圖1：標準線性電源設計圖

圖2：線性電源波形

雖然線性電源非常適合為低功耗設備供電，例如無線電話、PlayStation/Wii/Xbox等遊戲機，但對於高功率設備，線性電源就會顯得力不從心。

對於線性電源來說，其內部電容和變壓器的大小與交流市電的頻率成反比：也就是說，如果輸入市電的頻率越低，線性電源就需要越大的電容和變壓器，並且反之亦然。 目前普遍使用頻率為60Hz（有些國家為50Hz）的交流市電，頻率較低，因此其變壓器和電容器的尺寸往往較大。 另外，交流市電的突波越大，線性電源的變壓器就越大。

因此，對於個人PC領域來說，製造線性電源將是一個瘋狂的舉動，因為它的體積會非常大，重量也會非常重。 因此，個人PC用戶不適合共享線性電源。

● 關於開關電源您了解多少？

開關電源透過高頻開關方式可以很好地解決這個問題。 對於高頻開關電源，可以將交流輸入電壓在進入變壓器之前進行升壓（升壓前通常為50-60KHz）。隨著輸入電壓的增加，變壓器、電容等元件的尺寸不必像線性電源那麼大。

這種高頻開關電源正是我們的個人電腦和錄影機等設備所需要的。需要說明的是，我們常說的「開關電源」其實是「高頻開關電源」的簡稱，與電源本身的關斷和開通無關。事實上，最終用戶PC的電源採用了更優化的方案：閉環系統－負責控制開關管的電路，從電源的輸出獲取回授訊號，然後提高或降低頻率根據PC機的功耗來調整一定週期內的電壓，從而適應電源的變壓器（此方法稱為PWM，Pulse Width Modulation，脈寬調變）。因此，開關電源可以根據所連接的用電設備的功耗進行自我調節，使變壓器等部件帶走更少的能量，降低發熱量。

另一方面，線性電源的設計理念是功率至上，即使負載電路不需要大電流。 這樣做的結果是，即使不需要，所有組件也會滿載工作，從而產生更高的熱量。

圖4：帶PFC電路的電源

透過比較圖3和圖4，我們可以看到它們之間的差異：一個有主動PFC電路，另一個沒有。前者沒有110/220V轉換器，也沒有倍壓電路。 以下將重點講解主動式PFC電源。為了讓讀者更能理解電源的工作原理，上面有一個非常基本的圖，其中不包括其他附加電路，例如短路保護、待機電路和PG訊號產生器。 當然，如果想了解更詳細的圖，請看圖5。 看不懂也沒關係，因為這張圖本來是給那些專業電源設計師看的。

圖5：低端ATX電源典型設計圖（圖片可能不太清楚，建議大家拖出來看看）

你可能會問，為什麼圖5的設計圖中沒有電壓整流電路呢？ 事實上，PWM電路已經承擔了電壓整流的工作。 輸入電壓在經過開關管之前會再次進行校正，進入變壓器的電壓就變成了方波。 因此，變壓器輸出的波形也是方波，而不是正弦波。 此時的波形為方波，因此可以輕鬆地透過變壓器將電壓轉換為直流電壓。

也就是說，電壓經過變壓器重新校準後，輸出電壓就變成了DC直流電壓。 這就是開關電源通常被稱為 DC-DC 轉換器的原因。PWM控制電路的迴路負責所有所需的調節功能。 如果輸出電壓錯誤，PWM控制電路將改變控制訊號的佔空比以適應變壓器，最終校正輸出電壓。 當PC功耗增加時，輸出電壓趨於降低，或當PC功耗降低時，輸出電壓趨於升高時，通常會發生這種情況。在查看下一頁時，我們有必要了解以下資訊：

★ 變壓器之前的所有電路和模組稱為“一次側”，變壓器之後的所有電路和模組稱為“二次側”；

★ 採用主動式PFC設計的電源，沒有110V/220V轉換器和倍壓器；★ 對於不含PFC電路的電源，如果110V/220V設定為110V，在電流進入整流橋之前，電源本身會利用倍壓器將110V升壓到220V左右；

