各種電子設(shè)備必不可缺的開(kāi)關(guān)電源，你了解嗎？

現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)電源，沒(méi)有了電源，社會(huì)上的一切活動(dòng)就沒(méi)法進(jìn)行，那么有電就會(huì)有各種開(kāi)關(guān)。電源是各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。

由于開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗小，轉(zhuǎn)化率高，且體積和重量只有線(xiàn)性電源的20% - 30%，故目前它已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。電子設(shè)備電氣故障的檢修，本著從易到難的原則，基本上都是先從電源入手，在確定其電源正常后，再進(jìn)行其他部位的檢修，且電源故障占電子設(shè)備電氣故障的大多數(shù)。

電源不像處理器，可以看規(guī)格知性能;電源也不像顯卡，由一顆關(guān)鍵的GPU來(lái)決定檔次。一款好的電源除了滿(mǎn)足功率需求以外，還必須考量穩(wěn)定、節(jié)能、靜音、安全等多方面的因素。在沒(méi)有專(zhuān)業(yè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的情況下，我們只有了解一些電源的基本原理和元器件知識(shí)，才能做到對(duì)電源“一目了然”。

開(kāi)關(guān)電源的組成

開(kāi)關(guān)電源大至由主電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源四大部份組成。

1. 主電路

沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。

輸入濾波器：其作用是過(guò)濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。

整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。

逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開(kāi)關(guān)電源的核心部分。

輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2. 控制電路

一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。

3. 檢測(cè)電路

提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

4. 輔助電源

實(shí)現(xiàn)電源的軟件(遠(yuǎn)程)啟動(dòng)，為保護(hù)電路和控制電路(PWM等芯片)工作供電。

常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)用電源的功能是將輸入的交流市電(AC110V/220V)，經(jīng)過(guò)隔離型交換式降壓電路轉(zhuǎn)換出各硬件所需的各種低壓直流電：3.3V、5V、12V、-12V及提供計(jì)算機(jī)關(guān)閉時(shí)待命用的5V Standby(5VSB)。所以電源內(nèi)部同時(shí)具備了耐高壓、大功率的組件以及處理低電壓及控制信號(hào)的小功率組件。

電源轉(zhuǎn)換流程為交流輸入→EMI濾波電路→整流電路→功率因子修正電路(主動(dòng)或是被動(dòng)PFC)→功率級(jí)一次側(cè)(高壓側(cè))開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換成脈流→主要變壓器→功率級(jí)二次側(cè)(低壓側(cè))整流電路→電壓調(diào)整電路(例如磁性放大電路或是DC-DC轉(zhuǎn)換電路)→濾波(平滑輸出漣波，由電感及電容組成)電路→電源管理電路監(jiān)控輸出。

以下從交流輸入端EMI濾波電路常見(jiàn)的組件開(kāi)始介紹。

交流電輸入插座

此為交流電從外部輸入電源的第一道關(guān)卡，為了阻隔來(lái)自電力在線(xiàn)干擾，以及避免電源運(yùn)作所產(chǎn)生的交換噪聲經(jīng)電力線(xiàn)往外散布干擾其它用電裝置，都會(huì)于交流輸入端安裝一至二階的EMI(電磁干擾)Filter(濾波器)，其功能就是一個(gè)低通濾波器，將交流電中所含高頻的噪聲旁路或是導(dǎo)向接地線(xiàn)，只讓60Hz左右的波型通過(guò)。

上面照片中，中央為一體式EMI濾波器電源插座，濾波電路整個(gè)包于鐵殼中，能更有效避免噪聲外泄;右方的則是以小片電路板制作EMI濾波電路，通常使用于無(wú)足夠深度安裝一體式EMI濾波器的電源供應(yīng)器，少了鐵皮外殼多少會(huì)有噪聲泄漏情形;而左邊的插座上只加上Cx與Cy電容(稍后會(huì)介紹)，使用這類(lèi)設(shè)計(jì)的電源，其EMI濾波電路通常需要做在主電路板上，若是主電路板上的EMI電路區(qū)空空如也，就代表該區(qū)組件被省略掉了。

目前使用12公分風(fēng)扇的電源供應(yīng)器內(nèi)部空間都不太能塞下一體式EMI濾波器，所以大多采用照片左右兩邊的做法。

X電容(Cx，又稱(chēng)為跨接線(xiàn)路濾波電容)

這是EMI濾波電路組成中，用來(lái)跨接火線(xiàn)(L)與中性線(xiàn)(N)間的電容，用途是消除來(lái)自電力線(xiàn)的低通常態(tài)噪聲。

