电源工作原理

lzcqust

电源工作原理 [复制链接]

电脑电源的重要性，现在已经充分为大多数用户所了解，但是，面对市场上众多电源弄虚作假的现象，我们是否能够一一识别呢？要检测一个电源的真实性能，最可靠的办法就是使用示波器和电子负载仪来测试它的稳定性和负载能力，但这不是普通消费者能够做到的。或者，另一个办法就是通过模拟真实使用环境，通过大量增加负载来测试其实际水平，但这也不是在购买电源的时候所能做的。        所以，我们借对于近一段时间非常受瞩目的电源——七彩虹鑫谷核动力合金版电源的分析，来给大家介绍一下如何从电脑电源的电路设计与基本参数来判断一个电源的真实性能。

    产品介绍

鑫谷核动力合金版电源

       鑫谷是著名的电源品牌之一，七彩虹这一次将其引入国内推出了“核动力”系列电源，以“真实功率”作为主要宣传卖点。“合金版”是其中最为高档的版本，其最大功率为400W。这款产品的主要特点包括：使用铝镁合金的外壳、带有可调风扇转速功能、独有的“磁放大技术“和“主动式PFC”设计。其中后两点我们将在后续的章节中予以介绍。当然，通过3C认证也是不可缺少的。

    电脑电源的工作原理
       “电源”，严格意义上应该称为“电源转换器”，因为它并不能真正产生电能（能够做到这一点的只有电池和发电机），而只是将一种电能形式转换为另一种形式。其中最主要的转换方式，就是将便于传输的高压交流电转换为大多数电器所使用的低压直流电（但并非所有电源都是如此，物理学或化学试验中使用的“整流线圈”电源就是用于将低压电转换为高压电的）。

最简化的电源电路示意图

       在多媒体音箱中，我们就可以看到最简单的电源形式，它的电路结构可以参照示意图。其基本原理就是通过一个变压器将高压交流电转换为低压交流电，然后通过一个二极管“全桥”将低压交流电转换为脉冲直流电（由于二极管具有单向导电的特点，所以交流电的“负周期”被完全截止，从而变成直流电），然后通过一组滤波电容将脉冲直流电转换为普通的恒流直流电（电容在脉冲的上升段被充电，在下降段放电，从而将脉冲“摸平”）。
       但是，由于市电的频率只有50Hz，所以在简单电源中只能使用剩磁特性较强的矽钢片变容器，这种变容器的体积大、效率低，在转换过程中会大量发热，用于对功率转换效率要求较低的音响电源尚可（很多体积巨大的专业功放其总功率高达上千W,但实际用于推动音箱的只有几十W而已），用于对体积和输出功率都有高要求的电脑电源则绝对不可以。
       既然变压器在50Hz下的工作效率不高，能否将频率提高呢？这就是电脑电源设计的中心思想：提高工作频率来减少变压器的体积和重量。这种电源称之为“开关电源”。

开关电源电路示意图

       电脑上使用的ATX开关电源首先通过耐高压二极管和耐高压电容对市电进行整流和滤波而直接输出高压直流电，然后用开关电路将直流电转换为高频率的脉动直流电并送到高频开关变压器上，此时可以选择体积小巧的铁氧体变压器来完成高压到低压的转换，然后再对输出的低压电进行整流和滤波并最后输出，它的结构可以参见附图。
       实际电路中选用大功率的三极管或场效应管来做为开关，根据控制电路的信号导通和截止，工作频率达到数十KHz或数百KHz，然后与开关变压器、高、低压整流滤波电路就构成了一个简易的开关电源。当需要提升输出电压时就增加开关管导通的时间，反之则增加截止的时间，控制十分灵活。
       与音响电源相比，电脑使用的ATX开关电源最大的区别就在于不是先降压再将交流电转为直流电，而是通过高压电路先将电流转为高压直流电，再通过变压器进行降压。它的体积和重量都要减少很多，不过由于其高压电路较为复杂，所以对元件的要求要高得多，而且控制电路要复杂的多。
       开关电源体积小、重量轻、转换效率高、自身发热量小的诸多优点决定其成为工业设备的首选电源，只是开关电源的电磁辐射和干扰会比较大。

