重溫電源PCB結(jié)構(gòu)的主要進(jìn)化路線

1946年第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)在美國誕生，它的占地面積高達(dá)170平方米，而如今我們的主機(jī)甚至可以做到像一個(gè)U盤這么小。作為主機(jī)的一部分，PC電源也在不停的進(jìn)化。今天，我就來簡要說說關(guān)于PC電源內(nèi)部電路設(shè)計(jì)的主要進(jìn)化路線。

重溫電源PCB結(jié)構(gòu)

在聊PCB演化歷程之前，首先我們來溫習(xí)一下電源的PCB結(jié)構(gòu)。

▍ EMI濾波

EMI濾波系統(tǒng)在電源中的作用是過濾掉市電中的雜質(zhì)，使輸入電流更加純凈不會(huì)干擾硬件工作。一般來說，一個(gè)價(jià)格正常的電源都會(huì)有一、二級EMI濾波。有些電源會(huì)把一級EMI濾波做在輸入電源線腳上，而上圖的電源則將其做在PCB板上。

▍ 整流橋

電流經(jīng)過濾波后進(jìn)入PFC，首先通過整流橋，整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成直流電。一般來說，整流橋在工作時(shí)都會(huì)有不少發(fā)熱量，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的電源會(huì)將整流橋鎖在散熱片上，像愛國者電競500把兩塊整流橋直接設(shè)計(jì)在PCB板上是不合理的。

▍ PFC

從整流橋出來的電流進(jìn)入PFC，PFC是Power Factor Correction的簡稱，翻譯過來就是功率因素校正。交流電成波浪狀，采用PFC的電源可利用不僅是波峰和谷峰附近的電能，提高利用率。

▍ 主電容

主電容(PFC電容)在電源中的作用：一是濾波，二是貯存電量保證突然斷電時(shí)有一定的電量支持電腦硬件作出反應(yīng)。

▍ 變壓系統(tǒng)

接下來是變壓系統(tǒng)，一般分為大小變壓器，將市電降壓到適合主機(jī)使用。圖中較大的便是主變壓器。

▍ 整流、穩(wěn)壓、濾波

整流管鎖在金屬片上

變壓器出來的電流會(huì)由經(jīng)過一次整流變成直流電，然后進(jìn)行穩(wěn)壓濾波后才能輸出到電腦的各個(gè)硬件上。

電源PCB各結(jié)構(gòu)的演化

復(fù)習(xí)完電源PCB的大致結(jié)構(gòu)，接下來就是今天的主題。這次我主要說說電源PCB上的 PFC 、 變壓系統(tǒng) 、 整流 、 穩(wěn)壓系統(tǒng) 的演變。

▍ PFC的變化

在很久很久以前， PC電源并沒有PFC結(jié)構(gòu) ，市電輸入后經(jīng)過二極管整流電容濾波， 只能利用到波浪狀交流電的波谷和峰谷附近的能量 ，在一個(gè)周期的其他時(shí)間都不會(huì)有電流輸入， 利用率相當(dāng)?shù)?。而電源沒用到的電能并不會(huì)計(jì)入電費(fèi)中，因此我們并不會(huì)造成任何浪費(fèi)。相反則是國家供電網(wǎng)會(huì)浪費(fèi)電能。我國PC的 3C認(rèn)證是電源必須有PFC結(jié)構(gòu) 。

電容左側(cè)的被動(dòng)式PFC

PFC分為主動(dòng)式PFC和被動(dòng)式PFC。被動(dòng)式PFC就是一個(gè)體積較大的電感線圈，它的 功率校正因素最高也只能去到0.8 ，而且輸入電壓范圍不能太寬。不過這種結(jié)構(gòu)勝在 成本低 ，在很多低端電源上能見到它的蹤跡。

電感線圈左右有控制IC和電容

為了提高利用率、擴(kuò)大輸入電壓范圍，很多電源都舍棄被動(dòng)式PFC改為采用主動(dòng)式PFC。主動(dòng)式PFC由電感線圈，濾波電容、開關(guān)管以及控制IC等元器件組成。它的功率校正因素可以輕松達(dá)到 99% 以上，輸入電壓范圍也可達(dá)到90-240V，但成本也相應(yīng)提高不少。從被動(dòng)式PFC進(jìn)化成主動(dòng)式PFC，電源的減少浪費(fèi)電能，確實(shí)是好事。

