零起步學習 電源知識及技術

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零起步學習 電源知識及技術漫談第一期

原文地址:http://power.zol.com.cn/81/816222.html

電源對於整臺電腦來說有多重要，我想這個問題的答案不言自明。除了顯示器之外，電腦整個平臺都要靠電源來供電。如果把電腦比作一個人，那麼電源的角色就好比是人身上的整個血管網。如果沒有電源來“供血”，那麼整個電腦就根本無法“生存”。所以，電源的好壞，直接影響到整機的使用。    然而電源往往被DIY用戶忽視。尤其是入門級用戶在裝機時，會將精力過多集中在CPU、主板、顯卡等配件的選擇上。對於電源通常都是“得過且過”，能用就行。這就給了一些劣質電源以生存的空間。而劣質的電源根本無法爲硬件帶來穩定的電力供應，用戶使用時也是問題連連，輕則藍屏、死機；重則導致硬件損壞。
    所以，筆者決定對電源知識和技術做一次詳細而深入的介紹。我們將把這個文章分爲幾期，每期對電源的一個部分進行詳細的介紹。今天我們就首先從外觀上來認識一下電源。
電源的材質

鍍鋅外殼電源（左） 鍍鎳外殼電源（右）

    電源的材質大同小異，一般都是金屬外殼。只是有些電源外殼表面只採用簡單的噴漆處理，防腐蝕的效果會差很多。長期使用後，可能會產生外殼被腐蝕的現象。好一些的電源外殼會採用鍍鋅處理，再好一些的會採用鍍鎳處理。這些電源防腐蝕的效果更好，能爲電源內部的電路提供更好的保護。
電源散熱網    

散熱網開孔緻密、排列規則

    電源都會配備散熱網，因爲電源承擔了電壓轉換、交流直流轉換、穩壓、濾波等多重使命，工作時會產生大量熱量。如果沒有散熱網，這些熱量就會聚積在電源內部，影響電源的工作。
    散熱網通常採用金屬衝孔的設計。金屬衝孔網的開孔必須要規則、緻密。這樣在幫助電源散熱的同時，也能保證電源外殼的穩定性，同時電源內部產生的一些電磁輻射也能被屏蔽在電源內部。
散熱風扇

“前吸後吹”式風扇（左） “大風車”式風扇（右）

    如果說散熱網是被動進行散熱，那麼散熱風扇就是進行主動散熱。早期的電源產品多采用“前吸後吹”式的風扇，即在電源的相對的兩面安裝兩個尺寸較小的風扇，一個吸氣，一個吹氣，從而達到散熱的目的。
    而目前廣泛採用的是“大風車”式的風扇設計，即在電源的頂蓋上加裝一個大尺寸的風扇。採用大尺寸風扇的好處是能用較低的轉速產生足夠的風量，從而達到散熱和靜音相結合。
電源接線 

“模塊化設計”

    電源接線是很有講究的。目前較爲高檔的電源都採用了“模塊化設計”，這種設計並沒有將所有的接線“固化”在電源上，各種接口以“模塊”的形式出現在電源上，這樣用戶就能做到“即插即用”，從而有效地避免了出現電源走線凌亂的現象。

接線外包裹有蛇皮網

    同時，好電源的接線外部都包裹有蛇皮網，能更好地保護接線，也延長了接線的使用壽命。

電源銘牌
    說到電源銘牌，我們可要進行一番仔細認真地講解了。用戶在購買電源時，不可能把電源拆開看看裏面的做工到底好還是不好。有經驗的用戶通過銘牌就能看出電源的好壞，甚至可以辨別電源的真僞。因爲正規電源的銘牌包含了很多的信息，可以說是產品的簡易“說明書”。

較爲規範的電源銘牌

    首先我們來看一個較爲規範的電源銘牌，這裏我們以康舒ATX-525CA-AB8FB電源的銘牌爲例。整個銘牌字體工整，印製清晰，標識規範。這是正規產品必須要做到的。下面我們從幾個方面對銘牌做更爲細緻的講解。