    电脑电源的电路结构
       上面，简单介绍了电脑电源的工作原理，下面我们结合鑫谷核动力合金版电源来介绍一下电脑电源的电路结构。
ATX电源由内部的电源线路板、元件、外部的壳体和各种接口插件组成，金属的壳体起屏蔽作用，防止电磁辐射，但必须预留进风和出风口以供电源自身和机箱的散热，在出风口上安装风扇能加强散热的效果，而通风口上安装的栅栏的间隙大小也会影响到通风的质量，所以大多采用钢网来做栅栏，或者将栅栏自己的宽度冲压的很窄。鑫谷核动力合金版电源在电源的进风口和出风口都设计了风扇。

鑫谷核动力合金版电路的内部电路

       电源外壳上安装了交流电输入插座，有的电源还安装一个交流输出插座供显示器使用，这个输出插座并联在输入插座上，与电源内部的电路没有任何关系，那些担心外接个显示器就要分担电源功率的想法完全没有必要。由于ATX电源内部的待机电路与外界电源总是连接着并为电源的主电路和主板的启电路提供启动电压，因此即使关机后也要拔掉电源线才能拔插电脑内的板卡，鑫谷核动力合金版电源设计有硬开关，可以完全切断外界的供电，使用更加方便。

一级EMI电路

       交流电源插座上焊接的是一级EMI电源滤波器电路，这是一块独立的电路板，是交流电输入后所经过的第一组电路，这个由扼流圈和电容组成的低通网络能滤除电源线上的高频杂波和同相干扰信号，同时也将电源内部的干扰信号屏蔽起来，构成了电源抗电磁干扰的第一道防线。

二级EMI电路

       市电进入电源板后先通过电源保险丝，然后再次经过由电感和电容组成的第2道EMI电路以充分滤除高频杂波，然后再经过限流电阻进入高压整流滤波电路。保险丝能在电源功率太大或元件出现短路时熔断以保护电源内部的元件，而限流电阻含有金属氧化物成分，能限制瞬间的大电流，减少电源对内部元件的电流冲击。对于EMI电路的分析，我们将在后面介绍3C标准的时候加以分析。

整流滤波电路

       经过EMI后的市电，经过全桥整流和电容滤波后就变成了高压的直流电，其中全桥就是封装在一起的四个二极管，有的电源干脆就安装了4个分立的二极管，作用相同。
       全桥后面的两个高大的桶状元件就是高压电解电容，其作用是将脉动的直流电滤除交流成分而输出比较平稳的直流电，这两个电容的使用与开关电路的设计有密切关系，其容量往往是以往电源评测时的焦点，但实际上它的容量和电源的功率毫无关系，但增大它的容量会减小电源的纹波干扰，提高电源的电流输出质量。

开关变压器

       经过了交直流转换，下面就要进入ATX开关电源的心脏——开关电路了。开关电源顾名思义其核心就是开关二字，实际电路中使用两个大功率的开关管轮流导通和截止将直流电转换为高频率的脉动直流电并送到高频开关变压器上进行降压，这样就完成了高电压直流——高频率高电压脉冲——高频率低电压脉冲——低电压直流的转换过程。开关管的品质直接决定了电源的稳定性，它也是电源中主要的发热元件，拆开电源后看到的主散热片上的两个晶体管就是开关管。
高频开关变压器同样是整个电路中的核心部件，讲究的是铁氧体的效率、磁芯截面积的大小和磁隙的宽度，截面积过小的变压器容易产生磁饱和而无法输出较大的功率，各个绕组的匝数直接影响输出的电压，通常我们无法具体的掌握这些参数，所以无法准确的判断变压器到底能输出多大的功率。另外，开关变压器的输出端虽然很多，但其中的某些输出端使用的却是相同的绕组，比如+3.3VDC和+5VDC就是这样，所以当+3.3VDC输出最大电流时+5VDC就无法输出很大的电流了，就是由于这个原因我们不能将电源各个输出端的功率进行简单的累加。

