你了解电源吗?电源知识不完全手册

2013-04-26 21:39:37来源: 电子发烧友


  “电源(PSU)”其实是“电源供应器(Power Supply Unit)”的简称。而我们所经常提到的“PC电源”,实际上也是一种简称,如果严格上讲,我们应该将“PC电源”称之为“应用于PC主机上的开关电源供应器”,当然这样的称呼实在是太麻烦了,因此在以下的段落中,我将使用其最简短的称呼“电源”。

  对于我们的电脑来说,电源是一个重要的组成部分,它是电脑的“心脏”,在源源不断地为CPU、显卡、硬盘……等其它硬件部分提供持久稳定的电力支持,保障我们可以正常的使用电脑进行各种各样的工作。所以如果电源不能正常工作或者损坏,那么电脑中的其它硬件也会受到波及,并且很可能会由此而造成更严重的损失。

  

  一颗良好的电源的内部结构

  因此,一般来说,我们应该先购买一颗良好的正品电源,然后在选择其它的硬件配置。但是大多数人的做法却恰恰相反,他们往往会先选择好其它硬件,然后才回用最后那些为数不多的钱,去购买电源。

  而如果你正是这些刚才所描述的状况,那么我们还是真诚的建议你先浏览一下这篇文章,因为这会对你在选择电源产品上很有帮助,并且也可能会改变你对“电源”的态度,让你知道“电源”在电脑中所扮演着何等的重要角色。

  因此我们回分几期文章,与大家一起了解一下这个,我们最熟悉也是最陌生的朋友——电源。

  好啦,那么我们先从电源的基本原理开始。

  电源结构其实并不复杂

  目前所有在电脑中所使用的电源,都可以称为“开关电源转换”,英文简称“SPC”。而开关电源的原理,实际上也比较简单,就是将国家电网中获取的能量,将能量分成一个个高频的小能量包,然后通过例如电容、电感等电器元件将其转移,到最后所有的小能量包被集中融合到一起,使得被矫正过之后的能量得以平顺的输出。因此开关电源,相对于其它电源形式来说,更小巧,更高效。

  相比较于线性电源(Linear Power Supply)来说,开关电源具有两个主要的优势,开关电源采用与线性电源完全不同的设计,因此电源的体积以及重量上减少了很多,并且电源的转换效率可以很容易的超过90%。

  

  普通开关电源原理

  不过另一方面,开关电源也有个最明显的缺陷,就是由于开关电源本身的复杂性,会产生大量的电磁辐射,因此目前的开关电源中都会配有EMI滤波器或则RFI屏蔽。

  

  电源内部是这样划分区域的

  ●EMI瞬态滤波器(EMI/Transient Filter):抑制电流进入和输入时的EMI/RFI ,起到电压浪涌峰值保护的作用。

  ●整流桥(Bridge Rectifier):将输入的AC交流电矫正为DC直流电。

  ●主动PFC(APFC):控制输入电源的电流,以便于是电流波形成为正比例的电源电压波形。(使电压和电流成线性正比例关系)

  ●主开关(Main Switches):将直流电信号切断成很小的高频能量包。

  ●变压器(Transformer):独立在一次侧和二次侧之间,并且将高压电降低到低压电。

  ●二次侧滤波整流(Output Rectifiers & Filters):对经过降压的直流电进行滤波整流。

  ●保护电路(Protection Circuits):当电源出现严重问题时,及时关闭电源。

  ●PWM控制器(PWM Controller):周期性调整主开关,以保持在所有负载下稳定输出电压。

  ●隔振器(Isolator):阻断从直流输出和前往PWM控制的电压反馈。

  在电源电路变压器之前的部分,通常被称作“一次侧”,而在变压器后部面的部分则被成为“二次侧”。简单的说,一次侧主要负责高压部分,二次侧主要负责低压部分。

  为什么需要EMI电路?

  电源在工作时,开关晶体管会产生大量的EMI和RFI,而这会严重的影响到屋内其它电子设备的正常工作。所以我们为了保证电源不受到,电网中的输入噪声和传出电压浪涌峰值的影响,我们需要在电源的这一个阶段进行一个双向的保护措施。

  

  市电电流进入电源首先要经过EMI滤波器的过滤

  噪音(Noise),根据传导模式可以分为两种类型:共模噪音(CMN)和差模噪音(DMN)。

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  共模、差模过滤一个都不能少

  1.共模噪声(CMN)是在使用交流电源的电气设备的输入端(输电线和中线)都存在这种噪声,两者对地的相位保持同相。通过在电磁干扰滤波器中放置与每条输电线串联的电感,并在两个输电线和地之间使用Y电容进行连接,来予以抑制。

  2.差模噪声(DMN)是来自电源火线而经由中线返回的噪声,存在于交流线路和中性导线中。

  