★ PC電源上的開關管由一對功率MOSFET管組成，當然還有其他的組合，我們後面會詳細講解；

★ 變壓器所需波形為方波，因此通過變壓器後的電壓波形為方波，而非正弦波；

★PWM控制電流往往是一個積體電路，通常透過一個小變壓器與原邊隔離，但有時也可能透過耦合晶片（帶有LED和光電晶體管的小IC晶片）與原邊隔離；

★PWM控制電路根據電源的輸出負載來控制電源開關管的閉合。 如果輸出電壓過高或過低，PWM控制電路將改變電壓波形以適應開關管，達到校正正向輸出電壓的目的；

下一頁我們將透過圖片來研究電源的各個模組和電路，並透過實體圖片直觀地告訴您在電源中可以找到它們的位置。

區分初級側和次級側。

上面我們從宏觀的角度大致介紹了電源內部的各個模組。 我們精進一下，把話題轉向電源各模組的組成部分…

04
瞬態濾波電路分析

市電連接到PC開關電源後，先進入瞬態濾波電路，也就是通常所說的EMI電路。 下圖描述了PC電源「推薦」瞬態濾波電路的電路圖。

瞬態濾波電路圖

為什麼要強調「推薦」呢？ 因為市面上很多電源，尤其是低端電源，往往會省略圖8中的一些元件。 所以你可以透過檢查EMI電路是否縮小來判斷你的電源的品質。

EMI電路的主要元件是MOV（金屬氧化物壓敏電阻），即壓敏電阻（圖1中的RV8），它負責抑制市電瞬態中的尖峰。 MOV元件也用於突波抑制器。 然而，許多低端電源常常為了節省成本而砍掉重要的MOV元件。 對於配備MOV元件的電源來說，是否有突波抑制器並不重要，因為電源已經具備了抑制突波的功能。

圖 1 中的 L2 和 L8 XNUMX為鐵氧體線圈； C1和C2是盤狀電容，通常為藍色，這些電容通常稱為「Y」電容； C3為金屬化聚酯電容，通常容量為100nF、470nF或680nF，也稱為「X」電容； 有些電源配備兩個X電容，與市電並聯，如圖8 RV1所示。

X電容可以是任何與市電並聯的電容； Y電容通常成對配對，需要串聯在火與零之間，並且兩個電容的中點應透過機殼接地。 也就是說，它們與市電並聯。

瞬態濾波電路不僅可以對市電進行濾波，還可以防止開關管產生的雜訊對同一市電上的其他電子元件產生幹擾。

讓我們來看一些實際的例子。 如圖9所示，你能看到一些奇怪的東西嗎？ 此電源沒有瞬態濾波電路！ 這是一種廉價的“山寨”電源。 請注意，請查看電路板上的標記。瞬態濾波電路本來應該有的，卻被沒心沒肺的JS推到了市場上。

這種廉價的「山寨」電源沒有瞬態濾波電路。

如圖10所示，這是一款具有瞬態濾波電路的低端電源，但我們可以看到，這款電源的瞬態濾波電路省略了重要的MOV壓敏電阻，只有一個鐵氧體線圈； 不過，這款電源額外配備了一個X電容。

低端電源EMI電路

瞬態濾波器電路分為初級EMI和次級EMI。許多電源供應器的初級EMI往往放置在獨立的PCB上，靠近市電接口，而次級EMI則放置在電源的主PCB上，如下圖11和圖12所示。I 類 EMI 配備 X 電容器和鐵氧體電感器。

看看這個電源的二次EMI。 在這裡我們可以看到 MOV 壓敏電阻，儘管它的位置有點奇怪，位於第二個鐵氧體後面。 整體來說，應該說這款電源的EMI電路是非常完整的。

完整的二次 EMI

值得一提的是，上述電源供應器的MOV壓敏電阻是黃色的，但其實大多數MOV都是深藍色的。

另外，此電源的瞬態濾波電路配有保險絲（如圖1的F8）。 需要注意的是，如果發現保險絲管內的保險絲已熔斷，那麼就肯定是電源內部的某個或某些元件故障了。 這時候更換保險絲是沒有用的，開機後很可能又會被燒壞。

05

倍壓器和初級整流電路

● 倍壓器及初級整流電路

如上所述，開關電源主要包括主動PFC電源和被動PFC電源。後者沒有 PFC 電路，但配備了倍壓器。 倍壓器採用了兩個巨大的電解電容，也就是說，如果你看到電源內部有兩個大電容，基本上可以判斷這是電源的倍壓器。 前面我們提到，倍壓器只適用於127V電壓的地區。

由兩個巨大電解電容器組成的倍壓器

取下來看看

在倍壓器的一側可以看到整流橋。 整流橋可以由四個二極體或單一元件組成，如圖15所示。 高階電源的整流橋通常放置在專用的散熱器上。

整流橋

初級部分通常有一個NTC熱敏電阻，它可以根據溫度的變化改變阻值。 NTC熱敏電阻是負溫度係數的縮寫。 它的作用主要是在溫度很低或很高的時候重新匹配電源，類似於陶瓷盤電容，通常是橄欖色的。