銘牌上的商標

    銘牌的左上角是產品商標，正規廠商當然不會在產品上省去自己的商標，因爲商標是廠商的“臉面”，也是產品質量的一種象徵。

電源採用“實標”標註

    “ATX12V”表明產品符合ATX12V電源規範，更爲詳細的電源還會對產品所符合的規範版本進行標註，如“ATX12V 2.0”、“ATX12V 2.2”、“ATX12V 2.3”等。
    從銘牌上我們看出，產品採用了“實標”。產品的型號爲ATX-525CA-AB8FB，而525W的功率，與型號中的“525”相對應。這樣做的好處是方便了用戶直觀的瞭解電源的功率。採用“實標”的電源品牌目前並不是很多，這樣做是十分值得稱讚的。

輸入輸出的各項參數

    銘牌上中間部分的表格是對輸入輸出的各項參數的描述。“AC INPUT”是對輸入的交流電進行的描述。“100-240V”表明了電源能承受的輸入電壓範圍，“10A-5A”是電源能承受的電流範圍，而“50-60Hz”表明了電源所能承受的交流電的頻率。國內通用的市電爲220V，50Hz。
    “DC OUTPUT”是電源將市電進行裝換後輸出的直流電，以供電腦的硬件使用。在電源的各項輸出中，最爲重要的就是+12V輸出。
    在ATX12V 2.0規範出現之後，+12V採用了雙路路進行輸出，其中+12V1專門爲CPU進行供電，+12V2爲其他設備進行供電。而隨着顯卡等設備功耗的不斷攀升，一些高端電源甚至採用了+12V三路甚至是四路輸出。
    +3.3V和+5V主要是對磁盤、光盤驅動器以及主板上的電路進行供電。
    -12V輸出只要用於某些串口電路。通常情況下，-12V輸出的電流都小於1A。
    +5Vsb的意思是“+5V Stand By”，用於在系統關閉之後，爲電源以及系統提供喚醒服務。最早的ATX1.0版本中，+5Vsb僅要求達到0.1A。而隨着CPU、主板不斷的發展以及互聯網的不斷深入，0.1A已經遠遠不能滿足系統的需求。爲保障系統功能的實現，+5Vsb需要提供2A、3A甚至更高的電流。
    再來說說功率的問題。很多電源的銘牌上只標註了額定功率和最大功率，其實對每路輸出的功率都進行進行標註，這樣用戶在選擇的時候就更有針對性，更能找到適合自己配置的電源產品。
    銘牌上還包含了一些電源認證符號，正規產品都會通過這些認證。可能用戶對這些符號並不是很瞭解，下面我們做個簡短的介紹。

CCEE認證標識

    我國自主的電源認證規範主要包括CCEE和CCC兩種。其中CCEE是“中國電工產品安全認證委員會”的英文簡稱，凡在國內市場上銷售的電子產品，都必須通過這個強制認證，否則不能在市場上出售。

CCC認證標識

    CCC是“中國強制認證”，屬於國家強制執行的認證規範。

   
CE和FCC認證標識

    CE是歐盟的拉丁縮寫，被視爲產品進入歐洲市場的“護照”。凡貼有“CE”標誌的產品，都可以在歐盟各成員國內銷售。FCC是一項關於電磁干擾的國際認證。

     
80PLUS和RoHS認證標識

    其他較爲流行的認證還包括80PLUS和RoHS。要通過80PLUS認證，電源在滿載、50％負載和20％負載三種狀態下，轉換效率都要高於80％。而RoHS認證主要針對產品的環保性能，以保證產品中不含有鉛、鎘、汞等有害物質。

銘牌上的“警告”

    最後電源銘牌上還應該標明一些“注意事項”、“警告”等，有的電源銘牌上還表明了生產許可證號和廠商名稱，這樣消費者購買時就更放心了。

 

