你了解電源中電子元件的作用嗎？ - 全文

　　以往在采購計算機配件時，電源是最容易被忽視的組件之一，不過其各路電壓輸出規(guī)格、電壓穩(wěn)定性、發(fā)生異常時的保護性卻有相當重要的地位，因為主機內(nèi)所有配件的所需電力均需由電源供應器供應，同時隨著各硬件于不同狀態(tài)下的耗電量去調(diào)節(jié)輸出負載，又要兼顧長時間操作及全載輸出的穩(wěn)定性，而電源發(fā)生故障時或是負載產(chǎn)生異常，保護系統(tǒng)須立即介入，以避免過電壓/電流造成裝置損壞；對于全球能源吃緊，新款電源供應器除了上述特性外，也開始講求提高轉(zhuǎn)換效率，例如80PLUS就是代表電源供應器通過高效率認證的標章之一。

　　常見的計算機用電源的功能是將輸入的交流市電（AC110V/220V），經(jīng)過隔離型交換式降壓電路轉(zhuǎn)換出各硬件所需的各種低壓直流電：3.3V、5V、12V、-12V及提供計算機關閉時待命用的5V Standby（5VSB）。所以電源內(nèi)部同時具備了耐高壓、大功率的組件以及處理低電壓及控制信號的小功率組件。

　　電源轉(zhuǎn)換流程為交流輸入→EMI濾波電路→整流電路→功率因數(shù)修正電路（主動或是被動PFC）→功率級一次側（高壓側）開關電路轉(zhuǎn)換成脈流→主要變壓器→功率級二次側（低壓側）整流電路→電壓調(diào)整電路（例如磁性放大電路或是DC-DC轉(zhuǎn)換電路）→濾波（平滑輸出紋波，由電感及電容組成）電路→電源管理電路監(jiān)控輸出。

　　以下從交流輸入端EMI濾波電路常見的組件開始介紹。

　　■ 交流電輸入插座

　　此為交流電從外部輸入電源的第一道關卡，為了阻隔來自電力在線干擾，以及避免電源運作所產(chǎn)生的交換噪聲經(jīng)電力線往外散布干擾其它用電裝置，都會于交流輸入端安裝一至二階的EMI（電磁干擾）Filter（濾波器），其功能就是一個低通濾波器，將交流電中所含高頻的噪聲旁路或是導向接地線，只讓60Hz左右的波型通過。

　　上面照片中，中央為一體式EMI濾波器電源插座，濾波電路整個包于鐵殼中，能更有效避免噪聲外泄；右方的則是以小片電路板制作EMI濾波電路，通常使用于無足夠深度安裝一體式EMI濾波器的電源供應器，少了鐵皮外殼多少會有噪聲泄漏情形；而左邊的插座上只加上Cx與Cy電容（稍后會介紹），使用這類設計的電源，其EMI濾波電路通常需要做在主電路板上，若是主電路板上的EMI電路區(qū)空空如也，就代表該區(qū)組件被省略掉了。

　　目前使用12公分風扇的電源供應器內(nèi)部空間都不太能塞下一體式EMI濾波器，所以大多采用照片左右兩邊的做法。

　　■ X電容（Cx，又稱為跨接線路濾波電容）

　　這是EMI濾波電路組成中，用來跨接火線（L）與中性線（N）間的電容，用途是消除來自電力線的低通常態(tài)噪聲。

　　外觀如照片所示為方型，上方會打上X或X2字樣。

　　■ Y電容（Cy，又稱為線路旁通電容器）

　　Y電容為跨接于浮接地（FG）和火線（L）/中性線（N）之間，用來消除高通常態(tài)及共態(tài)噪聲。

　　Y電容的外觀如照片呈圓餅狀

　　而計算機用電源中的FG點與金屬外殼、地線（E）及輸出端0V/GND共接，所以未連接接地線時，會經(jīng)由兩顆串聯(lián)的Cy電容分壓出輸入電源一半的電位差（Vin/2），人體碰觸到后就有可能產(chǎn)生感電現(xiàn)象。

　　■ 共態(tài)扼流圈（交連電感）

　　共模態(tài)扼流圈在濾波電路中為串聯(lián)在火線（L）與中性線（N）上，用來消除電力在線低通共態(tài)以及射頻噪聲。有些電源的輸入端線路，會有纏繞在磁芯上的設計，也可以當作是簡單的共態(tài)扼流圈。

　　其外觀有環(huán)形與類似變壓器的方形，部分可以見到外露的線圈。

　　所謂共態(tài)噪聲，代表是L/N線對于地線E間的噪聲，而常態(tài)噪聲，則是L與N線之間的噪聲，EMI濾波器功能主要是消除及阻擋這兩類噪聲。在EMI濾波電路之后的是瞬時保護電路及整流電路，常見的組件如下。

