电源一些基础知识讲解

只看该作者 · 2013-6-28 14:00

肖特基与同步整流的区别

在电源的二次侧部分，整流器和滤波器在电源中的作用，就像他们的名字一样容易理解，其主要任务就是通过MOSFET开关管矫正和过滤高频整流波形电流，完成二次侧部分的整流任务。
在这个电路部分，将会了解到两种不同的低压整流设计，“被动式”和“同步式”。前者通常会使用肖特基二极管，而后者则会使用MOSFET管代替肖特基二极管。使用MOSFET管代替肖特基二极管的主要作用，就是为了减少正向电压压降。
举个例子，一个典型的肖特基二极管有0.5V左右的压降，如果导通40A的电流，那么就会出现20W的能量损失(40A×0.5V=20W)。如果用MOSFET管代替掉肖特基二极管，一般MOSFET的电阻为0.003欧姆，那么损失掉的能量仅有4.8W(40A×40A×0.003Ω)。那么这样算来，就可以节省15.2W，提高将近24%的功耗。
而实际使用中，我们也会见到肖特基二极管和MOSFET管同时使用的情况，因此我们也把这样的整流设计叫做“半同步整流”。其主要目的，就是为了节省成本，因为肖特基二极管相对要更便宜一些。
另外，电源有个-12V输出电路，而-12V的产生，主要由于使用传统二极管的原因，并且因为在-12V这一路我们不需要过重的负载(通常电流小于 1A)。5VSB是在电源关闭状态下的仍在通电的输电路，并且拥有一个完全独立的变压器，因此也可称其为，“待机电路”。而剩下输出的主输出(+12V、5V、3.3V)则将会进一步的稳压调节。这部分的调压方式将会有三种：组调节(Group regulation)、独立调节(Independent regulation)和DC-DC模块调节(DC-DC conversion)，完成进一步稳压调节过滤。

只看该作者 · 2013-6-28 14:02

本帖最后由 yifengbest 于 2013-6-28 14:13 编辑

电源的主控开关

电源的主控开关(Main Switches)只有两种状态模式，一种是“开(导通)”，而另一种则是“关(非导通)”。用于导通和切断从滤波电容输出的直流信号，通过开关闭合形成脉冲信号，而输入电压大小决定了脉冲信号的振幅，开关稳压控制器来调节占空比。因此，直流信号被转换成方波形式输入到电源的主变压器中。

占空比是脉冲持续时间与脉冲周期的之间的不知比值

而由电源的主变压器调整直流电压之后，输出到电压二次侧中(输出电压为：+12V、5V、3.3V、5VSB和-12V)。因此变压器在电压一次侧和二次侧之间扮演着相当重要的角色。
当主控开关接通时，通过的电压为零(理论上);而主控开关断开时，通过的电流为零，这意味着在主控开关中应该没有能量损失。
然而这只是一种理想状态，在现实中，没有任何晶体管或者MOSFET管能做到零损耗。主控开关的晶体管，开和关之间，总有那么一小段时间内，会同时存在着电压和电流，所以电压和电流的乘积就不可能为零，由此就产生了电能损耗，也就是“热量”。因为电源内所有的MOSFET管，都是通过风扇和散热片进行散热。

