电源深度知识扫盲:开关电源内部结构与原理解读
发布时间:2016-12-19    来源:未知
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DIY装机当中,往往会涉及到一些电源的选购问题,很多网友对于如何判断电源好坏,一无所知,顶多只知道看电源功率、品牌等,想要更深入去了解电源,又发现很多电源的相关评测文章中,会涉及到一些专业术语。对于没有电子基础的童鞋来说,了解起来就更出力了,其实电源内部结构并不复杂,只是会涉及到不少专业术语,以下百事网小编就来带大家深度了解下电脑电源内部结构。

电源深度知识扫盲:开关电源内部结构与原理解读
电源深度知识扫盲:开关电源内部结构与原理解读

百事网小编晴空雨09年在电脑电源厂工作过,之前主要做电脑电源的维修,对于电脑电源内部原理结构还是比较了解的,通常我们说的电脑电源均是开关电源,其原理也比较简单,主要是将交流电,通过整流管转变成直流,然后通过变压器变压分成几组输出电压,最够通过整流、IC控制芯片控制输出几组纯净直流电,供电脑各个硬件使用。

开关电源内部主要可以分为五个部分:

市电(交流电)入口进去的第一部分称为一级EMI,主要负责内部电路与外部电源之间的过渡,在在一级EMI旁边还有二级EMI,这些一二级EMI主要起到电路保护作用,比如当外部电源有波动的时候,一二级EMI会减少内部冲突,从而保护电源内部的硬件不容易受到损坏,另外当电源内部硬件出现不稳定,一二级EMI可以抑制内部波动冲击外部电路,以免影响其他电器的正常使用,简单来说一二级EMI相当于一层滤网,防止双向冲击,对于一款合格的开关电源来说,一二级EMI都是必要的,当对于山寨低价电源来说,往往为了节省成本,省去了一二级EMI,尽管不影响电源功能,但对于电源的稳定性以及干扰外部电源还是有影响的。

开关电源内部机构示意图
开关电源内部机构示意图

一二级EMI电路过后,就到了整流部分了,这里主要有一个四个整流二极管组建的整流桥堆,其功能是实现,将交流电转变成为直流电。其之后就是高压滤波电路了,这里会看到有一个或者两个大电容,以电感线圈等,主要负责进来的交流电进行滤波,由于外部交流电频率可能波动较大,通过电容与线圈进行滤波,可以得到比较平滑的直主流电。

再往下就是中间部分了,在电源的中间是变压器部分。由于开关电源有多路出书,包括3.3V、5V、12V等等,因此需要变压器,将前面的直流电分成几组输出电压。在变压器之后的下面,救赎电源输出部分了。

总体来说,电源内部结构并不复杂,只是电源内部还会涉及到一些控制与保护电路,因此对于缺乏电子基础的朋友来说,可能不太好理解,以下分别详细介绍下。


一二级EMI部分介绍

电源的这些元气件的设计其实最重要的就是滤波,电源的MWI设计就是为对市电做第一道滤波作用的。其中主要是滤掉高频的杂波和干扰的信号。如果没有EMI滤波电源,这对电源会厂商电磁辐射影响到整个平台的使用。同时我们知道电源的电磁波还会对人体带来伤害,电源中的EMI设计其实就可以避免将电磁辐射泄漏到外面。

开关电源一级EMI部分
开关电源一级EMI部分

电源的EMI设计是必不可少的,目前主流电源的EMI设计是直接焊接在电路上。我们通过图片可以看到电源线与电源相链的电路,很多电源这里用的都是黄色的方块以及蓝色的元器件,这个蓝色的分别是X、Y电容,以及铜线圈电感,这样起到的作用是第一重滤波。

开关电源二级EMI
开关电源二级EMI

说完了一级EMI下面是二级EMI,二级EMI往往是由两个Y电容一个X电容,保险管和一些差模电感和共模电感组成的。这两类电感的作用是更好的滤波以及可以抗干扰。说道共模电感和差模电感,有些玩家不太清楚,共模电感是采用了双线并绕,而差模电感采用的是单线绕制。

二:整流部分

开关电源,一二EMI保护电路之后,电源整流桥的最用是将AC交流电矫正为DC直流电目前我们看到的主流整流桥采用的是四个分立的二极管,整流部分主要是将交流电,转变为直流电。

电源整流桥
电源整流桥

电源PFC部分

PFC的英文全称为“Power Factor Correction”,意思是“功率因数校正”,功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因素值越大,代表其电力利用率越高。目前我们可以见到的PFC有三种,分别是被动式PFC、主动式PFC以及交错式PFC。

