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捷多邦分享电源你不知道的事:电源PCB设计的进化历程

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发表于 2018-7-7 16:41:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
【捷多邦PCB】1946年第一台通用计算机在美国诞生,它的占地面积高达170平方米,而如今我们的主机甚至可以做到像一个U盘这么小。作为主机的一部分,PC电源也在不停的进化。今天,我就来简要说说关于PC电源内部电路设计的主要进化路线。







  在聊PCB演化历程之前,首先我们来温习一下电源的PCB结构。

▍ EMI滤波







  EMI滤波系统在电源中的作用是过滤掉市电中的杂质,使输入电流更加纯净不会干扰硬件工作。一般来说,一个价格正常的电源都会有一、二级EMI滤波。有些电源会把一级EMI滤波做在输入电源线脚上,而上图的电源则将其做在PCB板上。

▍ 整流桥







  电流经过滤波后进入PFC,首先通过整流桥,整流桥将交流电转换成直流电。一般来说,整流桥在工作时都会有不少发热量,设计优秀的电源会将整流桥锁在散热片上,像爱国者电竞500把两块整流桥直接设计在PCB板上是不合理的。

▍ PFC







  从整流桥出来的电流进入PFC,PFC是Power Factor Correction的简称,翻译过来就是功率因素校正。交流电成波浪状,采用PFC的电源可利用不仅是波峰和谷峰附近的电能,提高利用率。

▍ 主电容







  主电容(PFC电容)在电源中的作用:一是滤波,二是贮存电量保证突然断电时有一定的电量支持电脑硬件作出反应。

▍ 变压系统







  接下来是变压系统,一般分为大小变压器,将市电降压到适合主机使用。图中较大的便是主变压器。

▍ 整流、稳压、滤波





整流管锁在金属片上



  变压器出来的电流会由经过一次整流变成直流电,然后进行稳压滤波后才能输出到电脑的各个硬件上。



02
电源PCB各结构的演化


  复习完电源PCB的大致结构,接下来就是今天的主题。这次我主要说说电源PCB上的PFC、变压系统、整流、稳压系统的演变。

▍ PFC的变化

  在很久很久以前,PC电源并没有PFC结构,市电输入后经过二极管整流电容滤波,只能利用到波浪状交流电的波谷和峰谷附近的能量,在一个周期的其他时间都不会有电流输入,利用率相当低。而电源没用到的电能并不会计入电费中,因此我们并不会造成任何浪费。相反则是国家供电网会浪费电能。我国PC的3C认证是电源必须有PFC结构。





电容左侧的被动式PFC



  PFC分为主动式PFC和被动式PFC。被动式PFC就是一个体积较大的电感线圈,它的功率校正因素最高也只能去到0.8,而且输入电压范围不能太宽。不过这种结构胜在成本低,在很多低端电源上能见到它的踪迹。





电感线圈左右有控制IC和电容



  为了提高利用率、扩大输入电压范围,很多电源都舍弃被动式PFC改为采用主动式PFC。主动式PFC由电感线圈,滤波电容、开关管以及控制IC等元器件组成。它的功率校正因素可以轻松达到99%以上,输入电压范围也可达到90-240V,但成本也相应提高不少。从被动式PFC进化成主动式PFC,电源的减少浪费电能,确实是好事。





某宝上的水泥PFC



  然而有些黑心商家出售的电源居然用“水泥PFC”,这种假PFC里面只有一块水泥。这种电源使用起来是相当危险的,大家在购买电源时注意要优先选择采用主动式PFC的电源,如果想购买低功率电源可以适当买被动式PFC的电源。

▍ 变压结构的变化

  说到变压结构就要谈到一件事:之前的一篇文章中,有位网友误将LLC认作老式半桥,并大言不惭指责我,更可笑的是居然还有不少网友点赞认同。当然这也不怪他,这两种结构粗略一看十分相似,希望大家看完这篇文章后能分清它们的不同,不要再闹出这种笑话了。





一大两小变压器与LLC结构类似



  先说说老式半桥,它的结构十分明显,变压系统里有一大两小三个变压器。由于这是一种年代久远的电源结构,因此它的转换效率并不高,最顶尖也不到80%。但是它的成本相当低,一般会出现在低价低功率的电源上。这种结构一般会搭配被动式PFC,使成本降到最低,不过现在已经很少有这种结构的电源了。(年代过于久远,找不到清晰的素材)





位于正中间的大小变压器



  在二十一世纪初开始兴起另一种变压结构:正激结构。以开关管数量不同分别有单管正激和双管正激结构。这种结构的最大特点是变压系统中有一大一小两个变压器。双管正激结构的开关管更多,性能比单管正激结构强不少,因此现在已经很少有单管正激结构的电源了。相较老式半桥,正激结构的电源转换率能大大提高,能达到银牌标准,但却很难达到金牌标准以上。