外觀如照片所示為方型，上方會(huì)打上X或X2字樣。

Y電容(Cy，又稱(chēng)為線(xiàn)路旁通電容器)

Y電容為跨接于浮接地(FG)和火線(xiàn)(L)/中性線(xiàn)(N)之間，用來(lái)消除高通常態(tài)及共態(tài)噪聲。

Y電容的外觀如照片呈圓餅狀

而計(jì)算機(jī)用電源中的FG點(diǎn)與金屬外殼、地線(xiàn)(E)及輸出端0V/GND共接，所以未連接接地線(xiàn)時(shí)，會(huì)經(jīng)由兩顆串聯(lián)的Cy電容分壓出輸入電源一半的電位差(Vin/2)，人體碰觸到后就有可能產(chǎn)生感電現(xiàn)象。

共態(tài)扼流圈(交連電感)

共模態(tài)扼流圈在濾波電路中為串聯(lián)在火線(xiàn)(L)與中性線(xiàn)(N)上，用來(lái)消除電力在線(xiàn)低通共態(tài)以及射頻噪聲。有些電源的輸入端線(xiàn)路，會(huì)有纏繞在磁芯上的設(shè)計(jì)，也可以當(dāng)作是簡(jiǎn)單的共態(tài)扼流圈。

其外觀有環(huán)形與類(lèi)似變壓器的方形，部分可以見(jiàn)到外露的線(xiàn)圈。

所謂共態(tài)噪聲，代表是L/N線(xiàn)對(duì)于地線(xiàn)E間的噪聲，而常態(tài)噪聲，則是L與N線(xiàn)之間的噪聲，EMI濾波器功能主要是消除及阻擋這兩類(lèi)噪聲。在EMI濾波電路之后的是瞬時(shí)保護(hù)電路及整流電路，常見(jiàn)的組件如下。

■ 保險(xiǎn)絲

保險(xiǎn)絲就是當(dāng)其流過(guò)其上的電流值超出額定限度時(shí)，會(huì)以熔斷的方式來(lái)保護(hù)連接于后端電路，一般使用于電源供應(yīng)器中的保險(xiǎn)絲為快熔型，比較好的會(huì)使用防爆式保險(xiǎn)絲，其與一般保險(xiǎn)絲最大的差別是外管為米色陶瓷管，內(nèi)填充防火材質(zhì)避免熔斷時(shí)產(chǎn)生火花。

其安裝于電路板上的方式有如圖片上方的固定式(兩端直接套上導(dǎo)線(xiàn)座并焊于電路板上)以及圖片中央的可拆卸式(使用金屬夾片固定)。下方的方形組件是溫度保險(xiǎn)絲，這類(lèi)保險(xiǎn)絲固定于大功率水泥電阻或是功率組件的散熱片上，主要是用于超溫保護(hù)，避免組件過(guò)熱而損壞或發(fā)生火災(zāi)，這類(lèi)保險(xiǎn)絲也有與電流保險(xiǎn)絲結(jié)合的版本，對(duì)電流及溫度進(jìn)行雙重保護(hù)。

負(fù)溫度系數(shù)電阻(NTC)

因?yàn)殡娫唇油娫此查g，其內(nèi)的高壓端電解電容屬于無(wú)電狀態(tài)，充電瞬間將產(chǎn)生過(guò)大電流突波以及線(xiàn)路壓降，可能使橋式整流器等組件超出其額定電流而燒壞。NTC使用時(shí)串聯(lián)于L或N線(xiàn)路上，啟動(dòng)時(shí)其內(nèi)部阻抗值可以限制充電瞬間的電流值，而負(fù)溫度系數(shù)的定義是其電阻會(huì)隨其溫度上升而降低，所以隨著電流流過(guò)本體使溫度逐漸升高后，其阻值會(huì)隨著降低，避免造成不必要功率消耗。

其外觀大多為黑色及墨綠色的圓餅狀元件

但其缺點(diǎn)是電源處于熱機(jī)狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，其保護(hù)效果會(huì)打上折扣，且即使阻抗可隨溫度降低，仍會(huì)消耗些許功率，所以目前高效率電源大多采用更進(jìn)階的瞬時(shí)保護(hù)電路。

金氧變阻器(MOV)

變阻器跨接于保險(xiǎn)絲后端的火線(xiàn)與地線(xiàn)間，其動(dòng)作原理為當(dāng)其兩端電壓差低于其額定電壓值時(shí)，本體呈現(xiàn)高阻抗;當(dāng)電壓差超出其額定值，本體電阻會(huì)急速下降，L-N間呈現(xiàn)近似短路狀態(tài)，前端的保險(xiǎn)絲因短路而升高的電流將會(huì)使其熔斷，以保護(hù)后端電路，有時(shí)本體承受功率過(guò)大時(shí)，亦以自毀方式來(lái)警告使用者該裝置已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題。