　　■ 保險絲

　　保險絲就是當其流過其上的電流值超出額定限度時，會以熔斷的方式來保護連接于后端電路，一般使用于電源供應器中的保險絲為快熔型，比較好的會使用防爆式保險絲，其與一般保險絲最大的差別是外管為米色陶瓷管，內(nèi)填充防火材質(zhì)避免熔斷時產(chǎn)生火花。

　　其安裝于電路板上的方式有如圖片上方的固定式（兩端直接套上導線座并焊于電路板上）以及圖片中央的可拆卸式（使用金屬夾片固定）。下方的方形組件是溫度保險絲，這類保險絲固定于大功率水泥電阻或是功率組件的散熱片上，主要是用于超溫保護，避免組件過熱而損壞或發(fā)生火災，這類保險絲也有與電流保險絲結合的版本，對電流及溫度進行雙重保護。

　　■ 負溫度系數(shù)電阻（NTC）

　　因為電源接通電源瞬間，其內(nèi)的高壓端電解電容屬于無電狀態(tài)，充電瞬間將產(chǎn)生過大電流突波以及線路壓降，可能使橋式整流器等組件超出其額定電流而燒壞。NTC使用時串聯(lián)于L或N線路上，啟動時其內(nèi)部阻抗值可以限制充電瞬間的電流值，而負溫度系數(shù)的定義是其電阻會隨其溫度上升而降低，所以隨著電流流過本體使溫度逐漸升高后，其阻值會隨著降低，避免造成不必要功率消耗。

　　其外觀大多為黑色及墨綠色的圓餅狀元件

　　但其缺點是電源處于熱機狀態(tài)下啟動時，其保護效果會打上折扣，且即使阻抗可隨溫度降低，仍會消耗些許功率，所以目前高效率電源大多采用更進階的瞬時保護電路。

　　金氧變阻器（MOV）

　　變阻器跨接于保險絲后端的火線與地線間，其動作原理為當其兩端電壓差低于其額定電壓值時，本體呈現(xiàn)高阻抗；當電壓差超出其額定值，本體電阻會急速下降，L-N間呈現(xiàn)近似短路狀態(tài)，前端的保險絲因短路而升高的電流將會使其熔斷，以保護后端電路，有時本體承受功率過大時，亦以自毀方式來警告使用者該裝置已經(jīng)出現(xiàn)問題。

　　通常用于電源供應器交流輸入端，當輸入交流發(fā)生過電壓時能及時讓保險絲熔斷，避免使內(nèi)部組件損壞。其顏色與外觀與Cy電容很接近，不過可以從組件上面的字樣及型號來分別其不同。

　　■ 橋式整流器

　　內(nèi)部由四顆二極管交互連接所構成的橋式整流器，其功用是將輸入交流進行全波整流后，供后端交換電路使用。

　　其外觀與大小會隨著組件額定電壓及電流的不同而有所差異，部分電源供應器會將其固定于散熱片上，協(xié)助其散熱，以利穩(wěn)定的長時間運作。經(jīng)過整流后，便進入功率級一次側的交換電路，這里的組件決定了電源供應器的各路最大輸出能力，是電源供應器相當重要的一部份。

　　■ 開關半導體

　　在交換電路中作為無接點快速電子開關，依控制信號導通及截止，決定電流是否流過，于主動功率因數(shù)修正電路以及功率級一次側電路扮演重要角色。

　　照片中上方為電源內(nèi)常見的N MOSFET（N型金氧半導體場效半導體管），下方則是NPN BJT（NPN型三極管）

　　隨著開關組件的電路組成方式，可構成雙晶順向式、半橋式、全橋式、推挽式等等不同的功率級拓墣，在講求高效率的電源供應器內(nèi)，也有使用開關半導體構成同步整流電路以及DC-DC降壓電路的應用。

　　■ 變壓器

　　為何稱為隔離型交換式降壓電源，就是因為使用變壓器作為高低電壓分隔，并利用磁能進行能量交換，不僅可以避免高低壓電路故障時的漏電危險，也能簡單產(chǎn)生多種電壓輸出。因其運作頻率較高，變壓器體積較一般交流變壓器要來得小。

　　因為變壓器為功率傳遞路徑之一，目前大輸出電源有使用多變壓器的設計，避免單一變壓器發(fā)生飽和現(xiàn)象而限制功率的輸出。照片中上方較小的變壓器為輔助電源電路以及信號傳遞用的脈沖變壓器，下方較大者為主要功率變壓器以及環(huán)形的二次側調(diào)整用變壓器。