  热敏电阻

  EMI滤波电路的位置在整流桥之前,因为这样设计就可以在电流通过整流桥二极管之前对噪声进行过滤。在EMI滤波电流的组成部分中,必须要有两个Y电容和两个X电容,两个电磁线圈,一个MOV(压敏电阻)以及一个保险丝,这些组成部分缺一不可。另外,这里需要简单介绍一下,MOV是的全名叫做“压敏电阻器”,主要是在电网浪涌电压峰值时,对电源起到保护作用。

  然而,在一些低端电源产品中,有些制造商会省略掉这个MOV,用来节省成本。如果你的电源里在EMI电路中,没有MOV的话,那么最好连接一个带有浪涌保护器的电源插座或者UPS电源,否则会对你的电源以及硬件系统造成很大的损害。

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  通常会放在EMI过滤电路的旁边

  一般在EMI滤波电路之后,会设有一个热敏电阻NTC(全名:负温度系数热敏电阻器,温度越高时电阻值越低),通常会被用于在大电流进入的时候,对电源内部元件进行保护。热敏电阻有如其名,是一个通过温度高低控制电阻阻值高低的电阻器。当热敏电阻温度低的时候,电阻阻值通常在6-12欧姆左右,当电源启动后,电阻器温度升高,阻值大约为0.5-1欧姆左右。

  对于高性能的电源,则会配有一个继电器,在电源启动之后则会绕过热敏电阻,减少电力的热量损失,对于电源效率的提升起到一定的帮助。 整流桥 AC to DC的关键

  其实整理桥的全称叫做“桥式整流器”,是由四只整流硅芯片作桥式连接,然后使用绝缘朔料将其封装一起,而一些大功率桥式整流器在绝缘层外添加锌金属壳包封,主要也是为了增强散热。

  

  电源整流桥

  而有些质量较低,或者结构较老的电源中,我们不会看到封装好的整流桥,大多会以四个整流晶体管并列焊接在电路板上。

  

  非常古老的整流桥

  另外,需要注意的是,整流桥是电源中发热量较大的电气元件,尤其是在一些功率较大的电源中,整流桥必须配有散热片进行散热,否则会存在电源使用的安全隐患。

  “功率因数”到底是如何产生的

  通过整流桥矫正后直流电被输入到PFC电路。而在我们讨论PFC(功率因数校正)电路之前,还是让我们先来简单的了解一下什么叫做“功率因数(PF)”吧。

  功率因数(PF)是指,实际功率(有效功率)与视在功率(表观功率)的比率(kW/kVA),而我们都知道,功率P等于电压与电流的乘积(P=V×I)。另外,在电路中会存在着最基本的两种电路负载,一种为“电阻(由电源中各种电阻构成的电路负载)”,另外一种为“电抗(由电源中电感线圈和电容构成的电路负载)”。

  如果整个电路都是线性负载(电路阻抗为恒定常数的负载),那么电源电压和电流都将会呈现为正弦曲线,并且相位相同。而如果在这个纯电阻电路中,那么电压和电流都会在同一时刻逆转极性,那么也就是说,在每一时刻,电压与电流的乘积都为“正”。也就是说,在电路中,没有“反方向(负极方向)”的能量移动,而此时所产生负载功率才被称为“实际功率”。

  

  纯电抗电路负载

  而在一个纯电抗负载电路中,电压和电流之间会产生一定的是时间差,也就会出现相位差(最大理论值为90度,一般情况多为45度),那么电压与电流的乘积,就不一定每一时刻都为“正”了。在第一个半周期内,能量为“正”,另外一个半周期内能量为“负”,那么就是说,前半周期电源从电网中获取能量,而在后半个周期内,这些能量又会回流到国家电网中。所以如果按照一个周期计算,那么电源获得的能量会为“零”,没有能量。

  你了解电源吗?主动PFC究竟有多重要

  电阻电抗混合电路负载

  上面的两种描述都是纯理论的理想状态。但在实际应用中,电路中会有大量的电阻、电感和电容,在同一时刻都会有负载,也就会产生不同方向的“能量”。因此,所有的正向能量,我们称其为“实际功率”,而反向回流电网的能量则称之为“无用功率”,那么“实际功率”与“无用功率”的综合,就是之前我们所说的“视在功率”。

  国家电网为何如此重视“功率因数”

  但正如我们之前所提到的,“功率因数”实际上就是“实际功率”与“视在功率”的比值。而最为理想的比值为“1”,当然这还无法做到,因此只能无限接近于“1”,这个数值我们一般称之为“功率因数”。

这里我们需要指出的是,居民用户只需要支付实际功率(瓦数)所消耗的电量,则不会支付回流到电网中无用功率的电量。而对于商业工厂用电则会追加无用功率这一部分

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关键字:电源标准  PFC  耦合电源

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2013/0426/article_16187.html
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