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    邊拆解邊科普!用全漢Hydro G Pro1000看懂電源原理和結(jié)構(gòu)    

    電源 11-30 10:22:05 0 0

    翻看了過去自己的電源拆解文章,發(fā)現(xiàn)一些基本原理沒有講清,如果一點基礎(chǔ)知識都沒有,就會看得云里霧里,所以覺得應(yīng)該整理下自己的資料,好好梳理一篇能讓大多數(shù)人都看得懂的,關(guān)于電源拆解和簡單科普的文章。

    當(dāng)然由于本人只是愛好者,并不是專業(yè)人士,所以難免有錯誤或遺漏的地方,歡迎大家交流以及指正。

    邊拆邊科普

    慘遭拆解的電源是全漢 Hydro G Pro1000W電源,為啥不拆解個主流的500~600w電源?因為1000w電源的結(jié)構(gòu)和電器元件更加完整,看完1000w的拆解,再去比對500w,600w的,就知道電源哪里簡化了,元件哪里縮水了。當(dāng)然拆解后將失去保修,還是我們這些發(fā)燒友來做吧。

    當(dāng)你第一次打開電源后(千萬不要連著電哦?。?,很可能只認出了電源風(fēng)扇和散熱片,其它的一些奇奇怪怪的元器就不知道了!所以還是得從源頭來講起。

    故事要從1884年說起,一個名叫特斯拉的年輕人帶著前雇主的介紹信去找他的偶像——托馬斯·愛迪生,希望他能幫助自己完成交流電系統(tǒng)的發(fā)明。。。。。。算了,篇幅有限就不講這個故事了,大家有興趣可以去查查這段有趣的歷史。反正就是最后交流電被認可,取代了直流電,成了供電主流,畢竟交流電在發(fā)電和輸送上的成本更優(yōu)。

    但除了純阻性設(shè)備和一些電機之外,我們的家用電器一般均使用直流電,尤其是IT產(chǎn)品等等設(shè)備的電子元器件只能識別有電位為1、無電位為0,所以就無法對交流電這種波動的變量進行正確的邏輯判斷。

    那么用一句話來說明PC電源的作用就是:把較高的交流電(AC)變成PC電腦工作所需要的較低的直流電(DC)。

    交流電是指電流方向隨時間作周期性變化的電流,在一個周期內(nèi)的平均電流為零。

    直流電是指電流狀態(tài),大小、方向不隨時間變化的電流。

    但其實真正的轉(zhuǎn)換過程要復(fù)雜得多,中間還會經(jīng)歷脈動(直流)電這一過程。

    脈沖電流也叫脈動電流,就是指方向不變而強度變化的電流。

    PC電源的具體工作流程如下:交流電在濾波和整流后變?yōu)橹绷麟?,接著進入開關(guān)電路把直流電轉(zhuǎn)為高頻脈動直流電,再送到變壓器降壓得到低壓的脈動電,在經(jīng)過整流和濾波后最終得到電腦所需的,相對純凈的低壓直流電。

    這是一個開關(guān)電源的典型流程,特點是在一次側(cè)(變壓器之前)保持高壓、高頻狀態(tài)進行濾波和整理,由于電容以及變壓器的大小和電流頻率成反比,這樣電器元件就可以做的比較小,另外開關(guān)電源可以根據(jù)與之相連的耗電設(shè)備的功耗的大小來自我調(diào)整,從而降低發(fā)熱量,提高效率,也更加節(jié)能。缺點就是設(shè)計相對復(fù)雜,有高頻干擾。

    與之相對就是線性電源,它的流程就是先降壓然后再整流,這樣體積就比較大,效率也低。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定度高,波紋較小,適合為低功耗設(shè)備供電。這兩種都是典型的直流電源。

    具體的濾波電路,開關(guān)電路,整流電路,變壓電路,低壓轉(zhuǎn)換電路等等都是相對獨立的電路,可以任意組合搭配,組成不一樣的電源結(jié)構(gòu)。當(dāng)然不同的電源設(shè)計搭配,有不一樣的轉(zhuǎn)換效率,也會有不同的價格。比如這臺全漢Hydro G Pro100,采用的是主動式 PFC+同步整流+LLC 諧振+DC To DC 的設(shè)計。

    下面就按照順序逐一介紹下每一個過程,首先是

    EMI濾波電路

    在整流之前必須對交流電進行濾波,用來濾除市電網(wǎng)中的電壓瞬變和高頻干擾,同時也防止開關(guān)電源中的開關(guān)管產(chǎn)生的高頻干擾傳輸?shù)绞须娋W(wǎng)中,形成對其他用電器的高頻干擾。