　　以變壓器作為隔離分界，二次側的輸出電壓已經(jīng)比一次側要低上許多，不過還需要經(jīng)過整流、調(diào)整以及濾波平滑等電路，才會變成計算機零件所需的各電壓直流電。

　　■ 二極管

　　電源供應器內(nèi)部，隨著各部電路要求及輸出大小而使用不同種類以及規(guī)格，除了一般的硅二極管外，還有蕭特基障壁二極管（SBD）、快速回復二極管（FRD）、齊納二極管（ZD）等種類。

　　圖片中為二極管常見的封裝形式

　　FRD主要用于主動功率因數(shù)修正以及功率級一次側電路；SBD用于功率級二次側，將變壓器輸出進行整流；ZD則是作為電壓參考用。

　　■ 電感器

　　電感器隨著磁芯結構、感抗值、電路上安裝位置的不同，可以作為交換電路中的儲能組件、磁性放大電路的電壓調(diào)整組件以及二次側整流后輸出濾波使用，于電源供應器中廣泛使用。

　　圖片中電感形狀有環(huán)形及圓柱型，隨著感值及電流承受力而有不同的圈數(shù)以及漆包線粗細。

　　■ 電容器

　　如電感器般，電容器同樣也作為儲能組件以及紋波平滑使用。為了承受整流后的高壓直流，高耐壓電解電容用于電源供應器一次側電路；為了降低輸出下電解電容連續(xù)充放電時造成的損失，二次側電路則大量使用高耐溫長壽低阻抗電解電容。

　　圖片中下方較大者為用于一次側的高耐壓電解電容，上方較低耐壓則使用于二次側及外圍控制電路

　　因電容內(nèi)有化學物質(zhì)（電解液）的關系，工作溫度對電解電容的壽命有相當影響，所以長時間下運作，除了維持電源供應器的良好散熱外，其使用的電解電容廠牌及系列也決定電源供應器穩(wěn)定運作的可靠度及壽命。

　　■ 電阻器

　　電阻器用于限制電路上流過的電流，并于電源供應器關閉后釋放電容器內(nèi)所儲存的電荷，避免產(chǎn)生電擊事故。

　　圖片中左方為大功率水泥電阻，可承受較大功率超額，右方則為一般常見的電阻，其上的色碼標示出其阻值及誤差。

　　上述組件構成的電路若是沒有搭配控制電路的話，是無法發(fā)揮其功能的，而各路輸出也需要隨時監(jiān)視管理，當發(fā)生任何異常時就要立即切斷輸出，以保護計算機零組件的安全。

　　■ 各種控制IC

　　電源供應器內(nèi)的控制IC，依其安裝位置及用途來分，有作為PFC電路用、功率級一次側PWM電路用、PFC/PWM整合控制用、輔助電源電路用整合組件、電源監(jiān)控管理IC等等。

　　PFC電路用：作為主動功率因數(shù)修正電路控制，使電源供應器可維持一定的功率因數(shù)，并減少高次諧波產(chǎn)生。

　　功率級一次側PWM電路用：作為功率級一次側開關半導體驅(qū)動用PWM（脈寬調(diào)變）信號產(chǎn)生，隨著電源輸出狀態(tài)對其任務周期（Duty Cycle）的控制。一般常見的有UC3842/3843系列等PWM控制IC。

　　PFC/PWM整合控制用：將上述兩種控制器結合于單一IC中，可使電路更為簡化，組件數(shù)目減少，縮小體積外也降低故障率。例如常見的CM680X系列，就是PFC/PWM整合控制IC。

　　輔助電源電路用整合組件：因為電源關閉后，輔助電源電路仍需持續(xù)輸出，所以必須自成一獨立系統(tǒng)，因其輸出瓦數(shù)不需太高，所以使用業(yè)界小功率整合組件作為其核心，例如PI的TOPSwitch系列。

　　電源監(jiān)控管理IC：進行各路輸出的UVP（低電壓保護）、OVP（過電壓保護）、OCP（過電流保護）、SCP（短路保護）、OTP（過溫度保護）監(jiān)視及保護，當超出其設定值后，便會關閉并鎖定控制電路，停止電源供應器輸出，待故障排除后才可重新啟動。

　　除了上述組件外，其它還有廠商視需要自行加上的IC，例如風扇控制IC等等。

　　■ 光耦合器

　　光耦合器主要是用于高壓電路與低壓電路的信號傳遞，并維持其電路隔離，避免發(fā)生故障時高低壓電路間產(chǎn)生異常電流流動，使低壓組件損壞。其原理就是使用發(fā)光二極管與光敏半導體管，利用光來進行信號傳遞，且因為兩者并無電路上的連結，所以可以維持兩端電路的隔離。

　　電源供應器內(nèi)部組件大致上介紹到此。