只看该作者 · 2013-6-28 14:04

了解电源PFC电路

在数年前，许多的电源厂商大多都在电源产品中使用被动PFC模块。而PFC模块则是一个减少谐波电流，并且将非线性负载转换成线性负载的过滤器，电容和电感所产生的功率因数则会向单位值跟近一些。
因此，接下来要说的，就是主动PFC和被动PFC电路。被动PFC相对主动PFC，功率因数较低，并且被动PFC只适用于230V高压电网，对于115V低压电网，被动PFC还需要一个倍压器以适应电网规格。不过，被动PFC比主动PFC的效能要高!
对于主动PFC来说，它基本上是一个通过PWM(脉冲宽度调制)控制电流波形的AC/DC整流器。在最开始，AC电压通过整流桥整流。然后PWM触发主动PFC电路中的MOSFET管(通常是两个)，分离中间直流电压到恒定脉冲序列。这些脉冲信号通过滤波电容，将相对平顺的电流送到主开关电路。而在此之前，我们还会看到一个大个的电感线圈，而这个大电感可以对突然涌入的电流起到缓冲和梳理的作用，当然磁线圈也是电抗产生的重要元件。
此外，在主动PFC电路中我们还会看到一个热敏电阻，同样是用来限制突然涌入的电流，特别是当电源通电以及启动时。
主动PFC电路通常也有两种不同的模式，电流断续模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和电流连续模式CCM( Continuous Conduction Mode)。其中DCM是指，当电感电流为零时，PFC的MOSFET管被开启的工作状态;CCM是指，电感电流始终在零以上，PFC的MOSFET管被开启的工作状态，因此在MOSFET管中，所有的反向恢复的能量都会被浪费。
在电源PFC电路中的第二种模式(CCM)主要被用于超过200W功率输出的电源，因为他能够提供相对较低电流噪声峰值，这意味着高功率电源可以有效抑制电流纹波，输出更为平顺的电流。不过CCM的缺点是耗能较高，并且在升压二极管关闭时，会产生额外EMI，所以我们经常会看到电源整流桥后通常会增加一个X电容。
因此在目前的电源产品中，都会采用CCM模式的PFC电路，虽然功耗略高，也会产生额外的EMI，但是可以有较高水准的功率因数输出。因此对于高能耗的用电大户来说，高功率因数的电源是非常有必要的，对于国家电网的节能也是十分重要的。

只看该作者 · 2013-6-28 14:09

电源原理及结构
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%。

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。

●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。

只看该作者 · 2013-6-28 14:12

独立调节和DC-DC模块调节

组调节(Group regulation)
“组调节”经常被用于输出能力较低或者比较廉价的电源当中。当然，可以通过计算电源二次侧的电感线圈使用个数，来快速判断电源是否是“组调节”。如果发现只有两个电感，那么就是“组调节”。个头稍大的电感用于12V和5V输出，另一个较小的用于3.3V输出，+12V和5V的调压是同时进行，并且通过同一个电压反馈控制器控制。

组调节(Group regulation)

不过，如果12V和5V线路负载的不平衡的话，同时输出+12V和5V来说，就很容易出现问题(如果12V负载高，5V负载低，那么调压控制就会调高 12V电压，那么同时输出的5V，也会被调压控制器也会调高，因此5V电压就会偏高，甚至会超出规范)。因此在交叉负载的测试中，通过“组调压”的5V电压则经常会超过+/-5%的标准。而在“组调压”中3.3V则是通过在12V或5V输出后的一个磁放大线圈进行调压。

独立调节(Independent regulation)
“独立调节”，通常被使用大功率和高性能电源上，不过成本相对较高些。在这样的独立调压控制器中，所有的输出的直流电电压都会被单独进行调整，而在电压负载不平衡时，则不会出现个输电电压突升或者骤降的情况出现。

独立调节(Independent regulation)

电源+12V电路通过主调压器调整，而5V和3.3V则通过磁放大线圈调整。同样可以通关过计算二次侧的磁线圈，鉴别电源是否使用了“独立调压”，而通常情况下，独立调压电源在二次侧会使用3个电感线圈。

稳压调节：DC-DC模块调节
不过现在很多电源制造厂，都开始使用Buck电路对小功率输出的输电路进行压降转换，其实这就是我们在比较高端的电源产品中比较常见的调压方式——“DC-DC调压模块”。

DC-DC模块调节(DC-DC conversion)

过程是这样，5V和3.3V直接有12V降压生成，这样可以再交叉负载中，有着很不错的效率。不过这里，需要指出的是，DC-DC调压模块，其实也是独立调压方式的一种。
另外，在滤波整流之后的环型磁线圈，不仅参与到电压的矫正，还会起到更好的滤波作用，更好的一直电流的输出纹波。然而，在一些利用LLC谐振电路拓扑的电源中，通常则不会在二次侧(+12V输出)看到这样的环型磁线圈，而如果有的话，那么它仅仅起到了过滤的作用。