辅助变压器

       在主变压器旁边的两个小变压器也有各自的作用，其中一个将开关电路控制信号进行放大以驱动开关管进行工作，同时还可以将开关管工作的高压区和集成电路工作的低压区进行物理隔离。另外一个完全是一套独立的小型开关电源，这就是我们所说的待机电路，其输出的电压为电源的主电路供电，同时通过+5VSB端输出到主板来实现唤醒功。

低压整流滤波电路

       经过高频开关变压器降压后的脉动电压同样要使用二极管和电容进行整流和滤波，只是此时整流时的工作频率很高，必须使用具有快速恢复功能的肖特基整流二极管，普通的整流二极管难当此任，而整流部分使用的电容也不能有太大的交流阻抗，否则就无法滤除其中的高频交流成分，因此选择的电容不但容量要大，还要有较低的交流电阻才行，此外还能见到1、2个体积硕大的带磁心的电感线圈，与滤波电容一起滤除高频的交流成分，保证输出纯净的直流电。
       由于低压整流端需要输出很大的电流，所以整流二极管同样会产生大量的热量，这些二极管与前面的开关管都需要单独的散热片进行散热，电源中另一个散热片上所固定的就是这些元件。从这些元件输出的就是各种不同电压的输出电流了。
       电源板的另外一角就是这个电源的控制中心了，这里关键的部件是PWM电源管理集成电路，辅助的电路还包括基准电压电路、取样电路、比较电流和保护电路等等，往往十分复杂。电源内部还需要对过压、过流、欠压、过载、过热等进行保护，这些也是电源中的电路。

    机箱带电的原因
       很多人都遇到过一种现象，那就是在触摸机箱的时候会有轻微的触电感发生。一些朋友往往误以为是电脑“漏电”从而忐忑不已。其实这是一种正常现象。
       电源内部是一个电磁环境高度恶劣的场所，在这个空间内有大量的高频交变电流流动，从而产生出强大的干扰电场（不信可以作个试验，将一台正常工作的电脑上的电源外壳拆下，再原样装回去，电脑就会变得不能启动），这些电场都被电源外壳屏蔽掉。但与此同时，电源外壳上也会有感应电压产生。而且由于电源滤波电路的中点保护接地（就是两个大滤波电容的接地端）连接在电源外壳上（为了对地取零），所以外壳上也会有一个恒定的对地电压。电源外壳的带电也会导致机箱外壳的带电。但不管是哪一种情况，其电压虽高，但电流极小，所以虽然有触电的刺痛感，但不会当真触电。
       正常情况下，这个电压并不会有所反映，因为电源的外壳是和电源线的零线连接的，当零线正常连接时，电流会被零线导走。然而在很多人家里，电源插座的零线往往并不会正确连接，此时零线形同虚设，“漏电”感就会出现了。
解决这一问题的方法就是正确连接零线，除了连接入户零线外，也可以自制零线。但要注意——使用燃气管道和自来水管道作为接地是绝不可以的！前者会由于电火花引起管道爆炸，而后者看似可靠，也为一些不了解电工常识的人所推荐，但其实由于自来水管的导电性极佳，在出现短路时，其漏电电流足以达到有生命危险的程度！
    3C认证电源的特点
       3C认证是2003年实施的新的电器强制认证，包含了电器性能、安全、环保等多方面的规定。具体到电源上，3C认证在安全等方面的规定与以前的长城认证等大同小异，最主要的区别在于增加了抗干扰方面的强制规定。
一般来说，3C电源简单的看，比传统电源最大的区别就是二级EMI电路的应用和PFC电路的应用。
       EMI电路由规格合适的扼流圈和电容组成，交流电流经这个电路时，其中的高频杂讯会在其中振荡而不能通过。传统的电源认证只是非强制性要求使用一级EMI电路，而3C认证则要求至少使用两级EMI电路，除电源输入段需要一级外，在整流电路前还需要一级。
       3C认证电源的另一个主要特点就是PFC电路。
       PFC的意思是“功率因数校正”，PFC电路的主要用途就是提高电能的利用效率。对于电脑电源来说，由于它的电流和电压在转换过程中存在相位差，所以不仅会损失功率，而且会造成电流纹波干扰的增强。所以3C认证中强制要求使用PFC电路。

