以往在採買電腦配件時,電源供應器是最容易被忽視的元件之一,不過其各路電壓輸出規格、電壓穩定性、發生異常時的保護性卻有相當重要的地位,因為主機內所有電腦配件的所需電力均需由電源供應器供應,同時隨著各裝置於不同狀態下的耗電量去調節輸出負載,又要兼顧長時間操作及全載輸出的穩定性,而電源供應器發生故障時或是負載產生異常,保護系統須立即介入,以避免過電壓/電流造成裝置損壞;對於全球能源吃緊,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。
既然電源供應器所扮演的角色如此重要,以下的文章就要掀起電源供應器的神秘面紗,了解內部的元件種類及功能。

常見的電腦用電源供應器的功能是將輸入的交流市電(AC110V/220V),經過隔離型交換式降壓電路轉換出各裝置所需的各種低壓直流電:3.3V、5V、12V、-12V及提供電腦關閉時待命用的5V Standby(5VSB)。所以電源供應器內部同時具備了耐高壓、大功率的元件以及處理低電壓及控制信號的小功率元件。

電源轉換流程為交流輸入→EMI濾波電路→整流電路→功率因數修正電路(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→電壓調整電路(例如磁性放大電路或是DC-DC轉換電路)→濾波(平滑輸出漣波,由電感及電容組成)電路→電源管理電路監控輸出。
方塊圖如下圖所示:


以下從交流輸入端EMI濾波電路常見的元件開始介紹。

交流電輸入插座:

此為交流電從外部輸入電源供應器的第一道關卡,為了阻隔來自電力線上干擾,以及避免電源供應器運作所產生的交換雜訊經電力線往外散佈干擾其他用電裝置,都會於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雜訊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,濾波電路整個包於鐵殼中,能更有效避免雜訊外洩;右方的則是以小片電路板製作EMI濾波電路,通常使用於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雜訊洩漏情形;而左邊的插座上只加上Cx與Cy電容(稍後會介紹),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電路區空空如也,就代表該區元件被省略掉了。
目前使用12公分風扇的電源供應器內部空間都不太能塞下一體式EMI濾波器,所以大多採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雜訊。
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電容為跨接於浮接地(FG)和火線(L)/中性線(N)之間,用來消除高通常態及共態雜訊。
而電腦用電源供應器中的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,會經由兩顆串聯的Cy電容分壓出輸入電源一半的電位差(Vin/2),人體碰觸到後就有可能產生感電現象。
Y電容的外觀如照片,呈圓餅狀。

共態扼流圈(交連電感):

共模態扼流圈在濾波電路中為串聯在火線(L)與中性線(N)上,用來消除電力線上低通共態以及射頻雜訊。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扼流圈。
其外觀有環形與類似變壓器的方形,部分可以見到外露的線圈。

PS:所謂共態雜訊,代表是L/N線對於地線E間的雜訊,而常態雜訊,則是L與N線之間的雜訊,EMI濾波器功能主要是消除及阻擋這兩類雜訊。

在EMI濾波電路之後的是暫態保護電路及整流電路,常見的元件如下。

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於後端電路,一般使用於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,內填充防火材質避免熔斷時產生火花。
其安裝於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並焊於電路板上)以及圖片中央的可拆卸式(使用金屬夾片固定)。
下方的方形元件是溫度保險絲,這類保險絲固定於大功率水泥電阻或是功率元件的散熱片上,主要是用於超溫保護,避免元件過熱而損壞或發生火災,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。

負溫度係數電阻(NTC):

因為電源供應器接通電源瞬間,其內的高壓端電解電容屬於無電狀態,充電瞬間將產生過大電流突波以及線路壓降,可能使橋式整流器等元件超出其額定電流而燒壞。NTC使用時串聯於L或N線路上,啟動時其內部阻抗值可以限制充電瞬間的電流值,而負溫度係數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後,其阻值會隨著降低,避免造成不必要功率消耗。
但其缺點是電源處於熱機狀態下啟動時,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採用更進階的暫態保護電路。
其外觀大多為黑色及墨綠色的圓餅狀元件。

金氧變阻器(MOV):

變阻器跨接於保險絲後端的火線與地線間,其動作原理為當其兩端電壓差低於其額定電壓值時,本體呈現高阻抗;當電壓差超出其額定值,本體電阻會急速下降,L-N間呈現近似短路狀態,前端的保險絲因短路而升高的電流將會使其熔斷,以保護後端電路,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出現問題。
通常用於電源供應器交流輸入端,當輸入交流發生過電壓時能及時讓保險絲熔斷,避免使內部元件損壞。
其顏色與外觀與Cy電容很接近,不過可以從元件上面的字樣及型號來分別其不同。

橋式整流器:

