個人PC電源稱之為開關(guān)電源(Switching Mode Power Supplies，簡稱SMPS)，下面將會為您解讀PC開關(guān)電源的工作模式和原理、開關(guān)電源內(nèi)部的元器件的介紹以及這些元器件的功能。
下圖3和4描述的是開關(guān)電源的PWM反饋機制。圖3描述的是沒有PFC(Power Factor Correction，功率因素校正) 電路的廉價電源，圖4描述的是采用主動式PFC設(shè)計的中高端電源。
圖3：沒有PFC電路的電源
圖4：有PFC電路的電源
通過圖3和圖4的對比我們可以看出兩者的不同之處：一個具備主動式PFC電路而另一個不具備，前者沒有110/220 V轉(zhuǎn)換器，而且也沒有電壓倍壓電路。下文我們的重點將會是主動式PFC電源的講解。
為了能夠更好的理解電源的工作原理，以上我們提供的是非常基本的圖解，圖中并未包含其他額外的電路，比如說短路保護、待機電路以及PG信號發(fā)生器等等。當然了，如果您還想了解一下更加詳盡的圖解，請看圖5。如果看不懂也沒關(guān)系，因為這張圖本來就是為那些專業(yè)電源設(shè)計人員看的。
圖5：典型的低端ATX電源設(shè)計圖
你可能會問，圖5設(shè)計圖中為什么沒有電壓整流電路?事實上，PWM電路已經(jīng)肩負起了電壓整流的工作。輸入電壓在經(jīng)過開關(guān)管之前將會再次校正，而且進入變壓器的電壓已經(jīng)成為方形波。所以，變壓器輸出的波形也是方形波，而不是正弦波。由于此時波形已經(jīng)是方形波，所以電壓可以輕而易舉的被變壓器轉(zhuǎn)換為DC直流電壓。也就是說，當電壓被變壓器重新校正之后，輸出電壓已經(jīng)變成了DC直流電壓。這就是為什么很多時候開關(guān)電源經(jīng)常會被稱之為DC-DC轉(zhuǎn)換器。
饋送PWM控制電路的回路負責所有需要的調(diào)節(jié)功能。如果輸出電壓錯誤時，PWM控制電路就會改變工作周期的控制信號以適應變壓器，最終將輸出電壓校正過來。這種情況經(jīng)常會發(fā)生在PC功耗升高的時，此時輸出電壓趨于下降，或者PC功耗下降的時，此時輸出電壓趨于上升。
電源內(nèi)部揭秘
當你第一次打開一臺電源后(確保電源線沒有和市電連接，否則會被電到)，你可能會被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得暈頭轉(zhuǎn)向，但是有兩樣東西你肯定認識：電源風扇和散熱片。
開關(guān)電源內(nèi)部
但是您應該很容易就能分辨出電源內(nèi)部哪些元器件屬于一次側(cè)，哪些屬于二次側(cè)。一般來講，如果你看到一個(采用主動式PFC電路的電源)或者兩個(無PFC電路的電源)很大的濾波電容的話，那一側(cè)就是一次側(cè)。
一般情況下，再電源的兩個散熱片之間都會安排3個變壓器，比如說圖7所示，主變壓器是最大個的那顆;中等“體型”的那顆往往負責+5VSB輸出，而最小的那顆一般用于PWM控制電路，主要用于隔離一次側(cè)和二次側(cè)部分(這也是為什么在上文圖3和圖4中的變壓器上貼著“隔離器”的標簽)。有些電源并不把變壓器當“隔離器”來用，而是采用一顆或者多顆光耦(看起來像是IC整合芯片)，也即說采用這種設(shè)計方案的電源只有兩個變壓器——主變壓器和輔變壓器。
電源內(nèi)部一般都有兩個散熱片，一個屬于一次側(cè)，另一個屬于二次側(cè)。如果是一臺主動式PFC電源，那么它的在一次側(cè)的散熱片上，你可以看到開關(guān)管、PFC晶體管以及二極管。這也不是絕對的，因為也有些廠商可能會選擇將主動式PFC組件安裝到獨立的散熱片上，此時在一次側(cè)會有兩個散熱片。
在二次側(cè)的散熱片上，你會發(fā)現(xiàn)有一些整流器，它們看起來和三極管有點像，但事實上，它們都是有兩顆功率二極管組合而成的。
在二次側(cè)的散熱片旁邊，你還會看到很多電容和電感線圈，共同共同組成了低壓濾波模塊——找到它們也就找到了二次側(cè)。