零起步學習 電源知識及技術漫談第二期

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今天是漫談的第二期，在上一期中我們說過，本期我們將拆開電源，帶領大家看看電源內部的構造。要了解內部構造，我們首先要看看電源是怎樣進行工作的。所以我們先來簡單介紹一下常用的ATX電源的工作原理。    簡單說來，電源承擔的主要任務是進行電壓、電流轉換，即將市電電網供應的220V 50Hz的交流電，轉換爲能供電腦硬件使用的多種電壓數值的直流電。
    將交流電轉換爲直流電，主要要經過整流和濾波兩個過程。這個過程看似簡單，其實不然。交流電的相位是不斷變化的，即電壓與電流之間存在一個相位差，說得再清楚一點，就是交流電的輸出電壓隨着時間進行週期性的變化。而電腦使用的直流電相位是固定的，電壓始終恆定不變。
    除了交直流電轉換任務外，電源還要承擔過壓保護、欠壓保護、過載保護、過電流保護等功能，所以電源的工作原理還是很複雜的。下面我們就來看看ATX開關電源的結構圖。

ATX開關電源的結構圖

    上圖就是ATX開關電源的結構圖。由於市電電網中的交流電並不是特別純淨，所以220V的交流電首先要經過第一、二級EMI濾波，才能變成較爲純淨的50Hz交流電，濾波後的交流電還要再進過全橋整流和濾波後，才能輸出300V的直流電壓。
    300V的直流電壓同時加載到主開關管、主開關變壓器、待機電源開關管、待機電源開關變壓器上。加載到主開關變壓器上的電壓再進過進一步的整流和濾波，就能提供+12V、+5V、+3.3V等電壓輸出，供給電腦硬件使用。主開關管的作用是控制電源除+5Vsb外的輸出電壓的開啓與關閉，即當主開關管上沒有收到開關信號時，它就處於截止狀態，而此時的主開關變壓器上是沒有電壓輸出的。
    待機電源開關管、待機電源開關變壓器主要負責電源的開啓與待機。當待機電源開關管處於工作狀態時，待機電源開關變壓器上會產生+5Vsb和+22V兩組電壓輸出，其中，+5Vsb加到主板上作爲待機電壓，+22V電壓是專門爲主控IC供電的。
    整個電源的工作過程是這樣的，當用戶按動機箱上的電源開關時，電源的On/Off檔（綠線）就處於低電平狀態，主控IC電路內部的振盪電路就會立即啓動。電路會產生一個脈衝信號，這個信號經推動管的放大後，加載到推動變壓器上，再進過推動變壓器加載到主開關管上。主開關管再將工作信號傳遞至主開關變壓器上，主開關變壓器工作，輸出各組電壓到主板上。
    但此時主板上的CPU還沒有啓動，等到+5V電壓從零上升到95%後，IC電路檢測到+5V上升到4.75V時，發出P.G信號（灰線），CPU纔會啓動，電腦才能開始正常工作。關機時，On/Off檔（綠線）就處於高電平狀態，IC電路內部的振盪電路不再工作，主開關管也因爲沒有脈衝信號而停止工作。電源也就停止了各路電壓輸出，處於待機狀態。
    電源的各種保護功能是依賴於IC電路而實現的。在電源工作時，IC電路會檢測是否存在短路、過流、過壓、過載等異常狀況，一旦發生異常狀況，IC電路內部的振盪電路會立即停止工作。主開關管收不到振盪電路的脈衝信號，也會停止工作。從而起到了保護電源的目的。

第2頁：認識電源各部分電路

    介紹了這麼多，我想大家可能還是會有些不明白，畢竟上面介紹的只是電源的工作原理。那麼下面，我們就通過實物，來認識一下電源內部的各個部分。電源內部最爲容易辨認的是EMI濾波電路、高壓濾波和低壓濾波電路、PFC電路以及變壓器。而能起到控制和檢測電源功能的IC電路，通常都是固化在電源內部的PCB板上的，一般不容易看到。
EMI濾波電路

   
一級EMI電路做工簡單、沒有二級EMI電路

   
用料紮實的兩級EMI電路

    EMI濾波電路是市電進入電源的第一道屏障。但是很多劣質的電源並不具備完整的兩級EMI濾波電路，更黑心的山寨廠商甚至將兩級電路全部省略。這樣一來，電源根本就無法爲硬件提供純淨的電力供應，對硬件的損害可想而知。好的電源會在EMI電路上下很大的功夫，而那些廉價的“黑電源”就會差很多。通過上圖的對比，相信用戶心中自有判斷。
高壓濾波和低壓濾波電路

