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PC电源技术交流讲稿 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途一、 概 述PC电源从80年代初出现，伴随PC的演变而不断发展，约有20年的历史了，它的基本作用就是从供电电网中获取能量然后转变为适合PC使用的低压直流电能,同时完成必要的安全隔离功能。在PC电源发展过程中也出现过一些不同的类型和标准,由早期的AT类发展到ATX类，再发展到现在的ATX12V(P4）类，输出电压由最初的4组增加到6组.这些演变是与PC逐渐发展起来的多样化的电源管理功能、多样化的配置以及PC系统电源总线结构密切相关的。电源是PC的一个关键部件,不仅在性能上要符合相应的标准和规范，而且它的负载能力、可靠性、以及对主板和外设的适应性和兼容性都对整机系统的可靠、稳定运行有很大的影响.二、电源应符合的标准与规范与PC电源相关的标准和规范有很多，它们从不同的角度对电源提出了不同的要求，是电源是否合格的重要判据，在此对它们分成两类作一简单介绍：一类标准是强制性标准,是电源必须满足的标准。电气安全方面：GB 49431995信息技术设备（包括电气事务设备）的安全(等同IEC 950-1986）。产品不仅要符合该标准的要求，而且还必须能够获得权威机构的认可才能够进行生产和销售，也就是通常所说的安全认证（现已合并到3C认证）。产品的安全性是每个国家和地区都非常重视的问题，因为它直接关系到人的生命安全.电磁兼容方面：GB 9254-1998信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法（等同CISPR 22:1997）。该标准主要对产品产生的传导干扰和辐射干扰提出了限制。其目的就是要求产品在使用时,不能干扰其他设备的正常运行。谐波电流方面：GB 17625.11998低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流16A）(等同IEC 61000-32:1995）。该标准是针对产品对电网造成的影响而制定的,这种影响称为电力污染.对谐波电流进行抑制的技术习惯上也叫功率因数校正技术（PFC）.上述所有强制性的标准现已合并到一起进行认证,实施后认证名称称为CCC认证（即C认证），将会在2003年5月日强制实施。另一类标准是非强制性的标准，也可以叫做推荐标准。电磁兼容方面：GB/T 17618-1998信息技术设备抗扰度限值和测量方法(等同CISPR 24:1997).该标准与GB 9254-1998信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法其实是产品电磁兼容性的两个方面，GB9254着眼于产品发出的干扰，而GB 17618则是产品应具备的抗干扰能力，只有同时满足这两方面的要求才算完善的产品，才能保证不同的设备同时使用时不会互相影响。综合性：GB/T 147141993微小型计算机系统设备用开关电源通用技术条件该标准在国际上并没有相对应的标准，是我国专门针对计算机电源产品编写的一份指导性的标准，它的内容涉及产品的性能、环境、制造、检测、包装、运输等等内容。虽然不属于强制性标准,但它所包含的内容比较全面，有较好的参考价值和指导意义。Intel:ATX/ATX12V Power Supply Design Guide，SFX/SFX12V Power Supply Design Guide。最后要介绍的规范，就是Intel的这两个电源设计指南，这两份设计指南虽然不是由国家机构发布的标准，严格意义上也不是规范文件，但它却是目前PC电源领域最重要的产品设计参考，因为Intel在PC领域长期处于绝对的领先地位,成了事实上的行业“领头羊”和兼容标准.这两份设计指南中对PC电源作了非常详尽的描述，从外形结构、接口定义到各个输入输出参数的定义和设定，几乎涵盖PC电源所有特性.目前全球绝大多数的PC电源都在依据该指南进行设计、测试、和评价。