區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)更簡單的方法就是跟著電源的線走。一般來講，與輸出線相連的往往是二次側(cè)，而與輸入線相連的是一次側(cè)(從市電接入的輸入線)。
區(qū)分一次側(cè)和二次側(cè)
以上我們從宏觀的角度大致介紹了一下一臺電源內(nèi)部的各個模塊。下面我們細化一下，將話題轉(zhuǎn)移到電源各個模塊的元器件上來……
EMC電路解析
市電接入PC開關(guān)電源之后，首先進入濾波電路，也就是我們常說的EMI電路。下圖描述的是一臺PC電源的“推薦的”的濾波電路的電路圖。
為什么要強調(diào)是“推薦的”的呢?因為市面上很多電源，尤其是低端電源，往往會省去圖中的一些元器件。所以說通過檢查EMI電路是否有縮水就可以來判斷你的電源品質(zhì)的優(yōu)劣。
EMI電路電路的主要部件是MOV (l Oxide Varistor，金屬氧化物壓敏電阻)，或者壓敏電阻(圖中RV1所示)，負責抑制市電瞬變中的尖峰。MOV元件同樣被用在浪涌抑制器上(surge suppressors)。盡管如此，許多低端電源為了節(jié)省成本往往會砍掉重要的MOV元件。對于配備MOV元件電源而言，有無浪涌抑制器已經(jīng)不重要了，因為電源已經(jīng)有了抑制浪涌的功能。
圖中的L1 and L2是共模電感;C1 and C2為Y電容，C3是金屬化聚酯電容，通常容量為100nF、470nF或680nF，也叫“X”電容;
X電容可以任何一種和市電并聯(lián)的電容;Y電容一般都是兩兩配對，需要串聯(lián)連接到火、零之間并將兩個電容的中點通過機箱接地。也就是說，它們是和市電并聯(lián)的。
濾波電路不僅可以起到給市電濾波的作用，而且可以阻止開關(guān)管產(chǎn)生的噪聲干擾到同在一根市電上的其他電子設(shè)備。
一起來看幾個實際的例子。如圖9所示，你能看到一些奇怪之處嗎?這個電源居然沒有濾波電路!這是一款低廉的“山寨”電源。請注意，看看電路板上的標記，濾波電路本來應該有才對，但是。。。。。
再看下圖實物所示，這是一款具備濾波電路的低端電源，但是正如我們看到的那樣，這款電源的濾波電路省去了重要的MOV壓敏電阻;不過這款電源配備了一個額外的X電容。
濾波電路分為一級EMI和二級EMI，很多電源的一級EMI往往會被安置在一個獨立的PCB板上，靠近市電接口部分，二級EMI則被安置在電源的主PCB板上，如下圖11和12所示。
一級EMI配備了一個X電容和一個共模電感
再看這款電源的二級EMI。在這里我們能看到MOV壓敏電阻，盡管它的安置位置有點奇怪，位于第二個共模電感的后面?？傮w而言，應該說這款電源的EMI電路是非常完整的。
完整的二級EMI
此外，這款電源的濾波電路還配備了保險管。需要注意了，如果你發(fā)現(xiàn)保險管內(nèi)的保險絲已經(jīng)燒斷了，那么可以肯定的是，電源內(nèi)部的某個或者某些元器件是存在缺陷的。如果此時更換保險管的話是沒有用的，當你開機之后很可能再次被燒斷。
倍壓器和一次側(cè)整流電路
●倍壓器和一次側(cè)整流電路
上文已經(jīng)說過，開關(guān)電源主要包括主動式PFC電源和被動式PFC電源，后者沒有PFC電路，但是配備了倍壓器(voltage doubler)。倍壓器采用兩顆大的電解電容，也就是說，如果你在電源內(nèi)部看到兩顆大號電容的話，那基本可以判斷出這就是電源的倍壓器。前面我們已經(jīng)提到，倍壓器只適合于127V電壓的地區(qū)。
兩顆大的電解電容組成的倍壓器
拆下來看看
在倍壓器的一側(cè)可以看到整流橋。整流橋可以是由4顆二極管組成，也可以是有單個元器件組成，如圖所示。高端電源的整流橋一般都會安置在專門的散熱片上。
在一次側(cè)部分通常還會配備一個NTC熱敏電阻——一種可以根據(jù)溫度的變化改變電阻值的電阻器。NTC熱敏電阻是Negative Temperature Coefficient的縮寫形式。