   
用料一般的高、低壓濾波電路

   
用料紮實的高、低壓濾波電路

    高壓濾波電路最爲顯著的特徵是兩個個頭很大的濾波電容，而低壓濾波電路最顯著的特徵是密密麻麻的小個電容和大線圈。如果電源偷工減料，在電源的重量上會有所反映，所以建議用戶不要買很輕的電源。讀者可以通過圖片，對電容的數量做個簡單的對比。
PFC電路

   
被動式PFC電路（左） 主動式PFC電路（右）

    PFC電路分爲被動式和主動式兩種。被動式PFC一般採用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數，功率因數只能達到0.7～0.8；而主動式PFC則由電感、電容及電子元器件組成，體積小、通過專用IC去調整電流的波形，對電流電壓間的相位差進行補償。功率因數通常可達98%以上，但成本也相對較高。圖中左側爲被動式PFC電路，右側爲主動式PFC電路。
變壓器

   
雙橋式變壓器（左） 三橋式變壓器（右）

    電源的變壓器是電源內部很重要的一個部分，它承擔了電壓轉換的重任。目前，市場上的電源多采用雙橋式或三橋式變壓器。不要單單從變壓器的個數是來判斷電源的好壞，變壓器內部線圈的大小，以及線圈的緻密程度對電源的影響纔是最大的。
IC電路

  
IC電路中的PWM控制芯片

    IC電路多固化在PCB板上。想找到IC電路其實也不難，只要找到上圖中這種黑色的芯片，就能找到IC電路。圖中的SG6105B型PWM控制芯片，通過調整驅動變壓器的PWM信號來實現調整輸出電壓的功能，同時還集成了開關控制，PG電路，過壓和欠壓保護以及過功率保護功能。

 

零起步學習 電源知識及技術漫談第三期

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大家好！第三期《電源知識及技術漫談》今天與大家見面了。在過去的兩期文章中，我們主要向大家介紹了有關電源外觀、銘牌、工作原理等知識，同時，我們還對電源內部的各個部分電路做了大體的介紹。    從本期開始，我們將主要把電源內部的各個部分電路做詳細的介紹。今天我們爲大家介紹的是EMI濾波電路。
什麼是EMI
    要想知道什麼是EMI濾波電路，我們首先要搞清楚什麼是EMI。EMI是Electromagnetic Interference英文縮寫，是指電磁波與電子元件作用後而產生的干擾現象。這種干擾現象很普遍，比如我們常見的電視機屏幕上出現的“雪花”，其實就是電磁干擾的一種。所以在醫院、機場等這種電子儀器等比較多的場所，是禁止使用手機的。因爲手機信號本身也是一種電磁波，會影響到一些儀器的使用。同樣在市電網中傳輸的交流電，也會出現一些干擾信號。這些信號如果不加以過濾，會對硬件產品造成一定程度的傷害，同時也會影響到硬件工作的穩定性。
EMI濾波電路的重要作用
    EMI濾波電路作爲電源中的第一道濾波電路，也可以說是電源的第一道屏障。它的主要作用就是濾除電網中的高頻雜波和干擾信號，同時還要避免電源中產生的電磁輻射泄漏到外面，以減少電源開關本身對外界的干擾。如果電源沒有EMI濾波電路，那麼電源所產生的電磁輻射就會影響到顯示器、聲卡、MODEM等設備的正常使用。同時，這些電磁波還會對人體造成一定程度的傷害，影響到用戶的健康。
EMI的發展動力
    EMI的發展動力主要可以分爲三個方面，技術驅動力、相關的法規和標準、市場因素。在這些因素的共同驅使下，EMI不斷發展成熟起來。
    1、技術驅動力 
    電子設備小型化是市場發展的必然趨勢，這就使得電子敏感元件之間的間距變得越來越小，電子器件產生干擾的機率也就相應地增大了。元器件被幹擾後，勢必會影響到其正常的工作。同時，人們現在對健康也愈發關注，開始注意各種輻射對健康的影響，這也驅使着EMI技術不斷向前發展。
　　2、相關的法規和標準
　　許多國家都制定了關於電磁輻射的一些法規和標準，產品在進入市場之前，必須要達到這些標準的規定，否則是不能在市場上銷售的。
　　3、市場因素 
　　許多電子產品受到干擾會都會影響到正常使用，用戶對此也是抱怨連連。同時長期處於電磁輻射的環境中，人的身體會受到很大的傷害。所以EMI技術不斷髮展也是大衆的心願。
ATX電源的EMI濾波電路
　　ATX電源的主要由電容和電感構成。市電電網的50Hz交流電進入電源後，在EMI電路的作用下，只有50Hz左右的交流電纔可以順利地通過，高於50Hz以上的高頻干擾雜波將全部被EMI電路濾除。這樣一來，純淨的50Hz交流電就能進入電源內部，經過電源的轉換後，最終供給硬件使用。

