Source)、D表示漏极(Drain)、G表示栅极(Gate)。

      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。

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      图18是一次侧散热片上的元件。这款电源配备了两个MOSFET开关管和主动式PFC电路的功率二极管:

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      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。

      单端正激(Single-transistor forward configuration)

      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)。

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      PWM控制电路基于一块整合电路。一般情况下,没有装备主动式PFC的电源都会采用TL494整合电路(下图26中采用的是可兼容的 DBL494整合芯片)。具备主动式PFC电路的电源里,有时候也会采用一种用来取代PWM芯片和PFC控制电路的芯片。CM6800芯片就是一个很好的 例子,它可以很好的集成PWM芯片和PFC控制电路的所有功能。

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      最后要介绍的是二次侧。在二次侧部分,主变压器的输出将会被整流和过滤,然后输出PC所需要的电压。-5 V和–12 V的整流是只需要有普通的二极管就能完成,因为他们不需要高功率和大电流。不过+3.3 V, +5 V以及+12 V等正压的整流任务需要由大功率肖特基整流桥才行。这种肖特基有三个针脚,外形和功率二极管比较相似,但是它们的内部集成了两个大功率二极管。二次侧整流 工作能否完成是由电源电路结构决定,一般有可能会有两种整流电路结构,如图27所示:

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      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。

      ☆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。

      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”。

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      此外,我们还可以看到一些电解电容(这些电容的个头和倍压器或者主动式PFC电路的电容相比要小的多)和电感,这些元件主要是负责滤波功能。

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      ☆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。

      ☆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。换句线V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。

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      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, 最后一张图中的电源的12V输出最大功率应该为16A*12V=192W。

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    输配电产品
    输配电产品
    2019-10-17 16:43
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