【導(dǎo)讀】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。
電源PCB結(jié)構(gòu)
在聊PCB演化歷程之前，首先我們來(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)，一個(gè)價(jià)格正常的電源都會(huì)有一、二級(jí)EMI濾波。有些電源會(huì)把一級(jí)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(guò)濾波后進(jìn)入PFC，首先通過(guò)整流橋，整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成直流電。一般來(lái)說(shuō)，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(ài)國(guó)者電競(jìng)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(lái)的電流進(jìn)入PFC，PFC是Power Factor Correction的簡(jiǎn)稱，翻譯過(guò)來(lái)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(lái)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(lái)的電流會(huì)由經(jīng)過(guò)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(lái)就是今天的主題。這次我主要說(shuō)說(shuō)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(méi)有PFC結(jié)構(gòu) ，市電輸入后經(jīng)過(guò)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(méi)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(guó)家供電網(wǎng)會(huì)浪費(fèi)電能。我國(guó)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(guò)這種結(jié)構(gòu)勝在 成本低 ，在很多低端電源上能見(jiàn)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(kāi)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(lái)是相當(dāng)危險(xiǎn)的，大家在購(gòu)買(mǎi)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(gòu)買(mǎi)低功率電源可以適當(dāng)買(mǎi)被動(dòng)式PFC的電源。
▍變壓結(jié)構(gòu)的變化
說(shuō)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(shuō)說(shuō)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(guò)現(xiàn)在已經(jīng)很少有這種結(jié)構(gòu)的電源了。(年代過(guò)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(kāi)始興起另一種變壓結(jié)構(gòu)：正激結(jié)構(gòu)。以開(kāi)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(kāi)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(lái)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(guò)用料不足會(huì)導(dǎo)致輸出紋波過(guò)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L(zhǎng)LC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(jiǎn)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(guò)電源轉(zhuǎn)換率即可分辨兩種不同結(jié)構(gòu)。LLC又分為L(zhǎng)LC半橋和LLC全橋。一般來(lái)說(shuō)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(guò)無(wú)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(guò)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(lái)說(shuō)說(shuō)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(lái)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(shuō)一下穩(wěn)壓輸出部分。我們常見(jiàn)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(duì)+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(lái)，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(duì)應(yīng)+12V、+5V和+3.3V。因?yàn)?5V和+3.3V獨(dú)立出來(lái)，+12V高負(fù)載時(shí)對(duì)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(lái)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(duì)+5V和+3.3V的電壓影響，但并不能完全解決問(wèn)題。因此一種新型的穩(wěn)流結(jié)構(gòu)面世：DC-DC結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(wú)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(kāi)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(shuō)：“我很久以前買(mǎi)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(guò)便宜的電源對(duì)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(guò)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(gòu)400W以下的電源時(shí)，我們可以適當(dāng)購(gòu)買(mǎi)單路磁放大結(jié)構(gòu)的電源。不過(guò)最好還是購(gòu)買(mǎi)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(duì)電源結(jié)構(gòu)及發(fā)展又有更進(jìn)一步的了解。