淘寶知名品牌“爵柏”的水泥PFC

然而有些黑心商家出售的電源居然用“水泥PFC”，這種假PFC里面只有一塊水泥。這種電源使用起來是相當(dāng)危險(xiǎn)的，大家在購買電源時(shí)注意要優(yōu)先選擇采用主動(dòng)式PFC的電源，如果想購買低功率電源可以適當(dāng)買被動(dòng)式PFC的電源。

▍ 變壓結(jié)構(gòu)的變化

說到變壓結(jié)構(gòu)就要談到一件事：之前氣味大師的一篇文章中，有位網(wǎng)友誤將LLC認(rèn)作老式半橋，并大言不慚指責(zé)我，更可笑的是居然還有不少網(wǎng)友點(diǎn)贊認(rèn)同。當(dāng)然這也不怪他，這兩種結(jié)構(gòu)粗略一看十分相似，希望大家看完這篇文章后能分清它們的不同，不要再鬧出這種笑話了。

一大兩小變壓器與LLC結(jié)構(gòu)類似

先說說老式半橋，它的結(jié)構(gòu)十分明顯，變壓系統(tǒng)里有 一大兩小三個(gè)變壓器 。由于這是一種年代久遠(yuǎn)的電源結(jié)構(gòu)，因此它的轉(zhuǎn)換效率并不高，最頂尖也不到80%。但是它的成本相當(dāng)?shù)停话銜?huì)出現(xiàn)在低價(jià)低功率的電源上。這種結(jié)構(gòu)一般會(huì) 搭配被動(dòng)式PFC，使成本降到最低 ，不過現(xiàn)在已經(jīng)很少有這種結(jié)構(gòu)的電源了。(年代過于久遠(yuǎn)，找不到清晰的素材)

位于正中間的大小變壓器

在二十一世紀(jì)初開始興起另一種變壓結(jié)構(gòu)：正激結(jié)構(gòu)。以開關(guān)管數(shù)量不同分別有單管正激和雙管正激結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是變壓系統(tǒng)中有 一大一小兩個(gè)變壓器 。雙管正激結(jié)構(gòu)的開關(guān)管更多，性能比單管正激結(jié)構(gòu)強(qiáng)不少，因此現(xiàn)在已經(jīng)很少有單管正激結(jié)構(gòu)的電源了。相較老式半橋，正激結(jié)構(gòu)的電源轉(zhuǎn)換率能大大提高，能達(dá)到銀牌標(biāo)準(zhǔn)，但卻很難達(dá)到金牌標(biāo)準(zhǔn)以上。

這里就要引出一種拓展版結(jié)構(gòu)：有源鉗位正激結(jié)構(gòu)，它是由全漢創(chuàng)造出來的一種結(jié)構(gòu)。它能把電源轉(zhuǎn)換率可以做到金牌標(biāo)準(zhǔn)以上，不過用料不足會(huì)導(dǎo)致輸出紋波過大，因此相應(yīng)成本也提高不少。由于這種結(jié)構(gòu)普及率較低，我就不多介紹了。

近幾年興起一種名為LLC的新型結(jié)構(gòu)，上文提到這種結(jié)構(gòu)與老式半橋類似，都是有 一大兩小三個(gè)變壓器 。其實(shí)這里有個(gè)很簡單的區(qū)分方法，老式半橋電源轉(zhuǎn)換率極低，而LLC電源的轉(zhuǎn)換率能輕松達(dá)到金牌標(biāo)準(zhǔn)。我們只需要通過電源轉(zhuǎn)換率即可分辨兩種不同結(jié)構(gòu)。LLC又分為LLC半橋和LLC全橋。一般來說這種結(jié)構(gòu)的電源轉(zhuǎn)換率能做到白金標(biāo)準(zhǔn)，相較于雙管正激結(jié)構(gòu)，它的成本較低，動(dòng)態(tài)性能較弱，可以通過無腦堆料增加電容的方式彌補(bǔ)缺陷，是目前最流行的電源結(jié)構(gòu)。不過在400W以下的電源，LLC結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)卻遜色于雙管正激。

與LLC半橋相比，LLC全橋的工藝更加復(fù)雜，但是在功率和轉(zhuǎn)換率上又有所提升，相應(yīng)地成本也會(huì)提高。我們能在高功率的白金標(biāo)準(zhǔn)電源上看到這種結(jié)構(gòu)。

▍ 整流管的進(jìn)化

接下來說說整流管的變化，其實(shí)整流管變化不多。以前的電源大多采用多枚肖特基管進(jìn)行整流，而現(xiàn)在越來越多廠商采用MOS管代替肖特基管進(jìn)行同步整流。采用MOS管可以進(jìn)一步提高電源轉(zhuǎn)換率，金牌標(biāo)準(zhǔn)以上的電源基本都能看到這個(gè)設(shè)計(jì)。