    濾波電路分為一級EMI和二級EMI,一級EMI往往靠近市電接口部分,二級EMI則被安置在電源的主PCB板上。

    一級EMI部分現(xiàn)在的趨勢是簡化,一般都會有一個X電容,和一對Y電容,這個Hydro G Pro1000還有一個鐵氧體線圈(被包裹住了),算是比較少見的。

    Y電容:連接火線和地線之間,以及零線和地線之間,負責(zé)濾除共模干擾及共態(tài)噪聲。

    X電容(跨接線路濾波電容):用來并聯(lián)火線與零線間的電容,可以消除來自電力線的低通常態(tài)噪聲。

    鐵氧體扼流圈在濾波電路中為串聯(lián)在火、零線上,用來消除電線低通共態(tài)以及射頻噪聲。

    二級EMI:有2個共模電感、1個X電容、一對Y電容。

    X電容負責(zé)濾除差模干擾,Y電容負責(zé)濾除共模干擾,共模電感用于濾除共模干擾。

    這部分還有一些保護器件,也是往往一些低端電源會(部分)閹割掉的。這款Hydro G Pro1000配備一個MOV(很多MOV都是藍色的)和一個保險管。

    總的來說在Hydro G Pro1000濾波部分非常完整,可以作為電源是否縮水的比對參考。

    保險管:當(dāng)通過它的電流值超出額定限度時,會以熔斷的方式來保護連接于后端電路。

    金屬氧化物壓敏電阻(MOV):并聯(lián)于保險管后端的火線與地線間,目的是抑制市電尖峰,能處理高電流、吸收高能量并迅速反應(yīng)以保護設(shè)備免于瞬態(tài)故障超過額定限制。

    一次側(cè)整流電路

    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)。但這款Hydro G Pro1000有多組散熱片,整流橋獨享一個散熱片,這是高端電源整流橋的典型現(xiàn)象。

    整流橋可以是由4顆二極管組成,也可以是由單個元器件組成。這款Hydro G Pro1000是使用了單個元器件,由于遮擋沒法拍到具體型號!

    整流橋的參數(shù)非常重要,其輸出電流的能力可以看出一款電源虛不虛標(biāo),用該電流值乘最低電壓值(100~110V)就得到允許的功率,如果此值大于該電源的額定功率,該電源就不虛標(biāo)。

    一般大功率電源還看到配一個繼電器(臺灣松川)和一個熱敏電阻,上面那個橙色的應(yīng)該是CBB電容。

    NTC熱敏電阻的作用是防浪涌電流保護,它根據(jù)溫度的變化改變電阻值,電腦在冷機狀態(tài)啟動時會產(chǎn)生一個很大的浪涌電流,可能燒毀電源和主機內(nèi)部。NTC冷態(tài)電阻極大限制了開機沖擊電流。通過大電流后,NTC發(fā)熱阻值下降為零,電源電流達到正常值。這時繼電器工作,將NTC從電路中斷開,使得NTC溫度迅速下降,恢復(fù)高阻狀態(tài),為下次開機限流做好準(zhǔn)備。

    主動式PFC電路

    這部分是提高整流橋交流電變直流電時的利用率,一般由主電容和電感組成,這款Hydro G Pro1000采用的是一顆680uF,耐壓值450V,耐溫值105℃的鋁電解電容(來自貴彌功株式會社公司,俗稱黑金剛)。

    主電容需有保障后端的穩(wěn)壓能力,另外就是要有一定的儲能能力,以便達到Intel ATX12V規(guī)范的滿負載輸出下保持時間不低于16ms要求。保持時間指的是交流輸入被切斷后起,到+5V輸出跌落至4.75V(低于標(biāo)準(zhǔn)值5%)的時間,主要是用來保護機械硬盤。容量值當(dāng)然可以用公式算出,這里就不介紹,一般來說500w的電源要達到300uF以上才算比較厚道(如果使用兩個電容,是兩個值的加和)。另外耐壓400V,耐溫85℃可以說是最低標(biāo)配了。

    其實被動式(無源)PFC也有電容(一般是2顆),用做倍壓器,但現(xiàn)在大多數(shù)電源都是主動式的,這個就不展開講了。

    PFC的全稱是Power Factor Corrector,意思是功率因數(shù)校正器(有效功率除以總耗電量,最高0.99),它在整流橋之后可以主動補償交流電的的相位差,讓交流電的波形和時間,盡量和直流電保持一致,這樣可以在交流轉(zhuǎn)換為直流時提高電源對市電的利用率,但并不是電源轉(zhuǎn)換效率,并不能為用戶省錢,而是為國家省錢,也能減少電源對市電電網(wǎng)的干擾和損耗,另外相比被動式能適應(yīng)更高的電壓范圍。