电源PFC
电源PFC

被动式PFC电路结构较为简单,其实就是一个巨大而沉重的电感。这个电感一般位于垂直于电源的主PCB板四周的电源壁上,并且一般都有黄色的胶布捆着。同时被动PFC电路也有标准的高压滤波电容,用做电能储备之用。

Ps:部分低价或者山寨电源往往为了节省成本,可能会取消PFC或者放置假PFC,这点对于低价电源中很常见。

电源一次侧部分
电源一次侧部分

主动式PFC的电感比被动式PFC的电感药效很多,会有一个比较大的PFC输入滤波薄膜电容,同时我们开可以看到主动式PFC电源有一个PFC电容这个叫做PFC输出电容。如果不是主动式PFC的电源,这个电容叫做主电容,这个电容的主要作用是用来给主动PFC储存电能的。

交错式PFC设计
交错式PFC设计

交错式PFC其实也是属于主动式PFC,是主动式PFC的一种,可以看作是主动式PFC的升级进化产物。交错式PFC与普通主动PFC不同的是,它是由两个大电感组成的,在工作时交错式PFC并联工作。这样的并联方式可以使工作电流更低节省损耗,同时PFC的输入输出电流频率可以增加一倍。

交错PFC电路使用较小的元件,降低成本,改善散热性能,提供功率密度,降低传导损耗,从而提高供电系统效率。


成熟半桥与常见正激结构

拓扑主要影响电源的转换效率,动态能力,稳定性等种种方面。但是拓扑结构与电源的功率没有固定搭配关系。并且拓扑结构在分类上是十分细致的,就好像一个树状图,大类上分为正激,全桥,半桥。

半桥结构设计电源
半桥结构设计电源
半桥结构设计电源内部图示
半桥结构设计电源内部图

半桥拓扑是一种古老的电源结构,半桥结构判断起来比较容易,一般来说电源中间部分的变压器就可以容易的分辨出来是否是半桥拓扑的电源了。半桥拓扑的电源有一个大变压器和两个小的变压器,大变压器是主变压器,两个小的是驱动变压器和辅助变压器。往往半桥的拓扑结构会有被动PFC一起出现。

正激结构电源内部
正激结构电源内部

正激结构可以分为单管正激、双管正激和有源钳位正激,有源钳位正激往往时出现在全汉的电源产品中,这也是正激拓扑的一个升级版,我们可以看到有源钳位有单管和双管两种。正激拓扑结构是现在主流电源所使用的结构,正激电源有一个大的变压器和一个小的变压器,大变压器是住主变压器,小变压器是辅助变压器。

高效的LLC谐振结构

LLC谐振是在主流高端高瓦数电源的必备结构,LLC谐振最大的特点是可以将电源的转换效率达到很好。这样的结构的电路上包含有一个谐振电感和谐振电容。与板桥结构一样LLC谐振结构有一个大变压器和两个小变压器,大的是主变压器,小的分别是待机变压器和谐振电路驱动变压器。

LLC谐振电源内部设计
LLC谐振电源内部设计

了解电源的网友们一定知道LLC谐振结构的电源都会与DC-DC模块共同出现,DC-DC模块输出相比普通变压器变压输出在高负载和负载有落差时都可以保持很好的稳定输出。DC-DC模块很容易辨别出来,多数DC-DC模块都是在电源二次侧电路部分,并且都是用两个PCB版竖起来放置。

+5V和+3.3V的DC-DC模块设计
+5V和+3.3V的DC-DC模块设计

说道二次侧,其实二次侧就是电源的低压滤波输出,这也是电源最后输出保证得电路,通过电源内部的转换将电流进行过滤,保证主机内部硬件提供的供电都是纯净的。在二次侧这块最重要的还有滤波电容,这里我们可以看到有的电源使用电解电容,有的使用固态电容,固态电容可以有着更好的滤波效果。

电源保护IC芯片
电源保护IC芯片
 

另外电源都会设计有保护芯片,这是电源保障必不可少的。保护芯片可以监控+12V、+5V和+3.3V的输出,实现各路输出的UVP(低电压保护)、OVP(过电压保护)、OCP(过电流保护)、SCP(短路保护),同时部分控制芯片还提供了OTP(过温度保护)或-12 V UVP(低电压保护)的功能,当超出片内设定值后,会自动停止工作,保护电源内部及平台上各配件及元件的运行,内部设计有过载保护以及防雷击功能,可保证整个电源稳定工作。


责任编辑:zxh

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