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台式电源选购全攻略,远离被坑的结局【整流桥与PFC篇】

发布时间:2015-03-27 责任编辑:sherry

【导读】各位电源高手一定都有自己组装台式电脑的经验,但是会组装是一回事,能够选择正确且合适的器件来组成所需的成品就是另一回事了。前面讲解了台式电源选购的基础篇,本文将总结电源达人的装机经验,对台式机电源选择中的功率校正和整流桥。
 
台式电源选购全攻略,远离被坑的结局【基础篇】
http://www.cntronics.com/power-art/80028417
 
各位电源高手一定都有自己组装台式电脑的经验,但是会组装是一回事,能够选择正确且合适的器件来组成所需的成品就是另一回事了。大多数人选择组合机的原因,大多是因为组合机更加经济实惠也更加自由。组合的途径无外乎两种,有经验的朋友肯定会亲自采购配件然后再进行组合,而对台式机了解不够多的朋友只能从专业组合电脑的店铺来购买成机了,而这里面的风险自是不必多说。
 
小编特意为大家整理了一套关于台式电源的选购经验,其中包括结构与电路介绍、器件的选择等基础必备知识,相信大家在看完之后就能对组合台式机的选购有一定的概念了。在本节当中,将设计重要器件的规格选择。
 
通过EMI滤波电路的层层滤波、保险元件后,此时仍然是AC交流电,接下来电流会通过整流桥,然后变成高压DC直流电。比如输入整流桥的电压是230V,那么输出的电压为“根号2”x 230V = 1.414 x 230V = 325.22V
台式机电源选择
图1
 
图1中间的就是一个全桥整流器示意图,包括4只整流二极管,半桥即2只。
 
作为过电的重要元件,整流桥的发热量(尤其满载时)很大,再加上它的小巧身段,发热密度不容忽视,整流桥照片如图2:
台式机电源选择
图2
 
电源上常见的整流桥类似左上角,中间的孔是给螺丝穿过钉在散热片上用的(钉在散热片上的样子参考EMI滤波电路第一张图)。把这种整流桥近似看成扁立方体的话,散热面就是上下左右前后共六个面和金属引脚。没散热片时,主要靠前后两个面积大的外壳面以及引脚传热到PCB板。有散热片时散热效率大大改观。
 
整流桥的重要参数是耐压值和耐流值。以常见的光宝(Liteon)为例,同系列两枚整流桥 GBU10V08和GBU10V06,中间的10就是“在规格条件内”10安培电流,后面的V08和V06分别为耐压800V和600V。那么“在规格条件内”是什么意思?如表1。
台式机电源选择
表1
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重要部分如红框,即“有散热片时,85摄氏度内进行整流,平均输出能力稳定在10安培”和“无散热片时,100摄氏度内进行整流,平均输出能力稳定在2.9安培”。这充分说明了散热对整流桥的作用。
台式机电源选择
图3
 
从图3来看就更直观了,在整流桥散热壳的温度超过临界点时,整流桥过电能力锐减;而没有散热片时,不管环境温度如何,整流桥都只能小负荷工作。
 
回到电源选择上来,消费者怎么看?要保证足额功率输出,整流桥须达到规格。举个例子,假设一个电源标称输入电压100-264V in Vac,额定输出600W,满载时转换效率90%,即满载时输入功率667W。根据P=UI,在110V市电典型值下整流桥不能是瓶颈,667/110=6A。如果这个电源采用上面两种整流桥,那么一定是钉在散热片上的,此时余量充足。如果整流桥没有散热片,那么根据2.9A的最大值标称,反向计算667/2.9=230V,即该电源只能标200-264V in Vac。所以从成本等因素考虑,在同等条件下,有的厂商会用过流值较低的整流桥加散热器,有的厂商会用余量特别大的整流桥裸奔,还有的厂商会使用两枚整流桥。
 