    開關(guān)電源的核心當(dāng)然就是開關(guān)電路了,主要工作原理是上橋和下橋的MOS管輪流導(dǎo)通,首先電流通過上橋MOS管流入,利用線圈的存儲功能,將電能集聚在線圈中,再關(guān)閉上橋MOS管,打開下橋的MOS管,線圈和電容持續(xù)給外部供電,然后就重復(fù)這一過程,因為要輪流開關(guān)MOS管,所以稱為開關(guān)電源。這樣高壓的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖電流。

    這款Hydro G Pro1000采用2顆MOS管,就是PFC開關(guān)管,具體型號為英飛凌 I60R120P7 ,規(guī)格為16A@100℃;26A@25℃,漏源極擊穿電壓600V。

    在開關(guān)過程中,電壓是輸入電源電壓和電感的磁場能轉(zhuǎn)換成電能的疊加之后才形成的,這樣輸出電壓高于輸入電壓,完成300V以上的升壓過程,種疊加后的能量是通過二極供電給負載的,所以在旁邊還能看到一顆二極管(2根針腳),一般稱它為升壓二極管。這顆具體型號是CREE/科銳 C3D08060A,規(guī)格為15.5A@100℃;8A@150℃,漏源極擊穿電壓600V。

    在這個散熱片后面還能看到一顆管子,猜測可能是一個保護二級管,和升壓二極管并聯(lián)后(作為旁路)可以分流從而保護PFC開關(guān)管和升壓二極管。

    變壓電路

    開關(guān)電源的拓撲具體種類是相當(dāng)多,但隨著多年的市場競爭,現(xiàn)在基本只能看到雙管正激和LLC諧振拓(分半橋和全橋)。這款Hydro G Pro1000用的就是LLC諧振拓撲,其優(yōu)勢就是效率會做到相當(dāng)高,是現(xiàn)在中高端電源的主流方案。

    一般情況下,LLC結(jié)構(gòu)會有3個變壓器,主變壓器最大,旁邊的為諧振變壓器,在遠端還有一個5Vsb待機變壓器。

    LLC分為半橋結(jié)構(gòu)和全橋結(jié)構(gòu),全橋的標(biāo)志是4個三極管或MOS管組成,而這款Hydro G Pro1000在二次側(cè)的散熱片上只有2個(型號拍不到),無疑是半橋結(jié)構(gòu)的。這兩個MOS管就叫做主開關(guān)管。

    其實雙管正激也可以看到2個MOS管,它由單管正激升級而來,拓撲結(jié)構(gòu)由兩個功率開關(guān)管和兩個二極管(用于復(fù)位)構(gòu)成,相比單管正激而言,每個開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力減半,輸出整流方案選擇多,可以肖特基整流,也可以同步整流。相關(guān)的控制技術(shù)成熟,因此輸出紋波和動態(tài)性能都可以做好。但就是效率不容易做到很高。一般最高也就是金牌的效率,再高也能做,但成本上和LLC相比也沒有優(yōu)勢,也就沒啥意義了。開關(guān)的動作并不是瞬時完成,總會有一定的損耗,而LLC就很好地解決了這個問題。

    LLC拓撲中加入了電感Lr、勵磁電感Lm、諧振電容Cr(LLC名稱的由來),電容和電的能量互相傳遞的周期為諧振頻率,再和次級電路連在一起,有更多不同的工作狀態(tài),原理也更加復(fù)雜。總之就是兩個主 MOS 開關(guān)實現(xiàn)了零電壓開通,通過軟開關(guān)技術(shù),可以降低電源的開關(guān)損耗,提高效率。

    右下角的為5Vsb待機電路,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。

    LLC通過改變開關(guān)管的工作頻率,來調(diào)節(jié)變壓器的能量輸出,進而改變半橋LLC諧振變換器的輸出電壓值。在PCB上發(fā)現(xiàn)了一顆來自臺灣半導(dǎo)體的TS358CD 運算放大器/比較器,也許就是負責(zé)控制的IC芯片。

    二次側(cè)的電壓調(diào)整電路和濾波

    +12V同步整流,由很多固態(tài)電容和磁棒電感,以及MOSFET管組成。

    同步整流就是采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET,來取代整流二極管以降低整流損耗。因為柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能,故稱之為同步整流。

    同步整流有單獨的散熱片設(shè)計,底下應(yīng)該有MOSFET管。

    5V 和 +3.3V 電路,采用了 DC to DC(降壓電源)的設(shè)計,DC-DC輸出簡單的理解就是直流對直流降壓輸出,將電壓較高的12V電流轉(zhuǎn)換成5V和3.3V電流輸出。

