系統(tǒng)介紹開(kāi)關(guān)電源工作原理詳解析
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前言介紹:PC電源知多少
個(gè)人PC所采用的電源都是基于一種名為“開(kāi)關(guān)模式”的技術(shù),所以我們經(jīng)常會(huì)將個(gè)人PC電源稱(chēng)之為——開(kāi)關(guān)電源(Switching Mode Power Supplies,簡(jiǎn)稱(chēng)SMPS),它還有一個(gè)綽號(hào)——DC-DC轉(zhuǎn)化器。本次文章我們將會(huì)為您解讀開(kāi)關(guān)電源的工作模式和原理、開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。
●線性電源知多少
目前主要包括兩種電源類(lèi)型:線性電源(linear)和開(kāi)關(guān)電源(switching)。線性電源的工作原理是首先將127 V或者220 V市電通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)為低壓電,比如說(shuō)12V,而且經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的低壓依然是AC交流電;然后再通過(guò)一系列的二極管進(jìn)行矯正和整流,并將低壓AC交流電轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)電壓(配圖1和2中的“3”);下一步需要對(duì)脈動(dòng)電壓進(jìn)行濾波,通過(guò)電容完成,然后將經(jīng)過(guò)濾波后的低壓交流電轉(zhuǎn)換成DC直流電(配圖1和2中的“4”);此時(shí)得到的低壓直流電依然不夠純凈,會(huì)有一定的波動(dòng)(這種電壓波動(dòng)就是我們常說(shuō)的紋波),所以還需要穩(wěn)壓二極管或者電壓整流電路進(jìn)行矯正。最后,我們就可以得到純凈的低壓DC直流電輸出了(配圖1和2中的“5”)
配圖1:標(biāo)準(zhǔn)的線性電源設(shè)計(jì)圖
配圖2:線性電源的波形
盡管說(shuō)線性電源非常適合為低功耗設(shè)備供電,比如說(shuō)無(wú)繩電話、PlayStation/Wii/Xbox等游戲主機(jī)等等,但是對(duì)于高功耗設(shè)備而言,線性電源將會(huì)力不從心。
對(duì)于線性電源而言,其內(nèi)部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比:也即說(shuō)如果輸入市電的頻率越低時(shí),線性電源就需要越大的電容和變壓器,反之亦然。由于當(dāng)前一直采用的是60Hz(有些國(guó)家是50Hz)頻率的AC市電,這是一個(gè)相對(duì)較低的頻率,所以其變壓器以及電容的個(gè)頭往往都相對(duì)比較大。此外,AC市電的浪涌越大,線性電源的變壓器的個(gè)頭就越大。
由此可見(jiàn),對(duì)于個(gè)人PC領(lǐng)域而言,制造一臺(tái)線性電源將會(huì)是一件瘋狂的舉動(dòng),因?yàn)樗捏w積將會(huì)非常大、重量也會(huì)非常的重。所以說(shuō)個(gè)人PC用戶(hù)并不適合用線性電源。
●開(kāi)關(guān)電源知多少
開(kāi)關(guān)電源可以通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)模式很好的解決這一問(wèn)題。對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源而言,AC輸入電壓可以在進(jìn)入變壓器之前升壓(升壓前一般是50-60 KHz)。隨著輸入電壓的升高,變壓器以及電容等元器件的個(gè)頭就不用像線性電源那么的大。這種高頻開(kāi)關(guān)電源正是我們的個(gè)人PC以及像VCR錄像機(jī)這樣的設(shè)備所需要的。需要說(shuō)明的是,我們經(jīng)常所說(shuō)的“開(kāi)關(guān)電源”其實(shí)是“高頻開(kāi)關(guān)電源”的縮寫(xiě)形式,和電源本身的關(guān)閉和開(kāi)啟式?jīng)]有任何關(guān)系的。
事實(shí)上,終端用戶(hù)的PC的電源采用的是一種更為優(yōu)化的方案:閉回路系統(tǒng)(closed loop system)——負(fù)責(zé)控制開(kāi)關(guān)管的電路,從電源的輸出獲得反饋信號(hào),然后根據(jù)PC的功耗來(lái)增加或者降低某一周期內(nèi)的電壓的頻率以便能夠適應(yīng)電源的變壓器(這個(gè)方法稱(chēng)作PWM,Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)。所以說(shuō),開(kāi)關(guān)電源可以根據(jù)與之相連的耗電設(shè)備的功耗的大小來(lái)自我調(diào)整,從而可以讓變壓器以及其他的元器件帶走更少量的能量,而且降低發(fā)熱量。
