开关电源的基础知识

开关电源的基础知识开关电源的基础知识 一 电源的重要性 随着高科技的电脑及相关产品逐渐进入平常百姓家 人们对电脑及相关产品的认识不断深入 对于电 脑来讲 最重要的硬件主要有两个 一个是 CPU 其作用相当于人的大脑 是电脑的核心 二是电源 其 作用相当于人的心脏 如果没有高品质的电源 再好的 CPU 及其它电脑部件都无法充分稳定的发挥作用 甚至可能对电脑主机造成伤害 然而在 DIY 市场 长期以来人们强调的是 CPU 主板 显卡等硬件 对电源不太重视 忽略了开关电 源的质量对电脑的可靠性 稳定性以及对使用者健康的影响 其实 国际知名品牌电脑厂商对电源非常重 视 如 IBM 等世界名牌电脑的电源采购价高达每台 18 25 美元 正是源于他们对电源品质的高标准要求 根据统计 电脑故障的 40 60 是由于电源引起 而一台电源只占电脑整机价值的 2 3 电源选用 不当 不但可能烧毁 CPU 主板 硬盘 还可能给使用者健康和生命财产安全造成损失 因而有必要重新 认识电源的重要性 二 电源的工作原理 市电进入电源 首先要经过扼流圈和电容 滤除高频杂波和同相干扰信号 然后再经过电感线圈和电 容 进一步滤除高频杂波 接下来再经过由 4 个二极管组成的全桥电路整流 和大容量的滤波电容滤波后 电流才由高压交流电转换为高压直流电 经过了交直转换后 电流就进入了整个电源最核心的部分 开关电路 开关电路主要由两个开关管 组成 通过它们的轮流导通和截止 便将直流电转换为高频率的脉动直流电 接下来 再送到高频开关变 压器上进行降压 经过高频开关变压器降压后的脉动电压 同样要使用二极管和滤波电容进行整流和滤波 此外还会有 1 2 个电感线圈与滤波电容一起滤除高频交流成分 经过上面一系列工序后 输出的的电流 才算真正完成电脑所需要的较为纯净的低压直流电 三 有关性能参数说明 1 PG POWER GOOD 信号 从电源开通那一瞬间起 到电源输出稳定电压需要一定的时间 5V 的爬升时间通常为 2ms 20ms 当 电源开通后 电源首先会自行检查输出电压是否正常 如果正常 即向 CPU 发出一个 POWER GOOD 信号 意即 我准备好了 您可以开始工作了 为了保证相互间的衔接 CPU 厂商推出 CPU 时 就 PG 信号作 出了规定 要求电源发出 PG 信号的时间是在开机后的 100 500ms 时间内 如果 CPU 在这个范围内得不到 PG 信号 就意味着开机失败 2 PF POWER FAIL 信号 PF 信号是指当电源的交流输入电压切断 电源首先给 CPU 一个持续时间约 1ms 的 POWER FAIL 信号 通知 CPU 电源将马上关闭 PF 时间不够容易造成相关设置数据丢失 3 保持时间 HOLD UP TIME 指在输入电压切断后 电源能继续保持输出的时间 一般为 20ms 左右 通常不小于 16ms 这段时间 很重要 一方面使 CPU 在得到 PF 信号后有足够时间保存系统设置 使系统下次能正常开机 另一方面使 UPS 有足够的时间启动 并开始工作 4 纹波 RIPPLE 和杂讯 NOISE 电源的功能是将交流电转换为直流电 但事实上 输出的直流电并不是一条纯净的直线 而是依附着 一些周期性和随机性的交流信号 我们称之为纹波和杂讯 它们的数量一般都很小 用毫伏表示 纹波和 杂讯对电脑电源来说是非常重要的指标 纹波和杂讯过大可能让 CPU 产生误判 严重者可能烧坏电脑 5 负载调整率 LOAD REGULATION 电源负载的变化会引起电源输出的变化 负载增加 输出降低 相反负载减少 输出升高 好的电源 负载变化引起的输出变化减到最低 通常指标为 3 5 6 线路调整率 LINE REGULATION 指输入电压在最高和最低之间变化 180V 264V 时 输出电压的波动范围 一般为 1 2 7 电源输出 OUTPUT 3 3V 橙色线 最早在 ATX 结构中提出 现在基本上所有的新款电源都设有这一路输出 而在 AT PSII 电源上没有这一路输出 以前电源供应的最低电压为 5V 提供给主板 CPU 内存 各种板卡等 从第二代奔腾芯片开始 由于 CPU 的运算速度越来越快 INTEL 公司为了降低能耗 把 CPU 的电压降到了 3 3V 以下 为了减少主板产生热量和节省能源 现在的电源直接提供 3 3V 电压 经主板变换后用于驱动 CPU 内存等电路 5V 红色线 目前用于驱动除磁盘 光盘驱动器马达以外的大部分电路 包括磁盘 光盘驱动器的控 制电路 12V 黄色线 用于驱动磁盘驱动器马达 冷却风扇 或通过主板的总线槽来驱动其它板卡 在最新的 P4 系统中 由于 P4 处理器能能源的需求很大 电源专门增加了一个 4PIN 的插头 提供 12V 电压给主板 经主板变换后提供给 CPU 和其它电路 所以 P4 结构的电源 12V 输出较大 P4 结构电源也称为 ATX12V 12V 黑色线 主要用于某些串口电路 其放大电路需要用到 12V 和 12V 通常输出小于 1A 5V 白色线 在较早的 PC 中用于软驱控制器及某些 ISA 总线板卡电路 通常输出电流小于 1A 在许 多新系统中已经不再使用 5V 电压 现在的某些形式电源如 SFX FLEX ATX 