內部由四顆二極體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後,供後端交換電路使用。
其外觀與大小會隨著元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於散熱片上,協助其散熱,以利穩定的長時間運作。

經過整流後,便進入功率級一次側的交換電路,這裡的元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。

開關晶體:

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,於主動功率因數修正電路以及功率級一次側電路扮演重要角色。
隨著開關元件的電路組成方式,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,也有使用開關晶體構成同步整流電路以及DC-DC降壓電路的應用。
照片中上方為電源內常見的N MOSFET(N型金氧半導體場效電晶體),下方則是NPN BJT(NPN型雙接面電晶體)。

變壓器:

為何稱為隔離型交換式降壓電源供應器,就是因為使用變壓器作為高低電壓分隔,並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,目前大輸出電源供應器有使用多變壓器的設計,避免單一變壓器發生飽和現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衝變壓器,下方較大者為主要功率變壓器以及環形的二次側調整用變壓器。

以變壓器作為隔離分界,二次側的輸出電壓已經比一次側要低上許多,不過還需要經過整流、調整以及濾波平滑等電路,才會變成電腦零件所需的各電壓直流電。

二極體:

電源供應器內部,隨著各部電路要求及輸出大小而使用不同種類以及規格,除了一般的矽二極體外,還有蕭特基障壁二極體(SBD)、快速回復二極體(FRD)、齊納二極體(ZD)等種類。
FRD主要用於主動功率因數修正以及功率級一次側電路;SBD用於功率級二次側,將變壓器輸出進行整流;ZD則是作為電壓參考用。
圖片中為二極體常見的封裝形式。

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元件、磁性放大電路的電壓調整元件以及二次側整流後輸出濾波使用,於電源供應器中廣泛使用。
圖片中電感形狀有環形及圓柱型,隨著感值及電流承受力而有不同的圈數以及漆包線粗細。

電容器:

如電感器般,電容器同樣也作為儲能元件以及漣波平滑使用。為了承受整流後的高壓直流,高耐壓電解電容用於電源供應器一次側電路;為了降低輸出下電解電容連續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。
因電容內有化學物質(電解液)的關係,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定運作的可靠度及壽命。
圖片中下方較大者為用於一次側的高耐壓電解電容,上方較低耐壓則使用於二次側及週邊控制電路。

電阻器:

電阻器用於限制電路上流過的電流,並於電源供應器關閉後釋放電容器內所儲存的電荷,避免產生電擊事故。
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。

上述元件構成的電路若是沒有搭配控制電路的話,是無法發揮其功能的,而各路輸出也需要隨時監視管理,當發生任何異常時就要立即切斷輸出,以保護電腦零組件的安全。

各種控制IC:

電源供應器內的控制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元件、電源監控管理IC等等。
PFC電路用:作為主動功率因數修正電路控制,使電源供應器可維持一定的功率因數,並減少高次諧波產生。
功率級一次側PWM電路用:作為功率級一次側開關晶體驅動用PWM(脈寬調變)信號產生,隨著電源輸出狀態對其任務週期(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於單一IC中,可使電路更為簡化,元件數目減少,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元件:因為電源關閉後,輔助電源電路仍需持續輸出,所以必須自成一獨立系統,因其輸出瓦數不需太高,所以使用業界小功率整合元件作為其核心,例如PI的TOPSwitch系列。
電源監控管理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)監視及保護,當超出其設定值後,便會關閉並鎖定控制電路,停止電源供應器輸出,待故障排除後才可重新啟動。
除了上述元件外,其他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:

光耦合器主要是用於高壓電路與低壓電路的信號傳遞,並維持其電路隔離,避免發生故障時高低壓電路間產生異常電流流動,使低壓元件損壞。其原理就是使用發光二極體與光電晶體,利用光來進行信號傳遞,且因為兩者並無電路上的連結,所以可以維持兩端電路的隔離。

電源供應器內部元件大致上介紹到此,下次將直接以電源供應器實際照片,來說明各部份的電路。

轉載自:http://www1.oc.com.tw/forums/msgexcel.asp?id=C10&msgid=69921&remsgid=69852&allfrom=69852

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  • Jed
  • 2008年Po到現在,竟然沒有人回覆這篇文章

    對於基本的SW PWR內的主要元件都有基本的介紹,真是不錯。

    搜尋NTC跟緩衝電路的時候意外看到的!

    Good post
  • 原文已經不知道移到哪裡了,我也是轉貼來的,介紹得真的很仔細呢! ^^

    香醇咖啡 於 2014/02/07 13:47 回覆

  • Chang Terry
  • 謝謝前輩分享!好資料&很詳細,有需要可以彼此交流,目前我在Power 廠_Acbel.
  • jeff810123
  • 謝謝前輩分享!如果提早看到這篇文章,做控制電路時就不會遇到那麼多問題,讓我的微控制器一直當機!