反觀線性電源,它的設(shè)計(jì)理念就是功率至上,即便負(fù)載電路并不需要很大電流。這樣做的后果就是所有元件即便非必要的時(shí)候也工作在滿(mǎn)負(fù)荷下,結(jié)果產(chǎn)生高很多的熱量。
第2頁(yè):看圖說(shuō)話:圖解開(kāi)關(guān)電源
下圖3和4描述的是開(kāi)關(guān)電源的PWM反饋機(jī)制。圖3描述的是沒(méi)有PFC(Power Factor Correction,功率因素校正) 電路的廉價(jià)電源,圖4描述的是采用主動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)的中高端電源。
圖3:沒(méi)有PFC電路的電源
圖4:有PFC電路的電源
通過(guò)圖3和圖4的對(duì)比我們可以看出兩者的不同之處:一個(gè)具備主動(dòng)式PFC電路而另一個(gè)不具備,前者沒(méi)有110/220 V轉(zhuǎn)換器,而且也沒(méi)有電壓倍壓電路。下文我們的重點(diǎn)將會(huì)是主動(dòng)式PFC電源的講解。
為了讓讀者能夠更好的理解電源的工作原理,以上我們提供的是非?;镜膱D解,圖中并未包含其他額外的電路,比如說(shuō)短路保護(hù)、待機(jī)電路以及PG信號(hào)發(fā)生器等等。當(dāng)然了,如果您還想了解一下更加詳盡的圖解,請(qǐng)看圖5。如果看不懂也沒(méi)關(guān)系,因?yàn)檫@張圖本來(lái)就是為那些專(zhuān)業(yè)電源設(shè)計(jì)人員看的。
圖5:典型的低端ATX電源設(shè)計(jì)圖
你可能會(huì)問(wèn),圖5設(shè)計(jì)圖中為什么沒(méi)有電壓整流電路?事實(shí)上,PWM電路已經(jīng)肩負(fù)起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管之前將會(huì)再次校正,而且進(jìn)入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以,變壓器輸出的波形也是方形波,而不是正弦波。由于此時(shí)波形已經(jīng)是方形波,所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉(zhuǎn)換為DC直流電壓。也就是說(shuō),當(dāng)電壓被變壓器重新校正之后,輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為什么很多時(shí)候開(kāi)關(guān)電源經(jīng)常會(huì)被稱(chēng)之為DC-DC轉(zhuǎn)換器。
饋送PWM控制電路的回路負(fù)責(zé)所有需要的調(diào)節(jié)功能。如果輸出電壓錯(cuò)誤時(shí),PWM控制電路就會(huì)改變工作周期的控制信號(hào)以適應(yīng)變壓器,最終將輸出電壓校正過(guò)來(lái)。這種情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生在PC功耗升高的時(shí),此時(shí)輸出電壓趨于下降,或者PC功耗下降的時(shí),此時(shí)輸出電壓趨于上升。
在看下一頁(yè)是,我們有必要了解一下以下信息:
★在變壓器之前的所有電路及模塊稱(chēng)為“primary”(一次側(cè)),在變壓器之后的所有電路及模塊稱(chēng)為“secondary”(二次側(cè));
★采用主動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)的電源不具備110 V/ 220 V轉(zhuǎn)換器,同時(shí)也沒(méi)有電壓倍壓器;
★對(duì)于沒(méi)有PFC電路的電源而言,如果110 V / 220 V被設(shè)定為110 V時(shí),電流在進(jìn)入整流橋之前,電源本身將會(huì)利用電壓倍壓器將110 V提升至220 V左右;
★PC電源上的開(kāi)關(guān)管由一對(duì)功率MOSFET管構(gòu)成,當(dāng)然也有其他的組合方式,之后我們將會(huì)詳解;
★變壓器所需波形為方形波,所以通過(guò)變壓器后的電壓波形都是方形波,而非正弦波;
★PWM控制電流往往都是集成電路,通常是通過(guò)一個(gè)小的變壓器與一次側(cè)隔離,而有時(shí)候也可能是通過(guò)耦合芯片(一種很小的帶有LED和光電晶體管的IC芯片)和一次側(cè)隔離;
★PWM控制電路是根據(jù)電源的輸出負(fù)載情況來(lái)控制電源的開(kāi)關(guān)管的閉合的。如果輸出電壓過(guò)高或者過(guò)低時(shí),PWM控制電路將會(huì)改變電壓的波形以適應(yīng)開(kāi)關(guān)管,從而達(dá)到?!镎敵鲭妷旱哪康?