图3曲线应该是“纯被动散热”的情形,在实际产品中由于主动散热,过流能力有一定改善,一般可粗略看成“没有散热片即过流能力减半”。
 
少数厂商打擦边球,宣称产品通过80Plus白牌认证,却查不到具体型号,而且在包装和铭牌上含糊不清写“Input Voltage: 230V inVac”。80Plus白牌一定是110V下测,所以一看整流桥就知道到底是不是虚标。通过后文介绍的其他器件也能大致判断。
 
APFC/PPFC 功率因素校正
 
先用尽量简化的字眼解释为什么需要功率因素校正。请先回忆下功率基本公式P=UI和正弦函数的图形。
 
理论情况1:电阻性负载(Resistive Load,阻值恒定)下,电流和电压的两条正弦曲线完全重合(零相位差)。X轴为正负极分界点,任何时候电压和电流的乘积都非负,这种情况下的输入功率都是有功功率,即零损耗。如图4:
APFC/PPFC 功率因素校正
图4
 
理论情况2:电抗性负载(Reactive Load)下,两条正弦曲线有相位差。在周期内的某些时候电流电压乘积为负,电流方向改变,流回电网。正负相抵,这部分的功率为零,造成电网能量的浪费。这也是我国强制要求电源必须有PFC,才能拿CCC认证的原因。不过这部分并未被家庭电表记录。
APFC/PPFC 功率因素校正
图5
 
到这里可以进一步解释EMI滤波部分提到的“共模噪声”和“差模噪声”。前者是电流正向流动产生的,后者是不同向电流流动产生的。
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现实情况:器件复杂,有正向电流也有反向电流,有效功率/视在功率的比值就是功率因素,恒小于1,功率因素校正电路的作用就是尽可能的让这个数接近1。
 
接下来看看主动式功率因素校正(APFC)和被动式功率因素校正(PPFC)。
 
先下一个结论:300W以上电源尽量选APFC,总功率极低的系统(如200W内HTPC)多数是PPFC电源,无碍。原因马上讲。
 
早期PPFC电源通过大电容和PFC电感进行补偿,以减小相位差,提高功率因素(一般可达0.7-0.8)。这种方案受电网电压影响较大,非宽幅。后来为了适应115V/230V,一些电源(如康舒老版本的IP430)在电源内增设倍压器、在输入插头上增设拨动开关,所以电源要么适应230V,要么适应115V (非115V-230V宽幅适应)。
APFC/PPFC 功率因素校正
图6
 
PPFC电路的优势是自身损耗较小,因为电路简单、器件少,随着负载降低,相对于APFC电路的转换效率更高。同样的,由于APFC电路设计复杂,器件较多,自身损耗较高,随着负载降低(20%-10%以下),转换效率跌落很快。反过来,负载升高时,APFC的优势就体现了,而PPFC那颗大电感的损耗和发热都不容小觑,并且一旦固定不牢,容易产生噪音。
 
由于目前市场焦点几乎都是APFC电源,因此简要介绍APFC电路的电感、电容和开关管是怎么工作的。
APFC/PPFC 功率因素校正
图7
 
·电感充电:开关闭合,电路导通,从整流桥输出的直流电流过电感,电感电流按比率增加、储能。
 
·电感放电(电容充电):开关打开,电路断开,电感给电容充电,电容两端电压升高。
 
以上步骤按开关管频率反复进行,从而达到升压、能量传递、储能目的。开关管的动作由芯片控制,因此经常看到这部分有一枚竖立的小电路板,正中一枚IC芯片。二极管起箝位作用,防止在boost电容充电中对地放电。整流桥后面的X电容作用是减小/抑制在这种PFC模式(CCM)下工作时产生的损耗和EMI干扰。
 
在市电220V-230V环境下,待机时boost电容两端电压大概310V-325V(*根号2),正常运行时由于boost电容持续充放电,工作电压大约在360V-385V。如果工作电压不足(比如PFC二极管所在的钳位电路出现故障),那么有可能市电不稳、出现较大压降的时候,电源启动不了。
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Boost电感主要看磁体(环)的尺寸和缠绕在上面的铜线粗细。作为储能元件,电感越大储能约多,而铜线越粗则线损越低。通过这枚电感的尺寸也能大约观察出一个电源在PFC部分是否用料较省。
APFC/PPFC 功率因素校正