06主動PFC電路

● 主動PFC電路毫無疑問，這種電路只能在配備主動PFC電路的電源中才能見到。

圖 16 展示了典型的 PFC 電路：

主動PFC電路圖

主動PFC電路通常採用兩個功率MOSFET開關。 這些開關管通常放置在初級側的散熱器上。 為了方便理解，我們用字母標記了每個MOSFET開關管：S代表Source，D代表Drain，G代表Gate。

PFC二極體是一種功率二極體，通常採用與功率電晶體類似的封裝技術，它們的長度相似，同樣放置在一次側的散熱器上，但PFC二極體只有兩個引腳。

PFC電路中的電感是電源中最大的電感； 原邊濾波電容是主動PFC電源原邊最大的電解電容。 圖中的電阻。 16為NTC熱敏電阻，可隨著溫度的變化而改變阻值，與二次EMI的NTC熱敏電阻具有相同的功能。主動PFC控制電路通常是基於IC積體電路，有時這塊積體電路也負責控制PWM電路（用來控制開關管的閉合）。 這種積體電路通常被稱為“PFC/PWM組合”。

像往常一樣，首先來看一些例子。 在圖 17 中，移除初級側的散熱器後，我們可以更好地看到組件。 就是左邊瞬態濾波電路的次級EMI電路，上面已經詳細介紹過； 看左邊，都是主動PFC電路的元件。

由於我們已移除散熱器，因此在圖片中看不到 PFC 電晶體和 PFC 二極體。 另外，稍加留意的話，可以看到整流橋與主動PFC電路之間有一個X電容（整流橋散熱片底部的棕色元件）。 通常，橄欖色熱敏電阻看起來像陶瓷盤電容器，外面覆蓋著橡膠。

主動PFC元件

圖18是初級側散熱器上的元件。 此電源配備了兩個MOSFET開關和主動PFC電路的功率二極體：

開關、功率二極體

接下來我們將重點放在開關管上…

07
開關管

● 開關管電源的開關逆變器可以有多種模式。我們總結了以下幾種情況：

當然，我們只是分析某種模式下需要多少個元件。事實上，工程師在考慮採用哪種模式時會受到許多因素的限制。

目前最受歡迎的兩種模式是雙電晶體正向設計和推挽式設計，兩者都使用兩個燈開關。 這些佈置在初級側散熱器上的發光管我們在上一頁已經介紹過，這裡不再贅述。

以下是這五種模式的設計圖：

（單晶體管正向配置）

（雙晶體管正向配置）

（半橋配置）

（全橋配置）

（推挽式配置）

8、以及變壓器PWM控制電路。

●變壓器及PWM控制電路

前面我們提到，PC電源一般配備三個變壓器：最大的一個是前面圖3、圖4和圖19-23中標記的主變壓器。其原邊與開關管連接，副邊與整流電路和濾波電路連接，可提供低電壓直流輸出（+12V、+5V、+3.3V、-12V、-5V）電源。

最小的變壓器有+5VSB輸出的負載，通常成為備用變壓器，並且始終處於“備用狀態”，因為這部分輸出始終處於開啟狀態，即使PC電源關閉時也是如此。第三個變壓器是隔離器，連接PWM控制電路和開關管。 並不是所有的電源都會配備這個變壓器，因為有些電源供應器往往配備了具有相同功能的光耦積體電路。

變壓器

此電源供應器採用光耦積體電路取代變壓器。

PWM控制電路基於積體電路。 一般不含主動PFC的電源供應器會採用TL494積體電路（下圖494採用相容的DBL26整合晶片）。 在具有主動PFC電路的電源中，有時會使用晶片來取代PWM晶片和PFC控制電路。 CM6800晶片就是一個很好的例子，它可以整合PWM晶片和PFC控制電路的所有功能。

脈寬調變控制電路

08二次側 (1)

●二次 側

最後介紹一下二次側。 在次級側，主變壓器的輸出將會被整流和濾波，然後輸出PC所需的電壓。 -5V和--12V的整流只需要普通二極體就可以完成，因為它們不需要高功率和大電流。

但+3.3V、+5V、+12V等正電壓的整流任務需要高功率肖特基整流橋。 這個肖特基有三個引腳，外觀和功率二極體類似，但是內部整合了兩個大功率二極體。 能否完成二次側整流是由電源電路結構決定的。一般整流電路結構可能有兩種，如圖27所示：

整改模式

模式A將更多用於低端入門級電源。此模式需要變壓器的三個引腳。 B模式多用於高階電源。一般這種方式只需要配備兩個變壓器，但鐵氧體電感必須足夠大，因此這種方式成本較高，這也是低端電源不採用這種方式的主要原因。