一般不再提供 5V 输出 考虑 到系统的兼容性 航嘉 SFX 系列电源 LW 2145 LW 2146 LW 2156 仍然提供 5V 输出 5V Stand By 紫色线 最早在 ATX 提出 在系统关闭后 保留一个 5V 的等待电压 用于电源及系 统的唤醒服务 以前的 PSII AT 电源都是采用机械式开关来开机关机 从 ATX 开始 包括 SFX 不再使 用机械式开关来开机关机 而是通过键盘或按钮给主板一个开机关机信号 由主板通知电源关闭或打开 由于 5V Stand by 是一个单独的电源电路 只要有输入电压 5VSB 就存在 这样就使电脑能实现远程 Modem 唤醒或网络唤醒功能 最早的 ATX1 0 版只要求 5VSB 达到 0 1A 随着 CPU 及主板的功能提高 5VSB 0 1A 已不能满足系统的要求 所以 INTEL 公司在 ATX2 01 版提出 5VSB 不低于 0 72A 随着互联网 应用的不断深入 一些系统要求 5VSB 提供 2A 3A 甚至更大的电流输出 以保障系统功能的实现 因此 对电源提出了更高的设计要求 驰源公司已开发出 5VSB 达到 6A 的电源 PS on 绿色线 负责操作系统管理电源的开关 是一中主机信号 和 5VSB 一起统称为软电源 小于 1V 时开启电源 大于 4 5V 时关闭电源 实现软件开关机 网络远程唤醒功能 设置唤醒时间 通过键盘 开机和 GND 接电线短接就可以开启电源 PG 信号 灰色线 PowerGood 5V 信号 3V 6V 系统启动前 电源打开后 0 1 0 5S 发出信 号进行内部检测 测试通过则发出一个信号到主板 故电源开启受控于电源监控部件 四 开关电源安全标准的主要内容 安全标准是以保障使用者的生命财产安全为出发点 对电子电器产品在原材料的绝缘 阻燃等方面作出了 严格的规定 符合安全规格的产品 不仅要求产品本身符合安全标准 也要求生产厂商有完善的安全生产 质量保证体系 我国的国家标准是 GB4943 1005 信息技术设备 包括电气设备 的安全 安全认证主 要包括爬电距离 抗电强度 漏电流和温度四方面的要求 1 爬电距离 指沿绝缘表面测得的两个导电零件之间或导电零件与设备界面之间的最短距离 强调爬电距离是为了防止 器件间或器件与地之间打火威胁人身安全 2 抗电强度 指在交流输入线之间或交流输入与机壳之间将零电压增加到 1500V 交流或 2200V 直流时 不击穿或拉电弧 3 漏电流 通过隔离变压器在电源的火线或零线与易触及的金属之间串接电流表 开关电源的漏电流在 260V 交流输 入下不应超过 3 5mA 4 温度 安全标准对电子电器的求很严 并要求材料有阻燃性 开关电源的内部温升不应超过 65 比如环境温 度是 25 电源元器件的温度应小于 90 5 安规产品与非安规产品的区别 1 经安规认证的产品在元件 材料的绝缘 阻燃等方面进行了严格的规定 但产品是符合安规的并不代 表性能的好坏 2 由于安全认证的申请时间较长 还有严格的限制和要求 象我国的 CCEE 认证 不仅送检产品本身要符 合 CCEE 标准 同时要求工厂要相对完善 类似 ISO9000 审核 的品质保证体系 以保证大批量生产时 每一个产品都市符合 CCEE 的要求 不仅如此 还要接受 CCEE 机构定期和不定期的质量监督及检查 基于 这原因 在申请安全认证时 厂家都会考虑产品本身的完善性和实用性 因为安全认证申请后 不得随意 作任何变更 替代或修改 所以相对的讲 安规产品的起点会较非安规产品高出许多 非安规电源 在积 尘 潮湿 高温 雷电 震动等情况下 容易出现短路现象 一旦出现短路 非安规电源极易引起火灾 严重影响用户的生命财产安全 所以 世界各国对安规标准执行得非常严格 五 低价电源是如何降低成本的 开关电源是电脑产业中技术比较成熟和稳定的产品 但制造容易做好难 市面上不少电源以极低的价格销 售 扰乱了市场 影响了品牌电源的销售 一些低价电源降低成本的方式 1 大电解电容 半导体器件使用旧料 重要器件使用旧料或拆板料 主要有大电容 肖特基二级管 三极管 IC 等 大电解电容是影响开关电 源使用寿命的关健器件 影响大电容使用寿命的主要是高温和电网中的浪涌电压 国家标准对电解电容的 使用寿命有严格规定 使用旧料虽然可以大大降低成本 但制造者不可能知道旧的器件还有多少寿命 很 可能在电源出厂后不久 器件的寿命就到了 轻则电源停机 重则器件爆裂 危害极大 2 在线材 插头 外壳降低要求 有的电源输出线线径大小不一致 截面积不足 电源工作负载稍大 电源输出线会发烫变软 存在严重的 安全隐患 线材的材质不好也会产生线损 影响电脑的正常使用 输入输出插头插座公差正偏差大 CD ROOM 软驱 硬盘接插电源困难 不小心还会损伤上述部件 再如公差负偏差大 则又可能使上述设备供 电不良 工作不正常 外壳有划伤 切边没有进行防锈处理 容易产生锈斑 锈粉的脱落会造成内部短路 3 不按安规标准选料 有些厂商使用符合安全规格的材料制造样品 获得安规证书后 在大批量的制造时 擅自替换材料 甚至 使用非安规材料代替安规材料 欺骗消费者 造成安全隐患 由于安规材料与非安规材料价格差一倍到数 倍 有些厂商就部分材料采用安规 部分材料采用非安规 对外却称是