認識你的電源供應器-元件篇

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以往在採買電腦配件時,電源供應器是*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**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F**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*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。