另外，對於高階電源來說，為了提高最大電流輸出能力，這些電源供應器往往會透過並聯兩個二極體來使整流電路的最大電流輸出增加一倍。

無論是高階或低階電源，其+12V和+5V輸出均配備完整的整流電路和濾波電路，因此所有電源至少需要兩組整流電路如圖27所示。

3.3V 輸出有以下三種選項可供選擇：

☆+3.3V輸出部分增加5V穩壓器，很多低端電源採用；

☆ 為27V輸出增加完整的整流電路和濾波電路如圖3.3所示，但需要與5V整流電路共用一個變壓器。 這是高階電源常見的設計方案。

☆ 採用完整獨立的3.3V整流電路和濾波電路。 這種方案非常少見，只能出現在少數發燒等級的頂級電源中，例如安妮特的Galaxy 1000W。

由於3.3V輸出通常是完全共享5V整流電路（常見於低端電源）或部分共享（常見於高端電源），因此據說3.3V輸出往往受到5V輸出的限制。 這就是為什麼許多電源在銘牌上應命名為“3.3V和5V組合輸出”。下面的圖 28 顯示了低端電源的次級側。 這裡我們可以看到負責產生PG訊號的積體電路。 低階電源一般採用LM339積體電路。

次級側

此外，我們還可以看到一些電解電容（這些電容的尺寸比倍壓器或主動PFC電路小得多）和電感，它們主要負責濾波功能。

為了更清楚地觀察這個電源，我們把電源上的所有飛線和濾波線圈都拆掉了，如圖29所示。 這裡我們可以看到一些小的二極體，主要用來對-12V和-5V進行整流，通過它們的電流很小（本電源只需要0.5A）。 其他電壓的輸出電流至少要1A，這需要功率二極體負責整流。

用於-12 V和-5 V負電壓電路的整流二極體

10. 二次側（二）

●二次 側
(2)下圖描述了低端電源次級側散熱器上的組件：

輔助散熱器上的組件從左到右：

☆ 穩壓IC晶片－雖然它有三個引腳，看起來很像三極管，但它是一個IC晶片。 本電源採用7805穩壓器（5V穩壓器），負責+5VSB的穩壓。 前面我們提到，+5VSB採用獨立的輸出電路，因為即使在PC斷電的情況下，它仍然需要向+5VSB提供+5V輸出。 這就是為什麼+5VSB 輸出通常也被稱為「待機輸出」的原因。 805IC可提供最大1A的電流輸出。

☆ 功率MOSFET管，主要負責3.3V輸出。 這款電源供應器的MOSFET型號為PHP45N03LT，可允許最大45A的電流通過。 正如我們在上一頁提到的，只有低端電源才會採用與3.3V共用的5V穩壓器。

☆ 功率肖特基整流管，由兩個二極體整合而成。 這款電源供應器的肖特基型號為STPR1620CT，這款電源供應器的每個二極體最大允許電流為8A（總共16A）。 這種功率肖特基整流器通常用於12V輸出。

☆ 另有功率肖特基整流器。 此電源型號為E83-004，最大允許電流為60A。 此電源整流器通常用於+5 V 和+3.3 V 輸出。 由於+5V和+3.3V輸出使用同一個整流器，因此它們的總和不能超過整流器的電流限制。 這就是我們常說的聯合輸出的概念。 換句話說，3.3V輸出來自5V輸出。 與其他輸出不同，變壓器沒有 3.3V 輸出。 這種設計常用於低端電源。 高階電源一般採用獨立的+3.3V和+5V輸出。

我們先來看看高階電源副邊的主要部件：

高階電源二次側元件

高階電源二次側元件

在這裡我們可以看到：

兩個並聯肖特基整流器，用於 12V 輸出。 低端電源往往只有一個這樣的整流器。 這種設計自然使整流器的最大電流輸出加倍。 電源供應器採用兩個STPS6045CW肖特基整流器，每個整流器最大運作電流為60A。

☆ 肖特基整流器負責5V輸出。 此電源供應器採用STPS60L30CW整流器，最大可允許通過60A電流。

☆ 一個肖特基整流器負責3.3V輸出，這是高階電源和低端電源的主要區別（低端電源往往沒有單獨的3.3V輸出）。 此電源供應器採用STPS30L30CT肖特基，最大可允許通過30A電流。

☆ 電源保護電路的穩壓器。 這也是高階電源的象徵。

主要的一點是，上面提到的最大電流輸出只是相對於單一元件而言的。 一個電源的最大電流輸出實際上取決於與其連接的許多元件的質量，例如線圈電感、變壓器、線材粗細、PCB寬度等。 將整流器的最大電流與輸出電壓相乘，即可得到電源的理論最大功率。 例如上圖電源的12V輸出最大功率應為16A*12V=192W。

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