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拆开电源看优劣—工程师眼中的ATX电源【精华】

高工
2013-10-02 16:47:19    评分
极少部分电源生产厂商为获得更多利润,在电源的设计、用料、做工等方面偷工减料,导致市场中出现了不少劣质电源,给消费者造成许多不必要的损失。那么,电源的优劣该如何分辨呢?我们认为,只有对电源内部的各重要部分进行分析,才能更好的解答这个问题。故此,本刊特邀金河田资深电源工程师刘正波做客技术广角,从专业角度分析ATX电源的优劣。

一、    ATX电源的重要性及其工作原理 

    ATX电源在电脑中所起的基本作用是将220V交流电转化为电脑所需的直流电,但从原理或设计来讲它则包含四个方面: 

a.    将220V交流电与输出的直流电隔离,同时将220V交流电转化为供电脑主板和其他设备使用的低压直流电。 
b.    防止雷击、尖峰脉冲等外界干扰通过电网影响电脑工作。 
c.    开关电源内部的元器件在工作时会处于频繁的开/关状态,这样就会不可避免地产生一些干扰信号,而ATX电源本身应该具备滤除这些干扰信号的功能,以避免对电网中的其他电器设备产生干扰。 
d.    通过电源风扇抽风,降低机箱内部温度,以达到辅助主板、CPU、显卡、硬盘等配件散热的目的。 

    由以上几点足见ATX电源的重要性,所以我们将从ATX电源的原理部分开始,针对其内部的重要组成部分进行分析。 

    以市场上常见ATX电源所采用的半桥电路为例,其工作流程为:电源的外接AC电压经过EMI滤波电路滤除各种干扰信号后,通过整流滤波将AC电压变为平滑的直流电,经过开关晶体管的导通与截止,并结合变压器的隔离及电压变换作用,最后通过低压端的整流滤波电路输出。 

    开关电源的稳压保护过程则是经反馈电路从输出端取样,再将信号送到PWM(Pulse-Width Modulation,脉宽调制)电路调节开关晶体管的导通与截止时间,从而使输出电压稳定。各种保护功能是通过对输出端的电流、电压的监控然后将信号反馈到PWM控制电路从而实现各种保护功能。 

2011-11-5 11:09:24 上传下载附件 (9.74 KB) 


图1 ATX电源半桥电路工作流程示意图



二、拆开电源分析优劣 

    从内部来看,ATX电源由几个部分组合而成(图2),这几部分的有无或优劣,将直接影响最终用户正常使用电脑。 




图2组成ATX电源的重要部分

1.EMI滤波部分 

    电源的EMI滤波部分主要是为了滤除外界的突发脉冲和高频干扰, 同时将其自身产生的电磁辐射削减到最低.ATX电源的EMI部分主要是由滤除共模干扰的电容(图4中方框圈选部分)、滤除差模干扰的电容(图4中圆圈框选部分)、扼流线圈等组成。较好的电源其EMI部分通常采用两部分,一部分在公座上加了一个CE小板,ATX电源的EMI是3C认证中的一个重要检测项目。优质电源会采用完整的二级滤波电路。劣质电源最有可能在这部分偷工减料,最常见的做法是省掉一级滤波电路或干脆不采用EMI滤波部分,或者滤除差模干扰的电容采用非安规材料。 




图3优质电源输入座上的一级EMI滤波电路




图4优质电源PCB大板上的EMI二级滤波电路




图5劣质电源的EMI部分及EMI电路,无法通过3C测试

2. 整流部分和高压滤波部分 

    电源通过EMI滤波以后由桥式整流管将其变为较平滑的直流电,然后经过高压电容对其进行高压滤波。电源桥式整流部分常用的方案有两种:一种是由四个分立的二极管组成,另一种是将四个分立的二极管集成在一起。后一种方案的优点是便于散热,一般超过300W的电源都采用集成式,其耐压值至少为600V,ATX电源的高压滤波一般采用两个耐压值为200V的电容. 

    电容的容量直接影响着电源的低压特性,这个问题在我国显得尤其重要,因为国内大部分地区的电网并非想像中那么稳定.一般在用电比较密集的环境,电网电压会由标准的220V降到180V~190V,如电源的低压特性不够好,会引发多种问题,如电脑在用电高峰期会频繁死机重启等.一般设计较好的300W电源上,其平滑滤波电容(业内俗称大电容)的容量应达680μF或更高。劣质ATX电源的大电容容量大部分不足,最明显的是大电容的体积偏小。 




图6优质350W电源采用1000μF的大电容



3. PFC电路 

    PFC(power factor correction)电路即功率因数校正电路, PFC补偿电路分为两种,一种是被动式PFC(打开ATX电源机壳会发现上盖或下盖有一类似变压器的元件),其作用是可以降低电源对电网谐波干扰和电网对电源干扰, 成本较低,可靠性比较高。在网吧与公司这样电脑集中使用场合中,被动式PFC的效果非常明显;另一种是主动式PFC电路,其AC部分有一大的环形电感,此处还大多带一块PFC控制小卡。主动式PFC功率因数高,AC输入电压可以设计成100~264Vac,不过相对于被动式PFC而言,其成本较高,可靠性反而不如被动式PFC设计。在国内销售的电源大部分采用的为被动式PFC,其最明显的特征是含有一个PFC电感.市面上的部分劣质电源此部分会采用假PFC电感或根本不做PFC设计。