此指南的Intel官方网址为：www。formfactors。org三、PC电源原理常见PC电源原理框图如下：EMI 滤波器输入 整流器/滤波器辅助 开关管辅助 变压器辅助输出 整流器/滤波器主 开关管主 变压器输出 整流器/滤波器光电耦和器信号/误差 放大器3端稳压器磁放大器整流器/滤波器驱动 变压器PWM 控制器保护/时序 逻辑产生反馈110/220 转换开关+5VSB+5V / +12V / -12V-5V+3.3V(+5V / +12V 反馈)(所有输出)P.GPS_ON#隔离 分界线PFC四、计算机的功率分配 不同配置的计算机和功率分配相差很大，且各配件的功率需求也在不断变化，因此,在此仅举例说明,具体情况要视使用的配置及环境而定。 P4 CPU 功耗表 AC 输入 PC电源的基本原理和常见电路结构PC电源的基本作用就是将交流电网的电能转换为适合主机使用的低压直流电供给整机使用。对ATX类(包括P4电源）电源总共有六路输出,分别是+5V、5V、+12V、12V、+3.3V及+5Vsb。PC电源采用开关变换的技术,就是把交流电首先整流为300V左右的高压直流电，然后通过半导体开关交替导通和关断变成连续的脉冲，再经变压器隔离降压及输出滤波后变为低压的直流电。输出电压的稳定则是依赖对脉冲宽度的改变来实现，这就叫做脉宽调制PWM。由高压直流到低压多路直流的这一过程也可称DC-DC变换，是开关电源的核心技术。采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，典型的PC电源效率为68-75,而相应的线性稳压电源的效率仅有50左右.整个PC电源通常是由主电源和辅助电源两个部分构成。最早的AT电源没有辅助电源,辅助电源是从ATX开始才出现的.它的主要作用是用来产生待机输出+5Vsb,供给主板上开关机和电源管理线路使用.辅助电源部分大多采用了单端反激的电路结构,输出功率在10W左右，早期的ATX电源中多采用单端自激式的RCC线路，成本较低，近来因为功率的上升有逐渐转为PWM的趋势（多为PWM+MOSFET的集成器件为核心）。单端反激的线路结构简单,体积小，效率较高.在ATX电脑中，不论开机还是关机状态,只要交流输入通电，电源的辅助部分就会工作,该线路是电源中工作时间最长的部分，因此它的可靠性和使用寿命对整机有重要的意义.随着电脑越来越多样化的电源管理的发展，需要+5Vsb能够提供更大的电流来支持，最早的ATX要求0.1A，后来增加到0.72A,到P4系统时则要求2A的待机输出。PC电源的主电源部分长期以来就存在两种常用的线路结构，单端正激式和半桥式。单端正激式一般采用电流模式（Current Mode）控制的PWM芯片（典型的是UC3842）和一只功率MOSFET构成初级回路，工作频率多在60-100KHz,开关管采用直接驱动的方式.半桥式一般采用电压模式(Voltage Mode）控制的PWM芯片（典型的是TL494）和两只功率三级管构成初级回路，工作频率多在30KHz，开关管的驱动则采用隔离的比例驱动方式.次级整流部分都采用二极管（12V使用快恢复管,5V和3。3V使用肖特基管）作为整流器件.一般说来，单端正激式的线路适和中小功率，线路比半桥式简单，效率稍高，但EMI大一些。而半桥式线路则适合较大功率，EMI也低一些，但线路稍为复杂。辨认单端正激和半桥式，有个简单办法是数变压器的个数，单端正激式PC电源有两个变压器，一大一小分别为主变压器和辅助变压器。半桥式则会多一个小变压器，是驱动变压器。+3。3V是一个比较特殊的部分，对该部分的控制在ATX电源发展前期有少数产品采用MOSFET线性稳压，现已非常少见，目前一般采用磁放大器（Magnetic Amplifier）的稳压技术，可以取得较高的稳压精度和效率。磁放大器其实是用高导磁率的非晶或超微晶材料制作的可饱和的电感，它在未饱和的时候具有很大的电感量，相当于将电路断开，而在饱和的时候又相当于导线将电路连通，可以起到一只开关的作用。利用这一特性就可以对脉冲宽度进行调整,达到稳压的目的.