    DC-DC模塊的PCB板上面設(shè)計了電感電容及控制IC來控制輸出。

    模組輸出端的焊點。

    模組接口PCB上有很多固態(tài)電容,進行最后的輸出濾波。

    最后說說英特爾的12VO電源標(biāo)準(zhǔn),它要解決的就是臺式機待機時的能耗。內(nèi)存引起的待機狀態(tài)下持續(xù)的能耗是難以避免的,所以只能降低電源運行在低效區(qū)間的損耗。12VO電源標(biāo)準(zhǔn)降直接去掉3.3V和5V轉(zhuǎn)換電路,統(tǒng)一只輸出12V的直流電。3V和5V由主板來負責(zé)實施“直流電-直流電”之間的轉(zhuǎn)換,據(jù)說其效率要比轉(zhuǎn)換電路效率高,這樣電源也就要重新設(shè)計了,不過最后能否成功地推向市場就不可知了!

    Hydro G Pro1000開箱

    壯烈了這個1000w的電源,再犧牲前(其實還能用,就是犧牲了10年的保修)還在拍了下照,下面就來開個箱。

    電源的全家福,線材被一個布袋單獨收納。附件除了螺絲和說明書,還有紅、綠兩種略夸張的帖紙,可以貼在電源的兩側(cè)(用A卡貼紅的?用N卡用綠的?)。

    長度為15cm,雖然沒有達到兼容性最好的14cm,但作為一款1000w的電源沒超過16cm也算不錯,大多數(shù)MATX和ATX機箱都可以輕松放入。

    銘牌部分可以看到該電源通過了80 plus金牌的認證,采用了單路12V+設(shè)計,單路12V+最大電流為83.33A,能夠提供最大1000W的功率輸出,占比電源總輸出功率100%,帶起RTX3090,3080自然是沒問題的。

    電源外殼整體黑色調(diào),表面為火山巖質(zhì)烤漆,磨砂感很強。風(fēng)扇罩采用一種十字型的設(shè)計,看起來還蠻特殊的。

    模組線接口部分有2組雙4+4PIN CPU輔助供電接口和4個6+2PIN PCI-e接口,還是足夠高玩使用,但并沒有采用混插設(shè)計,稍有不便。

    電源出風(fēng)口,除了電源開關(guān)外還有一個ECO開關(guān),開啟后實現(xiàn)30%負載下風(fēng)扇停轉(zhuǎn)功能,讓電腦日常更加靜音。

    側(cè)面有HydroG PRO的貼紙標(biāo)志,也可更換成附件給的紅、綠風(fēng)格貼紙。

    包裝側(cè)面有給出電源的風(fēng)扇轉(zhuǎn)身曲線、電源效率曲線,以及自帶模組線的數(shù)量和接口介紹。

    模組線全是扁平的黑線,柔軟度出乎意料的好,走線會更加便利。顯卡供電線材共有4根,兩長兩短以便適應(yīng)不同的機箱設(shè)計,每根線材都有2個6+2PIN PCI-e接口。

    內(nèi)部風(fēng)扇使用的12cm的,除了有負載30%以下風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動功能,還有智能溫度調(diào)節(jié)的功能,在靜音表現(xiàn)上想來也不會差。

    風(fēng)扇來自臺灣永立,型號為MGA12012XF-O25,7扇扇頁設(shè)計,F(xiàn)DB軸承,工業(yè)風(fēng)格,買點就高壽命,在環(huán)境溫度60度時可以有10萬小時以上壽命。

    最后

    這次拆全漢Hydro G Pro 1000W電源真的是適合做為拆解展示,電源的結(jié)構(gòu)和電器元件雖然沒有瘋狂堆料,但卻很完整,該有的一個都不少,很適合作為科普的素材。另外還有2個優(yōu)點:(1)15cm的長度兼容性比較好;(2)有防潮設(shè)計,宣稱可以在空氣濕度90%以上的環(huán)境下使用,很適合南方的小伙伴。當(dāng)然非要找缺點也不是沒有:沒有用更加豪華全橋的LLC諧振;沒有用135mm規(guī)格的散熱風(fēng)扇。

    現(xiàn)在的PC發(fā)展一改前幾年節(jié)能的風(fēng)格,旗艦級產(chǎn)品的功耗都是大漲,擠爆牙膏!尤其是旗艦級的顯卡產(chǎn)品都是大核心設(shè)計,會有很高的瞬時峰值功耗,所以即使是單卡用戶也最好為電源留出較大的余量,還是入個千瓦電源包平安吧!

    小熊這邊雖然家境貧寒,但也爭取一年能拆解1~2個電源,為大家的購買給出實在的參考意見!

    邊拆解邊科普!用全漢Hydro G Pro1000看懂電源原理和結(jié)構(gòu)   
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