图7 PFC电感的外形与变压器相似

4. 开关晶体管 

    开关晶体管是开关电源中极为重要的部分,它是通过自激式或它激式使开关管工作在“开/关”状态。其耐压程度不小于800V(半桥式其耐压为400V),电流应不小于6A,因开关晶体管工作的频率和反向电压均较高,为易损部件,而又是开关电源的核心,所以其质量的好坏是与电源的质量是成正比的。开关管做假的可能性比较小,因为此种开关晶体管没有一定能力是无法生产的,劣质电源最常用的是用旧管,或采用一些杂牌的晶体管来代替。 




图8电源中的开关晶体管

5. 变压器 

    在ATX电源中,变压器的作用是对电源高压端和低压端进行隔离,以及电压的变换(即将高压转化为低压),其电压变换的比例是根据变压器两边匝数的比例来决定的。变压器的体积越大,其传送的能量就越多。劣质电源的变压器体积偏小,会导致电源的输出功率不足,无法满足设备的需要。 




图9优质电源(左)与劣质电源(右)的变压器体积大小对比

6. PWM控制电路 

    开关电源的控制保护部分, 是通过反馈电路从输出端取样,再将信号送到PWM电路,调节开关晶体管的导通与截止时间,从而使输出电压稳定。各种保护功能是通过对输出端的电流、电压的监控,然后将信号反馈到PWM控制电路从而实现各种保护功能. PWM控制电路在电源的内部构造中为很重要的一部分,此部分做假的可能性较小,而且电路大部分的用料都不算很贵,无做假的必要。但是极少部分劣质电源还是会在这里省掉部分保护电路。最简单的判别方法就是看此部分PCB板上是否存在插件的空位。




图10如果图中框选部分存在未插元件的空位,则说明该产品在PWM控制电路上偷工减料。

7. 其它部分 

●散热风扇: 

    ATX电源使用的风扇根据尺寸分有8025(风扇直径*厚度,80mm*25mm),12025(120mm*25mm),8015(80mm*15mm,多数用于Micro机型)。按转速分有:低转速(1500rpm左右),中转速(2500rpm左右),高转速(3000rpm或更高)。一般扇叶直径越大其转速越低,因为其扇叶越大其排风量就越大,在相同的情况下的转速就可以降低,从而减小运行噪声.这也是大风扇电源被称为静音电源的主要原因. 

●外壳: 

    ATX电源用外壳多数材质为镀锌钢板(SECC),也有少数用铝做外壳。有一些高档的产品,将外壳进行镀金或镀镍处理的,不仅美观,还能起到防锈的作用。 

●电源的散热片: 

    一个设计正常的电源,影响其寿命长短的最大因素就是电源内部温度的高低。散热片是根据有些金属(如铜、铝等)传热较快的原理,由电源中发热量较大的元器件(电源的开关晶体和输出整流管)将热量传至散热片上,再由风扇散热。常用电源采用的散热片其材质一般为铝质。现实中只要成本可接受,散热片的体积越大越好。 

三、劣质ATX电源的危害 

使用劣质电源对用户而言危害无穷,具体的危害归纳起来有以下7点: 

① 电源散热结构不好:使电脑工作不稳定,造成长时间使用后系统频繁死机,更严重的情况则会烧坏CPU。 
② 功率不够:电源使用寿命低,内部元件过热,容易造成运行大型图形软件或游戏时死机,而且无法带多个外设。 
③ 电源无PFC电路:可能会造成电脑突发性死机,重新启动。 
④ 电脑抗干扰性不好:即无EMI也未通过3C认证,容易因雷击而导致主板和其他硬件损坏;多台电脑在一块使用时相互干扰,出现不定时死机重启的故障。 
⑤ 制作工艺粗糙:电源使用寿命不长,电源工作不稳定,PCB焊点一个以上自动锡裂,在经过运输振动之后无电流输出。 
⑥ 主要元件选用过次:风扇噪声大,停止转动后造成电源的元器件因过热而发生炸裂,即业内常说的“炸机”。在低温地区或高温地区电源无法正常工作,电源负载能力变差。并且在AC输入偏低或偏高的地区无法使用,易受电子设备在电网中开关机影响。 
⑦ 无安全保证:电源漏电或功率大时易发热起火。 

四、总结 

    如何判断ATX电源的优劣?其实不外乎三个方面:设计、用料、做工。从用料来讲,优质 DC/AC线均有束线带绑扎;AC大电容使用考究,容量充足,一般200W机种使用330UF以上,250W使用470UF以上,300W使用680UF以上的;200W以上的ATX电源应使用ERL-35变压器。功率器件的散热片应使用纯铝,且厚度足够,一般200W电源的散热片厚度为2~2.5mm,250W电源的为2.5~4mm。从制作工艺来讲,电源内部各元器件应排列整齐,大体积元件应使用胶水加强固定,元件焊点饱满,线材排列整齐,元件倾斜度较小(大元件小于10度,小元件小于5度),焊接在PCB上的元件引脚长为0.8~2.5mm之间,高发热元件套热缩套管。

    目前市场对ATX电源的需求正逐步向大功率、多保护(过流、过热、过压、过功率)、高可靠、小体积方向发展。从设计和制造的角度来看,也只有达到以上要求的ATX电源,才算得上可满足最终用户需求的优质产品。 



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