该部分的稳压控制与主电路是相互独立的,不受主电路电压变化的影响，但一般说来，只有其它输出（+5V、+12V）带有一定负载时，+3。3V才能够输出比较大的电流。实现PFC功能，一般分两种形式。一种是无源形式；另一种是有源形式.无源即是在交流输入端直接串联工频铁芯电感来抑制高次谐波电流，有源是采用一套独立电路（类似一个电源）强制输入电流跟随交流电网电压变化，因此功率因数可达0.99甚至更高。无源的优点是电路简单、成本低，缺点是功率因数低、体积大、重量重、有工频噪音及不适合于较大功率（300W以上)。有源的优点是功率因数高、体积小、无工频噪声，适合于大功率，缺点是电路复杂、成本高。PC电源的时序PC电源不仅输出电压，还要与主板有信号联系，两者在时间次序上有一定的关系，这就叫做时序.时序是电源与主板良好配合的重要条件，也是导致电脑无法正常开关机以及电源与主板不兼容问题的最常见的原因。时序中最重要的是电源输出电压（通常以+5V为代表）与P。G信号和PS_ON#信号之间的关系。P.G信号由电源控制,代表电源是否已经准备好,PS_ON#信号则由主板控制，表示是否要开机.两个信号都是通过20芯的主板电源线来连接的，电脑开关机的整个工作过程是这样的：电源在交流线通电后，就会输出一个电压+5VSB到主板，主板上的少部分线路就开始工作并等待开机的操作，这叫做待机状态.当按下主机开关开机时,主板就把PS_ON#信号变成低电平，电源接受到该低电平后就开始启动并产生所有的输出电压,在所有输出电压正常建立后的0。10.5秒内电源将会把P。G信号变成高电平传回给主板表示电源已经准备好，然后主板就可以开始启动和运行。正常关机时，主板在完成所有关机操作后,把PS_ON#信号恢复高电平，电源就会关闭其他所有输出电压和P。G信号，只保留+5VSB输出，整个主机又恢复到待机状态。AT电源中没有+5VSB和PS_ON信号,因此只有P.G信号与输出电压间的配合关系，因为信号相对简单，所以很少出现异常和不兼容的现象。实际应用中,除了时序问题，即输出电压与信号在时间上的配合问题外，还要注意装机后信号高低电平的电压值是不是合乎要求，也就是信号的驱动能力是否匹配。ATX电源的P。G信号线一般为灰色，高电平时应为2。4V5.25V，低电平时为0V0。4V。PS_ON信号线则一般为绿色,高电平为2V5.25V，低电平为0V0.8V。PC电源的保护功能PC电源在使用时，有可能被接错或短路,另外电源自身也有可能出现故障导致输出电压不正常，这种情况下为了防止或减少严重的后果，电源要能够停止工作,这就是电源的保护功能。电源的保护有两个方面，一是防止烧毁其他配件，另一方面是要保护自身不受损坏。电源对外部的保护主要是过压和欠压保护，也就是说当电源的输出电压偏高或偏低到不正常时,电源就要停止工作。这一点对整机非常重要，因为所有昂贵的部件比如CPU、硬盘等都是比较脆弱的，很容易由于过高的电压而烧坏。为了防止出现这种情况，需要对电源的每路输出电压监控.电源设计师的办法是通过采样电路对输出电压进行采样，采样回来的信号通过一个比较器后接到控制部分.一旦输出电压异常，采样信号可以即时反映出来，通知控制部分关机。这样可以有效地保护主板，CPU，内存，硬盘，光驱等贵重部件。电源有没有可靠快速的过压保护对于整机来说非常重要.因为也许一台配置高档的主机就因为一个劣质的电源而坏个精光。电源保护的另一方面是要保护自身不受损坏.短路保护和过功率保护就是为了保护电源自身的。电源一般有+5V，5V，+12V，12V，3.3V和+5Vsb输出。如果用户接错插头或者是不小心将输出短路，比如+5V和地线短路了，短路电流将非常大，如果电源不能自己关断，必然损坏.当然坏的外设也会造成电源短路，比如光驱本身5V和地线就短路了，电源一插上就造成了电源的短路。过功率保护是使电源在远超过其额定负载下工作时进入保护状态.比如，额定负载200W的电源如果硬带300W的负载，没有过功率保护的话肯定要烧坏，有了过功率保护，电源就会自动“罢工”，从而保护自身。过功率保护和短路保护的原理都是通过检测输出电流来实现的。一旦电流过大，控制电路就自动关断电源.等短路故障排除后再重新开机就可恢复正常。 