    挑选电源的要点
       选择电源，有一个不成文的方法——比较重的电源，一般品质都比较高，为什么？
       这就需要我们知道，比较重的电源，都重在什么地方了。
       一个电源中，绝大部分电子元件都是没有多少重量的，尽管可能比较好的电源在这些方面更加舍得投入一些，但整体的重量差别也不会太大。它的主要重量，除了壳体、散热片这些比较外在的东西之外，主要集中在这样几个部件上——

1、变压器，电源中的三组变压器，这是电源的核心部件，特别是最大的一个——开关变压器，它的承载功率直接决定着电源的输出功率；
2、高压滤波电容，也就是最大的两个“牛奶瓶”，它们的容量并不影响电源的输出功率，但会决定电源输出电流的纯净程度；
3、PFC线圈，通过3C认证的电源都包括有PFC线路，大部分电源所使用的无源PFC元件都是一个大尺寸的铁心线圈，它的规格加大有助于减小输出电流的纹波干扰；
4、低压滤波电路，它的重量主要来自于电路中几个大功率的扼流圈，用于减少输出电流中的干扰。

       很显然，这些电路是决定一个电源功率与稳定性的主要部分，在电源中还有其他很多电路，但它们或者需要与上述的电路配套或者属于辅助电路，所以这几项电路的规格较高就代表了电源本身的实际水平。而显然，这些元件的规格我们通过电源的通风口就可看到。
       3C电源要求双重EMI电路，所以符合3C标准的电源，在内部电源输入口的位置上应该有一块独立的电路板作为一级EMI电路。如果从外面看不见这块电路板，那么就说明这款电源不具有EMI电路或者只有一级EMI电路。
       评判一个电源的真实水准，还要看其电路的设计、开关管和整流管的选择等等，但是按照一般的规律，看以上的几项电路的规格（简单的说就是从外表看其大小和重量，当然这不是严格的方式，但可以算是一种经验），就可以粗略判断出一个电源的等级。因为这些电路规格较高的话，其他部分一般也不会太差，而这些主要元件不好，其他部分也很难想象会使用好的部件。

    电源铭牌都写了什么？——电源功率的估算与功率分配
       打开电源的外壳后一个有经验的用户能够了解电源的工艺水平，但并不能估算出电源输出的实际功率，而且大多数经销商是不会给用户这样的机会的，所以电源的输出功率、各端的最大输出电流等指标通常都标注在电源的铭牌上，大家只要了解了电源铭牌的含义就能根据ATX的规定判断一个电源的好坏。

核动力合金版电源的铭文

       电源的铭牌上首先会标明各个输出端能够输出的最大电流，通过“功率＝电压X电流”的公式就能换算出各项的输出功率，这些电压包括了+3.3VDC、+5VDC、+12VDC、+5VSB和-5VDC、-12VDC，用户首先可以根据这个电流和功率进行选择，比如用户的硬盘、光驱较多时就要选择+12VDC输出端电流较大的电源。
       许多朋友以为将电源铭牌上各端输出的最大功率累加后就是这个电源的最大输出功率，这种算法可是错误的哦，ATX标准详细制定了多种功率输出时各个电压输出端的最大输出电流，要求电源厂家在铭牌上对电源的+3.3VDC、+5VDC和+12VDC等输出端的最大电流作出具体的说明，由于+3.3VDC和+5VDC共用变压器的一组绕组，不可能同时输出其标称的最大电流，所以ATX标准还规定厂家应该说出它们合并输出的最大功率。其实+3.3VDC、+5VDC和+12VDC三者之间也有类似的限制，为了体现这种相互的制约，ATX标准详细绘制了三端电压输出的功率分配图，其中被曲线包围的区域才是这个电源能够实际输出的功率和电流大小，这个指标要比标电源铭牌上各端功率之和要小的多！但却体现了电源真实的输出能力，对于没有标注输出功率的电源，我们可以根据这些图表来推算电源的实际功率。
       按照一般的规律，电脑电源的＋5VDC最大输出功率乘以10，就是该电源的最大输出功率，不过在新的ATX12V 1.3规格电源上，由于减小了+5VDC的输出，所以乘以的数值还要大一些，大概在11到12倍左右。了解这一点，就可以知道电源的真实功率水平而不受厂商宣传的影响。
       另外要留意电源通过的电磁和安全认证，往往正规厂家的产品都会通过数项安全认证，并标注在铭牌上。