通常用于電源供應(yīng)器交流輸入端，當(dāng)輸入交流發(fā)生過(guò)電壓時(shí)能及時(shí)讓保險(xiǎn)絲熔斷，避免使內(nèi)部組件損壞。其顏色與外觀與Cy電容很接近，不過(guò)可以從組件上面的字樣及型號(hào)來(lái)分別其不同。

橋式整流器

內(nèi)部由四顆二極管交互連接所構(gòu)成的橋式整流器，其功用是將輸入交流進(jìn)行全波整流后，供后端交換電路使用。

其外觀與大小會(huì)隨著組件額定電壓及電流的不同而有所差異，部分電源供應(yīng)器會(huì)將其固定于散熱片上，協(xié)助其散熱，以利穩(wěn)定的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作。經(jīng)過(guò)整流后，便進(jìn)入功率級(jí)一次側(cè)的交換電路，這里的組件決定了電源供應(yīng)器的各路最大輸出能力，是電源供應(yīng)器相當(dāng)重要的一部份。

開(kāi)關(guān)晶體管

在交換電路中作為無(wú)接點(diǎn)快速電子開(kāi)關(guān)，依控制信號(hào)導(dǎo)通及截止，決定電流是否流過(guò)，于主動(dòng)功率因子修正電路以及功率級(jí)一次側(cè)電路扮演重要角色。

照片中上方為電源內(nèi)常見(jiàn)的N MOSFET(N型金氧半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管)，下方則是NPN BJT(NPN型雙接面晶體管)

隨著開(kāi)關(guān)組件的電路組成方式，可構(gòu)成雙晶順向式、半橋式、全橋式、推挽式等等不同的功率級(jí)拓墣，在講求高效率的電源供應(yīng)器內(nèi)，也有使用開(kāi)關(guān)晶體構(gòu)成同步整流電路以及DC-DC降壓電路的應(yīng)用。

變壓器

為何稱(chēng)為隔離型交換式降壓電源，就是因?yàn)槭褂米儔浩髯鳛楦叩碗妷悍指?，并利用磁能進(jìn)行能量交換，不僅可以避免高低壓電路故障時(shí)的漏電危險(xiǎn)，也能簡(jiǎn)單產(chǎn)生多種電壓輸出。因其運(yùn)作頻率較高，變壓器體積較一般交流變壓器要來(lái)得小。

因?yàn)樽儔浩鳛楣β蕚鬟f路徑之一，目前大輸出電源有使用多變壓器的設(shè)計(jì)，避免單一變壓器發(fā)生飽和現(xiàn)象而限制功率的輸出。照片中上方較小的變壓器為輔助電源電路以及信號(hào)傳遞用的脈沖變壓器，下方較大者為主要功率變壓器以及環(huán)形的二次側(cè)調(diào)整用變壓器。

以變壓器作為隔離分界，二次側(cè)的輸出電壓已經(jīng)比一次側(cè)要低上許多，不過(guò)還需要經(jīng)過(guò)整流、調(diào)整以及濾波平滑等電路，才會(huì)變成計(jì)算機(jī)零件所需的各電壓直流電。

二極管

電源供應(yīng)器內(nèi)部，隨著各部電路要求及輸出大小而使用不同種類(lèi)以及規(guī)格，除了一般的硅二極管外，還有蕭特基障壁二極管(SBD)、快速回復(fù)二極管(FRD)、齊納二極管(ZD)等種類(lèi)。

圖片中為二極管常見(jiàn)的封裝形式

FRD主要用于主動(dòng)功率因子修正以及功率級(jí)一次側(cè)電路;SBD用于功率級(jí)二次側(cè)，將變壓器輸出進(jìn)行整流;ZD則是作為電壓參考用。

電感器

電感器隨著磁芯結(jié)構(gòu)、感抗值、電路上安裝位置的不同，可以作為交換電路中的儲(chǔ)能組件、磁性放大電路的電壓調(diào)整組件以及二次側(cè)整流后輸出濾波使用，于電源供應(yīng)器中廣泛使用。