一台电源其他指标再好,如果没有完善的保护功能，都是不能让人放心使用的。电源厂家也在为设计安全可靠的保护电路而努力.随着技术的发展，电源也会越来越安全。四、电源优劣的评判1、技术规格（包括电气性能、机械性能、安规、电磁兼容、环境等）1） 电源技术规格应符合国家强制标准（最好同时符合国家非强制性或推荐性标准）。2） 电源技术规格应符合或参照Intel制定的行业规范。可参考Intel的行业规范（设计指南）2、可靠性 可参见第三部分。主要是元器件的电、热应力要留有较大的裕量。例：l 半导体结温不超过110（环境温度50)l 变压器、电感温升不能超出安规的要求l 电容外壳温度不能超出额定值的95%l 元器件电压和电流的降额应大于10l 磁器件在任何电网、负载、起动或瞬态条件下,均不能出现饱和.3、兼容性 兼容性涉及到的问题比较广泛，一个好的电源产品,不仅应具有良好的技术规格及可靠性,还应有全面的兼容性，即适应各种配件的能力。电源是整个计算机系统所需能量的源头，因此关系到每一个需要由电源提供能量的部件。 常见应注意的兼容性设计要点：1）电源各路输出及PS_ON#和P.G信号的时序关系2)PS_ON#信号和P。G信号的防抖动设计加入正反馈，延迟翻转特性及尖峰吸收回路，防止误动作，保证P。G稳定。3）电源输出的稳定度、瞬态特性及保护功能例：有些主板会产生不正常的瞬态过流,会造成电源保护或电压下降。4）各电气参数的温度稳定性(在各种温度条件下应工作正常）。5）各项性能指标留有裕量（有上限要求）或居中（有上、下限要求)可防止配合上的偏差。五、PC电源常见故障及判定方法1、 电源无输出此类为最常见故障，主要表现为电源不工作。在主机确认电源线已连接好（有些有交流开关的电源要打到开状态）的情况下，开机无反应，显示器无显示（显示器指示灯闪烁).无输出故障又分为以下几种： +5VSB无输出 前面已讲到+5VSB在主机电源一接交流电即应有正常5V输出，并为主板启动电路供电.因此，+5VSB无输出，主板启动电路无法动作，将无法开机。此故障制定方法为:将电源从主机中拆下，接好主机电源交流输入线，用万用表测量电源输出到主板的20芯插头中的紫色线(+5VSB）的电压，如无输出电压则说明+5VSB线路已损坏,需更换电源。对有些带有待机指示灯的主板,无万用表时，也可以用指示灯是否亮来判断+5VSB是否有输出。此种故障显示电源内部有器件损坏,保险很可能已熔断。 +5VSB有输出，但主电源无输出 此种情况待机指示灯亮,但按下开机键后无反应，电源风扇不动。此现象显示保险丝未熔断，但主电源不工作。故障判定方法为:将电源从主机中拆下,将20芯中绿线（PS ON/OFF）对地短路或接一小电阻对地使其电压在0.8V以下,此时，电源仍无输出且风扇无转动迹象（注：有极少数电源在空载时不工作，此种情况除外）,则说明主电源已损坏，需更换电源。 +5VSB有输出，但主电源保护 此类情况也比较多，由于制造工艺或器件早期失效均会造成此现象。此现象和的区别在于开机时风扇会抖动一下，即电源已有输出，但由于故障或外界因素而发生保护。为排除因电源负载（主板等）损坏短路或其它因素,可将电源从主机中拆下，将20芯中绿线对地短路，如电源输出正常，则可能为：I。 电源负载损坏导致电源保护，更换损坏的电源负载；II。 电源内部异常导致保护,需更换电源；III。 电源和负载配合，兼容性不好，导致在某种特定负载下保护，此种情况需做进一步分析。 电源正常，但主板未给出开机信号 此种情况下也表现为电源无输出，可通过万用表测量20芯中绿色线对地电压是否在主机开机后下降到0.8V以下,若未下降或未在0.8V以下，可能导致电源无法开机。2、 电源有输出,但主机不显示。 这种情况比较复杂，判定起来也比较困难，但可以从以下几个方面考虑：1) 电源的各路输出中有一路或多路输出电压不正常,可用万用表测试；2) 无P。G信号，即测量20芯线中灰色线是否为高电平，如果为低电平,主机将一直处于复位状态，无法启动。3) 电源输出上升沿或时序异常，或和主板兼容性不好，也可导致主机不显示,但此种情况较复杂，需借助存储示波器才可分析。完！Page: 10/8