　　我們一起來看看EMI濾波電路的工作原理圖。圖中C1和L1組成第一級EMI濾波，C2、C3、C4與L2組成第二級濾波，（其中C爲電容符號，L爲電感符號）。
說了這麼多，到底這些電容和電感在電源中對應哪些實物電路，我想這纔是大家更爲關心的問題。那麼就讓我們打開電源，一起看看EMI濾波電路的實物，讓讀者有更加直觀的感受。

一級EMI濾波電路做工一般

    我們先來看看一級EMI濾波電路，它主要由一個電容和電感組成。上圖中的黃色立方體就是電容，它旁邊的線圈就是電感。其實這只是做工較爲簡單的電源，一級EMI濾波電路要穩定、正常工作，電容和電感的質量是很重要的。從圖中我們可以看出，黃色的電容體積比較小，這就意味着電容的容量不會太大。同時我們看到，電感線圈纏繞不是很密實，其實這也是偷工減料的一種體現。

一級EMI濾波電路做工紮實

　　我們再來看一款用料比較紮實的電源，電容（綠色方塊）和電感（黑色方塊）“個頭”都比較大，做工也很精細。同時，我們還看到了電線上纏繞的一些綠色圓圈，這些都是用來減少電磁干擾的。很多做工簡單的電源都將這些元件省略掉了，這種電源的濾波效果可想而知。

   
用料紮實的二級EMI濾波電路

　　我們再來看看二級EMI濾波電路。好電源的二級EMI濾波電路電容“林立”，電感線圈纏繞得很密實，更爲細心的廠商還會在線圈的外面包裹上橡膠墊，以防止線圈時工作時互相干擾。

省去了二級EMI濾波電路

　　我們再來看看劣質電源的二級EMI濾波電路。沒找到電子元件是嗎？不要奇怪，很多幾十塊錢的“黑電源”根本就不具備完整的兩級EMI濾波電路。所以在本應該設計二級EMI濾波電路的PCB板上，除了光禿禿的板子，我們什麼也看到。
　　看到這裏，也許你就會明白，爲什麼好電源和劣質電源單單在產品的重量上就存在較大的差異。曾經有經驗的用戶這樣說：買電源就得帶個秤，低於一斤的最好別要；拿在手上感覺還不如一塊板磚重的，更是想也別想。這話說得可能太絕對了，但是道理是絕對沒錯的。

 

零起步學習 電源知識及技術漫談第四期

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整流濾波電路介紹
    《電源知識及技術漫談》今天又和大家見面了。文章的第一期主要講解了電源的銘牌，第二期主要講解了電源內部的組成電路，第三期我們主要針對EMI濾波電路進行了講解，今天我們要講解的是整流和濾波電路，以及PFC電路。
    首先我們來說說整流和濾波電路。這部分電路主要分爲兩個部分：第一個部分是整流電路，它的主要任務是將交流電轉化爲直流電。第二個部分是濾波電路，它承擔穩定直流電壓的任務。