Boost电
图8
 
图8的两个电源看上去是否极其相似?没错,它们都是出自同一人之手,电感尺寸、线径、绕制看着几无区别。然而,上面是230V Only的550W,下面是115V/230V全电压通吃的430W。前者由于只设计在230V地区使用,因此用料适当缩水,并且能做到550W。
 
Boost电容即大电容,也是重要储能元件,主要参数是容量、耐温值、耐压值。和容量息息相关的性能参数是保持时间。通常而言,在主动式PFC结构下,容量数字超过额定输出功率数字的一般即为“厚道”,比如600W电源,300uF以上容量——这只是非常大概的经验性估算,有测试数据还是以测试数据为准,否则岂不是以主电容容量抠门著称的全汉绿宝结构全挂了?下面是个典型例子。
Boost电容即大电容

Boost电容即大电容
图9
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第一版海韵G550使用390uF日化KMR系列电容,“厚道率”达71%,满载掉电保持时间却仅14ms不合格;第二版出来后网上一阵骚动:“主电容缩水了”,主电容换成330uF日化KMR系列,结果同一实验室同一设定下保持时间达到了18ms,看来是调校的作用。其实海韵一向不吝用料,第二版“厚道率”也有60%。
 
说句题外话,ANTEC NEO ECO魔尊系列从海韵代工转为CWT代工后,主电容容量、耐温值明显缩水,NEO ECO 400M 400W电源才180uF/85°C,导致喜欢看内部用料的玩家从此敬而远之。说句公道话,“缩水”是中性词,看用料、评测目的是看是否合格、是否余量充足。用料缩水的结果可能是余量不足,但除非余量为负,否则一般玩家照用没事儿。
 
Boost电容的另外两个指标是耐压值和耐温值,因为是升压电容,所以耐压值还蛮重要,一般是420V。耐温值常见两种,105°C和85°C,以前者为优。预算受限的玩家买85°C耐温值的产品也没事儿,只要电源工作环境不恶劣、进出风口不被灰尘堵死,就不会出现爆主电容事故。至于一些削减了头使劲抠成本的山寨产品,连EMI滤波电路都能省,还有什么干不出来?请看图10“子母电容”。
Boost电容即大电容
图10
 
开关管的主要参数是耐压值、耐流值、阻值。下图是KEC KF13N50P和KF13N50F的规格表。
KEC KF13N50P和KF13N50F的规格表
KEC KF13N50P和KF13N50F的规格表
·红框1是型号和耐压值,这两枚管子都是耐压500V。
 
·红框2是耐流值,在表面温度25°C时耐流值13A,温度100°C时锐减为8A(和整流桥是否很像?)。
 
·红框4是阻值:典型值0.35欧,最大0.44欧。
 
·红框3是热阻:第一个Rjc是内部热源结和封装外壳间热阻,第二个Rja是热源结和周围空气间的热阻。单位°C/W代表1W热功率带来的温升。
 
电源内各种管子的用料规格是反映电源整体用料的重要参数。由于管子发热量高,因此通常都是用螺丝拧紧在主散热片上(增加压力可减小接触面间热阻)。使用较低内阻的管子显然对提高效率、减小电源内部发热量有帮助,进一步可以采用更低的风扇转速降温、达到静音目的。反过来讲,出于成本和产品定位考虑,一款入门级产品不需要冲击高效率拿牌,也不打算留什么余量,那么必然在管子上会显著cost-down,通过管子判断是成本型产品还是中高端产品相对靠谱。
 
本篇文章总结了电源达人的装机经验,对台式机电源选择中的功率校正和整流桥进行了较为详细的介绍。在下一节当中,小编将为大家带来关于变压器的相关分析,希望大家持续关注。
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