    电脑电源输出线颜色的含义与功率的分配
       电脑电源的输出线路远比大多数电器的输出线路复杂，花花绿绿一大把线。其实其中大部分输出线都连接在同样的焊点上，只是输出设备不同所以需要多根连线而已。
       同样颜色的输出线，其输出电压都是一致的。电脑电源上的输出线共有九种颜色，其中在主板20针插头上的绿色和灰色线，是主板启动的信号线。而黑色线则是地线。其他的各种颜色的输出线的含义如下：

红色线：＋5VDC输出，用于驱动除磁盘、光盘驱动器马达以外的大部分电路，包括磁盘、光盘驱动器的控制电路，在传统上CPU、内存、板卡的供电也都由＋5VDC供给，但进入PII时代后，这些设备的供电需求越来越大，导致＋5VDC电流过大，所以新的电源标准将其部分功能转移到其他输出上，目前主板特别是P4、Athlon64等新式主板对于＋5VDC的要求越来越小。但如果你的机器是老式的单电源接口主板，那么+5VDC的输出电流直接影响你电脑的超频性能。
黄色线：＋12VDC输出，用于驱动磁盘驱动器马达、冷却风扇，或通过主板的总线槽来驱动其它板卡。在最新的P4系统中，由于P4处理器能能源的需求很大，电源专门增加了一个4PIN的插头，提供+12V电压给主板，经主板变换后提供给CPU和其它电路而不再使用+5VDC，所以P4结构的电源+12V输出较大。P4结构电源也称为ATX12V，而AMD的Athlon64系统也继承了这种设计。如果你的电脑拥有大量的驱动器或有一个高频P4 CPU，那么有强大的+12VDC输出是必要的。
橙色线：＋3.3VDC输出，这是随着ATX电源增加的输出。以前电源供应的最低电压为+5V，提供给主板、CPU、内存、各种板卡等，从PII时代开始，INTEL公司为了降低能耗，把CPU、内存等的电压降到了3.3V以下，为了减少主板产生热量和节省能源，现在的电源直接提供3.3V电压，经主板变换后用于驱动CPU、内存、显卡等电路。强大的＋3.3VDC有利于内存、显卡等设备的稳定与超频。
以上三种输出，是电脑电源的主要电能输出，它们的输出线明显多于其他输出，而且输出电流也要大得多。
白色线：－5VDC输出，在较早的PC中用于软驱控制器及某些ISA总线板卡电路.。在许多新系统中已经不再使用-5V电压，现在的某些形式电源如SFX, FLEX ATX 一般不再提供-5V输出。在INTEL发布的最新的ATX12V 1.3版本中，已经明确取消了-5V的输出，但大多数电源为了保持向上兼容，还是有这条输出线。
蓝色线：－12VDC输出，主要用于某些串口电路，其放大电路需要用到+12V和-12V，通常输出小于1A，在目前的主板设计上也几乎已经不使用这个输出，而通过对＋12VDC的转换获得需要的电流。
紫色线：+5V Stand—By，最早在ATX提出，在系统关闭后，保留一个+5V的等待电压，用于电源及系统的唤醒服务。

       很明显，要考量一个电源的功率支持能力，最主要就是要看红色、黄色、橙色三条线的最大输出能力。而不同配置的系统，则对于这三条线的输出能力有不同的要求。对于大多数新装配的电脑，显然+12VDC输出是最重要的。

quanzx

抢到沙发了，继续等待版主的好文章。

kevinwu

好文章一篇～

木易873

好文，学习了