  这里就要引出一种拓展版结构:有源钳位正激结构,它是由全汉创造出来的一种结构。它能把电源转换率可以做到金牌标准以上,不过用料不足会导致输出纹波过大,因此相应成本也提高不少。由于这种结构普及率较低,我就不多介绍了。







  近几年兴起一种名为LLC的新型结构,上文提到这种结构与老式半桥类似,都是有一大两小三个变压器。其实这里有个很简单的区分方法,老式半桥电源转换率极低,而LLC电源的转换率能轻松达到金牌标准。我们只需要通过电源转换率即可分辨两种不同结构。LLC又分为LLC半桥和LLC全桥。一般来说这种结构的电源转换率能做到白金标准,相较于双管正激结构,它的成本较低,动态性能较弱,可以通过无脑堆料增加电容的方式弥补缺陷,是目前最流行的电源结构。不过在400W以下的电源,LLC结构的表现却逊色于双管正激。







  与LLC半桥相比,LLC全桥的工艺更加复杂,但是在功率和转换率上又有所提升,相应地成本也会提高。我们能在高功率的白金标准电源上看到这种结构。

▍ 整流管的进化

  接下来说说整流管的变化,其实整流管变化不多。以前的电源大多采用多枚肖特基管进行整流,而现在越来越多厂商采用MOS管代替肖特基管进行同步整流。采用MOS管可以进一步提高电源转换率,金牌标准以上的电源基本都能看到这个设计。

▍ 稳压输出结构也有优化

  最后要说一下稳压输出部分。我们常见的电源会采用单路磁放大,双路磁放大或者DC-DC结构。这种结构会影响+12V、+5V和+3.3V的输出的电压偏移。DC-DC的控制性能最强,其次是双路磁放大,最差的结构则是单路磁放大。这些不同结构之间的区别也是相当好辨认的。







  单路磁放大,将+3.3V单独分出一路输出,它的特征是主变压器附近会有一个小线圈。而+12V和+5V由PWM芯片控制。因此+12V高负载时会对+5V输出电压造成很大影响。而在稳流结构的位置会有两个线圈分别给+12V和+5V进行稳流。







  双路磁放大,将+5V和+3.3V独立出来,这种结构的特点是在主变压器附近会有两个小线圈,稳流结构的位置会有3个大线圈对应+12V、+5V和+3.3V。因为+5V和+3.3V独立出来,+12V高负载时对其他两路输出电压的影响会有所减少。这是一种从单路磁放大进化而来的结构,解决了单路磁放大使用上出现的部分缺陷。







  虽然双路磁放大结构可以控制+12V对+5V和+3.3V的电压影响,但并不能完全解决问题。因此一种新型的稳流结构面世:DC-DC结构。简单来说,这种结构是从+12V取电直接降压成+5V和+3.3V然后输出,因此+12V的额定功率可以无限制地做大。这种结构是最容易辨别的,在稳流结构的位置上会有一块垂直的PCB,上面带有两个线圈。







  甚至我们不需要拆开电源内部就能分别一个电源是不是DC-DC结构。我们可以观察电源的铭牌,如果电源的+12V最大功率是十分接近电源额定功率,则这个电源是采用DC-DC结构。DC-DC也在逐渐代替双路磁放大成为高瓦数电源的标配设计。



03
尾声


随着时间推移,电源的结构设计在不断发生变化。从很久以前的老式半桥变成正激结构再到现在的LLC结构,甚至还有有源钳位或移相全桥等结构,都在往高转换率方向发展。而稳压结构则是从单路磁放大到双路磁放大再到现在流行的DC-DC结构,以更稳定的电压输出为目标进化。有不少网友会说:“我很久以前买的一个电源到现在都能用”,“便宜的电源不也是用的好好的”。其实当你的电脑功率不高时,配置再差的电源也能勉强支持电脑运作。不过便宜的电源对电脑供电会造成不少影响。







  目前大部分电源都至少采用双管正激结构,而转换率高的电源则会采用LLC结构,当然我们要注意采用LLC半桥的电源的价格不能太便宜,因为这种结构的电源必须通过一定数量和质量的电容才能支撑起性能。稳压结构则关系到电源输出到电脑的电压稳定性。在选购400W以下的电源时,我们可以适当购买单路磁放大结构的电源。不过最好还是购买双路磁放大 或DC-DC结构的电源。值得高兴的是,很多新设计的金牌电源都会采用LLC加DC-DC这种比较先进的结构。相信看完这篇文章,大家对电源结构及发展又有更进一步的了解。


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