▍ 穩(wěn)壓輸出結(jié)構(gòu)也有優(yōu)化

最后要說一下穩(wěn)壓輸出部分。我們常見的電源會(huì)采用單路磁放大，雙路磁放大或者DC-DC結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)會(huì)影響+12V、+5V和+3.3V的輸出的電壓偏移。DC-DC的控制性能最強(qiáng)，其次是雙路磁放大，最差的結(jié)構(gòu)則是單路磁放大。這些不同結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別也是相當(dāng)好辨認(rèn)的。

單路磁放大，將+3.3V單獨(dú)分出一路輸出，它的特征是 主變壓器附近會(huì)有一個(gè)小線圈 。而+12V和+5V由PWM芯片控制。因此+12V高負(fù)載時(shí)會(huì)對+5V輸出電壓造成很大影響。而在 穩(wěn)流結(jié)構(gòu)的位置會(huì)有兩個(gè)線圈 分別給+12V和+5V進(jìn)行穩(wěn)流。

雙路磁放大，將+5V和+3.3V獨(dú)立出來，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在 主變壓器附近會(huì)有兩個(gè)小線圈 ， 穩(wěn)流結(jié)構(gòu)的位置會(huì)有3個(gè)大線圈 對應(yīng)+12V、+5V和+3.3V。因?yàn)?5V和+3.3V獨(dú)立出來，+12V高負(fù)載時(shí)對其他兩路輸出電壓的影響會(huì)有所減少。這是一種從單路磁放大進(jìn)化而來的結(jié)構(gòu)，解決了單路磁放大使用上出現(xiàn)的部分缺陷。

雖然雙路磁放大結(jié)構(gòu)可以控制+12V對+5V和+3.3V的電壓影響，但并不能完全解決問題。因此一種新型的穩(wěn)流結(jié)構(gòu)面世：DC-DC結(jié)構(gòu)。簡單來說，這種結(jié)構(gòu)是從+12V取電直接降壓成+5V和+3.3V然后輸出，因此+12V的額定功率可以無限制地做大。這種結(jié)構(gòu)是最容易辨別的，在穩(wěn)流結(jié)構(gòu)的位置上會(huì)有一塊垂直的PCB，上面帶有兩個(gè)線圈。

甚至我們不需要拆開電源內(nèi)部就能分別一個(gè)電源是不是DC-DC結(jié)構(gòu)。我們可以觀察電源的銘牌，如果 電源的+12V最大功率是十分接近電源額定功率 ，則這個(gè)電源是采用DC-DC結(jié)構(gòu)。DC-DC也在逐漸代替雙路磁放大成為高瓦數(shù)電源的標(biāo)配設(shè)計(jì)。

尾聲

隨著時(shí)間推移，電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不斷發(fā)生變化。從很久以前的老式半橋變成正激結(jié)構(gòu)再到現(xiàn)在的LLC結(jié)構(gòu)，甚至還有有源鉗位或移相全橋等結(jié)構(gòu)，都在往高轉(zhuǎn)換率方向發(fā)展。而穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)則是從單路磁放大到雙路磁放大再到現(xiàn)在流行的DC-DC結(jié)構(gòu)，以更穩(wěn)定的電壓輸出為目標(biāo)進(jìn)化。有不少網(wǎng)友會(huì)說：“我很久以前買的一個(gè)電源到現(xiàn)在都能用”，“便宜的電源不也是用的好好的”。其實(shí)當(dāng)你的電腦功率不高時(shí)，配置再差的電源也能勉強(qiáng)支持電腦運(yùn)作。不過便宜的電源對電腦供電會(huì)造成不少影響。

目前大部分電源都至少采用雙管正激結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)換率高的電源則會(huì)采用LLC結(jié)構(gòu)，當(dāng)然我們要注意采用LLC半橋的電源的價(jià)格不能太便宜，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的電源必須通過一定數(shù)量和質(zhì)量的電容才能支撐起性能。穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)則關(guān)系到電源輸出到電腦的電壓穩(wěn)定性。在選購400W以下的電源時(shí)，我們可以適當(dāng)購買單路磁放大結(jié)構(gòu)的電源。不過最好還是購買雙路磁放大 或DC-DC結(jié)構(gòu)的電源。值得高興的是，很多新設(shè)計(jì)的金牌電源都會(huì)采用LLC加DC-DC這種比較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)。相信看完這篇文章，大家對電源結(jié)構(gòu)及發(fā)展又有更進(jìn)一步的了解。