下一頁(yè)我們將通過(guò)圖片來(lái)研究電源的每一個(gè)模塊和電路,通過(guò)實(shí)物圖形象的告訴你在電源中何處能找到它們。
第3頁(yè):看圖說(shuō)話:電源內(nèi)部揭秘
當(dāng)你第一次打開(kāi)一臺(tái)電源后(確保電源線沒(méi)有和市電連接,否則會(huì)被電到),你可能會(huì)被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉(zhuǎn)向,但是有兩樣?xùn)|西你肯定認(rèn)識(shí):電源風(fēng)扇和散熱片。
開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部
但是您應(yīng)該很容易就能分辨出電源內(nèi)部哪些元器件屬于一次側(cè),哪些屬于二次側(cè)。一般來(lái)講,如果你看到一個(gè)(采用主動(dòng)式PFC電路的電源)或者兩個(gè)(無(wú)PFC電路的電源)很大的濾波電容的話,那一側(cè)就是一次側(cè)。
一般情況下,再電源的兩個(gè)散熱片之間都會(huì)安排3個(gè)變壓器,比如說(shuō)圖7所示,主變壓器是最大個(gè)的那顆;中等“體型”的那顆往往負(fù)責(zé)+5VSB輸出,而最小的那顆一般用于PWM控制電路,主要用于隔離一次側(cè)和二次側(cè)部分(這也是為什么在上文圖3和圖4中的變壓器上貼著“隔離器”的標(biāo)簽)。有些電源并不把變壓器當(dāng)“隔離器”來(lái)用,而是采用一顆或者多顆光耦(看起來(lái)像是IC整合芯片),也即說(shuō)采用這種設(shè)計(jì)方案的電源只有兩個(gè)變壓器——主變壓器和輔變壓器。
電源內(nèi)部一般都有兩個(gè)散熱片,一個(gè)屬于一次側(cè),另一個(gè)屬于二次側(cè)。如果是一臺(tái)主動(dòng)式PFC電源,那么它的在一次側(cè)的散熱片上,你可以看到開(kāi)關(guān)管、PFC晶體管以及二極管。這也不是絕對(duì)的,因?yàn)橐灿行S商可能會(huì)選擇將主動(dòng)式PFC組件安裝到獨(dú)立的散熱片上,此時(shí)在一次側(cè)會(huì)有兩個(gè)散熱片。
在二次側(cè)的散熱片上,你會(huì)發(fā)現(xiàn)有一些整流器,它們看起來(lái)和三極管有點(diǎn)像,但事實(shí)上,它們都是有兩顆功率二極管組合而成的。
在二次側(cè)的散熱片旁邊,你還會(huì)看到很多電容和電感線圈,共同共同組成了低壓濾波模塊——找到它們也就找到了二次側(cè)。
區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)更簡(jiǎn)單的方法就是跟著電源的線走。一般來(lái)講,與輸出線相連的往往是二次側(cè),而與輸入線相連的是一次側(cè)(從市電接入的輸入線)。如圖7所示。
區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)
以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺(tái)電源內(nèi)部的各個(gè)模塊。下面我們細(xì)化一下,將話題轉(zhuǎn)移到電源各個(gè)模塊的元器件上來(lái)……
第4頁(yè):瞬變?yōu)V波電路解析
市電接入PC開(kāi)關(guān)電源之后,首先進(jìn)入瞬變?yōu)V波電路(Transient Filtering),也就是我們常說(shuō)的EMI電路。下圖8描述的是一臺(tái)PC電源的“推薦的”的瞬變?yōu)V波電路的電路圖。
瞬變?yōu)V波電路的電路圖
為什么要強(qiáng)調(diào)是“推薦的”的呢?因?yàn)槭忻嫔虾芏嚯娫?,尤其是低端電源,往往?huì)省去圖8中的一些元器件。所以說(shuō)通過(guò)檢查EMI電路是否有縮水就可以來(lái)判斷你的電源品質(zhì)的優(yōu)劣。
EMI電路電路的主要部件是MOV (l Oxide Varistor,金屬氧化物壓敏電阻),或者壓敏電阻(圖8中RV1所示),負(fù)責(zé)抑制市電瞬變中的尖峰。MOV元件同樣被用在浪涌抑制器上(surge suppressors)。盡管如此,許多低端