主動式PFC電路
●主動式PFC電路
毫無疑問，這種電路僅可以在配有主動PFC電路的電源中才能看到。下圖描述的是典型的PFC電路：
主動式PFC電路圖
主動式PFC電路通常使用兩個功率MOSFET開關(guān)管。這些開關(guān)管一般都會安置在一次側(cè)的散熱片上。為了易于理解，我們用在字母標記了每一顆MOSFET開關(guān)管：S表示源極(Source)、D表示漏極(Drain)、G表示柵極(Gate)。
PFC二極管是一顆功率二極管，通常采用的是和功率晶體管類似的封裝技術(shù)，兩者長的很像，同樣被安置在一次側(cè)的散熱片上，不過PFC二極管只有兩根針腳。
PFC電路中的電感是電源中最大的電感;一次側(cè)的濾波電容是主動式PFC電源一次側(cè)部分最大的電解電容。圖16中的電阻器是一顆NTC熱敏電阻，可以更加溫度的變化而改變電阻值，和二級EMI的NTC熱敏電阻起相同的作用。
主動式PFC控制電路通?；谝活wIC整合電路，有時候這種整合電路同時會負責控制PWM電路(用于控制開關(guān)管導通與截至)。
在下圖中，我們將一次側(cè)的散熱片去除之后可以更好的看到元器件。左側(cè)是瞬變?yōu)V波電路的二級EMI電路，上文已經(jīng)詳細介紹過;再看左側(cè)，全部都是主動式PFC電路的組件。由于我們已經(jīng)將散熱片去除，所以在圖片上已經(jīng)看不到PFC晶體管以及PFC二極管了。此外，稍加留意的話可以看到，在整流橋和主動式PFC電路之間有一個X電容(整流橋散熱片底部的棕色元件)。
主動式PFC元器件
一次側(cè)散熱片上的元件。這款電源配備了兩個MOSFET開關(guān)管和主動式PFC電路的功率二極管：
目前最流行的兩種模式：雙管正激(two-transistor forward)和全橋式(push-pull)設(shè)計，兩者均使用了兩顆開光管。
以下是這五種模式的設(shè)計圖：
單端正激(Single-transistor forward configuration)
雙管正激(Two-transistor forward configuration)
半橋(Half bridge configuration)
全橋(Full bridge configuration)
推挽(Push-pull configuration)
●變壓器和PWM控制電路
先前我們已經(jīng)提到，PC電源一般都會配備2~ 3個變壓器：個頭最大的那顆是主變壓器，它的一次側(cè)與開關(guān)管相連，二次側(cè)與整流電路與濾波電路相連，可以提供電源的低壓直流輸出(+12V，+5V，+3.3V，-12V，-5V)。
最小的那顆變壓器負載+5VSB輸出，通常也成為待機變壓器，隨時處于“待命狀態(tài)”，因為這部分輸出始終是開啟的，即便是PC電源處于關(guān)閉狀態(tài)也是如此。
第三個變壓器室隔離器，將PWM控制電路和開關(guān)管相連。并不是所有的電源都會裝備這個變壓器，因為有些電源往往會配備具備相同功能的光耦整合電路。
PWM控制電路基于一塊整合電路---TL494整合電路(下圖采用的是可兼容的DBL494整合芯片)。具備主動式PFC電路的電源里，有時候也會采用一種用來取代PWM芯片和PFC控制電路的芯片。CM6800芯片就是一個很好的例子，它可以很好的集成PWM芯片和PFC控制電路的所有功能。
●二次側(cè)
最后要介紹的是二次側(cè)。在二次側(cè)部分，主變壓器的輸出將會被整流和過濾，然后輸出PC所需要的電壓。-5 V和–12 V的整流是只需要有普通的二極管就能完成，因為他們不需要高功率和大電流。不過+3.3 V, +5 V以及+12 V等正壓的整流任務(wù)需要由大功率肖特基整流橋才行。這種肖特基有三個針腳，外形和功率二極管比較相似，但是它們的內(nèi)部集成了兩個大功率二極管。二次側(cè)整流工作能否完成是由電源電路結(jié)構(gòu)決定，一般有可能會有兩種整流電路結(jié)構(gòu)，如下圖所示：