圖片中電感形狀有環(huán)形及圓柱型，隨著感值及電流承受力而有不同的圈數(shù)以及漆包線(xiàn)粗細(xì)。

電容器

如電感器般，電容器同樣也作為儲(chǔ)能組件以及漣波平滑使用。為了承受整流后的高壓直流，高耐壓電解電容用于電源供應(yīng)器一次側(cè)電路;為了降低輸出下電解電容連續(xù)充放電時(shí)造成的損失，二次側(cè)電路則大量使用高耐溫長(zhǎng)壽低阻抗電解電容。

圖片中下方較大者為用于一次側(cè)的高耐壓電解電容，上方較低耐壓則使用于二次側(cè)及外圍控制電路

因電容內(nèi)有化學(xué)物質(zhì)(電解液)的關(guān)系，工作溫度對(duì)電解電容的壽命有相當(dāng)影響，所以長(zhǎng)時(shí)間下運(yùn)作，除了維持電源供應(yīng)器的良好散熱外，其使用的電解電容廠牌及系列也決定電源供應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)作的可靠度及壽命。

電阻器

電阻器用于限制電路上流過(guò)的電流，并于電源供應(yīng)器關(guān)閉后釋放電容器內(nèi)所儲(chǔ)存的電荷，避免產(chǎn)生電擊事故。

圖片中左方為大功率水泥電阻，可承受較大功率超額，右方則為一般常見(jiàn)的電阻，其上的色碼標(biāo)示出其阻值及誤差。

上述組件構(gòu)成的電路若是沒(méi)有搭配控制電路的話(huà)，是無(wú)法發(fā)揮其功能的，而各路輸出也需要隨時(shí)監(jiān)視管理，當(dāng)發(fā)生任何異常時(shí)就要立即切斷輸出，以保護(hù)計(jì)算機(jī)零組件的安全。

各種控制IC

電源供應(yīng)器內(nèi)的控制IC，依其安裝位置及用途來(lái)分，有作為PFC電路用、功率級(jí)一次側(cè)PWM電路用、PFC/PWM整合控制用、輔助電源電路用整合組件、電源監(jiān)控管理IC等等。

PFC電路用：作為主動(dòng)功率因子修正電路控制，使電源供應(yīng)器可維持一定的功率因子，并減少高次諧波產(chǎn)生。

功率級(jí)一次側(cè)PWM電路用：作為功率級(jí)一次側(cè)開(kāi)關(guān)晶體驅(qū)動(dòng)用PWM(脈寬調(diào)變)信號(hào)產(chǎn)生，隨著電源輸出狀態(tài)對(duì)其任務(wù)周期(Duty Cycle)的控制。一般常見(jiàn)的有UC3842/3843系列等PWM控制IC。

PFC/PWM整合控制用：將上述兩種控制器結(jié)合于單一IC中，可使電路更為簡(jiǎn)化，組件數(shù)目減少，縮小體積外也降低故障率。例如常見(jiàn)的CM680X系列，就是PFC/PWM整合控制IC。

輔助電源電路用整合組件：因?yàn)殡娫搓P(guān)閉后，輔助電源電路仍需持續(xù)輸出，所以必須自成一獨(dú)立系統(tǒng)，因其輸出瓦數(shù)不需太高，所以使用業(yè)界小功率整合組件作為其核心，例如PI的TOPSwitch系列。

電源監(jiān)控管理IC：進(jìn)行各路輸出的UVP(低電壓保護(hù))、OVP(過(guò)電壓保護(hù))、OCP(過(guò)電流保護(hù))、SCP(短路保護(hù))、OTP(過(guò)溫度保護(hù))監(jiān)視及保護(hù)，當(dāng)超出其設(shè)定值后，便會(huì)關(guān)閉并鎖定控制電路，停止電源供應(yīng)器輸出，待故障排除后才可重新啟動(dòng)。

除了上述組件外，其它還有廠商視需要自行加上的IC，例如風(fēng)扇控制IC等等。

光耦合器

光耦合器主要是用于高壓電路與低壓電路的信號(hào)傳遞，并維持其電路隔離，避免發(fā)生故障時(shí)高低壓電路間產(chǎn)生異常電流流動(dòng)，使低壓組件損壞。其原理就是使用發(fā)光二極管與光敏晶體管，利用光來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳遞，且因?yàn)閮烧卟o(wú)電路上的連結(jié)，所以可以維持兩端電路的隔離。電源供應(yīng)器內(nèi)部組件大致上介紹到此，下次將直接以電源供應(yīng)器實(shí)際照片，來(lái)說(shuō)明各部份的電路。以上就是開(kāi)關(guān)電源的電子元器件組成部分，希望能給大家在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中帶來(lái)一定的了解，幫助大家更快進(jìn)入設(shè)計(jì)過(guò)程。