原理圖

    我們先來看一張原理圖，其中集合了整流電路、濾波電路和PFC電路。圖中左邊的正方形是整流電路，C1、C2爲濾波電路的一部分，L1和C3組成PFC電路。
整流電路
    整流說得通俗一點，就是將電流進行“整理”。可能這麼說不太恰當，但是這樣更便於理解。交流電的電流和電壓都會隨着時間週期性的變化，而電腦硬件是不能使用交流電的，必須將其“整理”爲電壓和電流恆定的直流電。
    電源通常採用的是橋式整流電路。圖中左邊的正方形就是橋式整流電路，它利用二極管的單向導電性，將4個二極管整合在一起，能將交流電轉換爲直流電。但是整流後的直流電還是不能被硬件直接使用，因爲這時得到的直流電電壓波動很大。要想得到電壓較爲穩定的直流電，還需要濾波電流的幫助。
濾波電路
    濾波電流又分爲高壓濾波和低壓濾波兩個部分。我們分別來看一下：

高質量容量大的濾波電容

    高壓濾波電路最爲顯著的特徵是兩個個頭很大的濾波電容。其作用是慮除電流中的雜波，輸出平穩的直流電。濾波電容的容量大小和濾波效果有很大關係，容量大的高壓電解電容一般在470 uF以上。

容量較小、標誌不清晰的電解電容

    劣質電源通常都會在此處偷工減料。比如使用容量較小的電解電容，使用舊電容，電容容量與標註值不符等，這些都是山寨廠商慣用的手段。隨着技術的發展，如今的高品質電源已經拋棄了傳統的電解電容，而是採用更爲穩定的固態電容，提高了電源的品質。

用料較爲紮實的低壓濾波電路

    低壓濾波電路由大量個頭較小的電容和一個或幾個電感組成。在實物中，最爲容易辨認的就是電感，也就是我們常見的線圈。低壓電路主要是對經過高壓濾波後的電壓進行進更進一步“加工”，增強電壓的穩定性。

低壓濾波電路做工一般

    低質量的電源的低壓濾波電路同樣也存在“缺斤短兩”的現象，比如線圈銅絲的質量不高、線圈纏繞不緊密等等。而那些劣質電源根本不能爲電源提供穩定的電壓輸出，所以對硬件的潛在危害是可想而知的。

PFC電路及控制電路簡介

PFC電路
    再來說說PFC電路。我們都知道，電源在工作時產生熱量，這就浪費了一部分能源。同時，將交流電轉換成直流電，本身也會產生一部分能源流失。PFC是“功率因數”的意思，主要用來表徵電子產品對電能的利用效率。功率因數越高，說明電能的利用效率越高。 利用效率越高，就越節能，就能爲用戶節省更多的“電錢”。

    PFC電路分爲被動式和主動式兩種。被動式PFC電路一般採用電感補償方法，減小交流輸入的基波電流與電壓之間相位差，從而達到提高功率因數的目的。採用被動式PFC的電源，功率因數只能達到0.7～0.8。

被動式PFC

    上圖就是被動式PFC電路的一部分，它最主要的特徵就是這個“黃疙瘩”，它裏面包裹的是由銅絲纏繞的銅片。由於這部分被包裹的很嚴實，即使電源出現問題，用戶將電源拆開，也很少有人會想到將這部分電路再做拆解。這就給了一些不規範的產品以可乘之機。曾經有報道稱，有些電源廠商竟然將銅片換成了紙片。
    主動式PFC電路則由電感、電容及電子元器件組成，體積更小。主動PFC通過專用IC電路去調整電流的波形，以對電流和電壓間的相位差進行補償。主動PFC的功率因數通常可達90%以上，但它的成本也相對較高，所以只有在功率較高的電源產品上纔會看到這種設計。

主動式PFC

    我們來看看主動PFC電路的實物。圖中被綠色膠帶包裹的就是PFC電路的線圈，從側面我們就可以看出線圈的纏繞密度還是很高的。外面纏繞的絕緣膠帶是爲了保證線圈在工作時不會影響到其他電子器件。
控制和保護電路

控制和保護電路

    控制和保護電路多設置在電源的PCB上，所以不容易找到，但是有些產品也會用單獨的PCB小板來做這部分電路。電源的過流、過壓、過功率、欠電壓和短路保護等功能，都是靠這部分電路完成的。

 

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PS：此貼裏關於用料紮實的EMI圖片引用的有錯誤（有的引用的是低壓LC濾波電路），爲ZOL小編汗一個···