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第三式:脫掉不等於有真相

電源供應器產雖然五花八門,卻不像主機板那樣,只隔著一層靜電袋可以輕易取出來看個過癮。在外殼之下,電子零件用料等級可能滿足了視覺效果,卻不代表實際電氣特性的好壞。而且透過簡單的電錶、軟體等測具,充其量只是看到輸出電壓穩定性與轉換效率,唯有搭配示波器等設備,才能將電源品質(Power Quality)、諧波(Harmonics)、漣波(Ripple),以及湧入電流(In‐rush Current)等更多面向呈現出來。

設計多變內行才了

話雖如此,我們還是來稍微瞭解一下,電源供應器內部架構與運作模式。交換式電源供應器主要是由輸入級(Input Stage)、功率因數調整級(Power Factor Correction)、功率級(Power Stage)、回授級(Feedback Stage)等部分組成。並且依電路架構設計的不同,區分成反馳式(Flyback)、順向式(Forward)、全橋式(Full Bridge)、半橋式(Half Bridge),和推挽式(Push Pull)等拓僕(Topology)型式。

一般來講,電源供應器結構是可以經由肉眼目視,依零件布局位置、採用零件規格等級這些條件,來判斷電路用途與電路設計的高低。不過在現實上,時下的電源供應器追求大輸出功率、小機身設計,以便容納進空間有限的機殼內,因此各零組件排列相當密集。在眾多零件單擋卡位情況下,未必能夠看清楚整體電路結構設計,也就只有「普羅」級行家才能窺探出一二。

過濾雜訊再進行轉換

說到前端的輸入級部分,大家對EMI(Electromagnetic Disturbance)這名詞應該不陌生。電子設備都會產生傳導性電磁雜訊干擾,就像傳染病般地透過電源線傳導(一般稱作Power Line Noise),相互干擾該電源迴路上的其他裝置,因此必需加裝EMI濾波器來排除。

現在的機殼特別講究散熱性設計,也許透過外殼的散熱孔,就可以在市電插座後端發現一體式EMI濾波器裝置,或是以電容、電感組成的濾波電路(部分產品採用2階EMI濾除設計,所以都會出現)。當輸入電源通過EMI濾波器只是開始,由於市電經過變壓器轉換只是改變電壓值,得到電源型式還是「交」流電。因此必需透過整流和濾波這些動作,才能夠轉換成電腦裝置採用的DC直流電源。

電源供應器完全解密:17個觀念搞懂數字陷阱、看清規格真相

▲實際以銀欣科技SST-ST75F-G扒開外殼當作範例,除了標準的輸入級、功率因數調整級、功率級、回授級組成架構之外,還具備完善的EMI濾波處理。

電力怎麼轉換出來?

由於前面章節已經介紹過功率因數,這邊就快轉跳過直接進入下一階段功率級。這部分主要是以由PWM(Pulse Width Modulation,脈波寬度調變)、驅動電路、功率開關、隔離高頻變壓器,以及二次整流濾波電路等龐大陣容組成。包括主與副變壓器、電源管理電路等元件都是集中在這一部分,不單是電源供應器的核心,也是決定產品好壞的關鍵。

電源供應器完全解密:17個觀念搞懂數字陷阱、看清規格真相

大意上來說,PWM和驅動電路負責控制功率開關的工作狀態,開關導通時,輸入電壓會進入變壓器的初級繞組,一方面儲蓄電能量並且將能量感應到次級繞組。之後經由二次整流濾波電路,將次級繞組上的交流電轉換並且整流成直流電,再加上一道漣波濾除動作,就可以輸出乾淨、穩定的+12V直流電。功率開關反向狀態是關閉時,原先儲蓄在初級繞組的能量,釋放並且轉移感應到次級繞組上,也能夠持續輸出直流電。

電源供應器完全解密:17個觀念搞懂數字陷阱、看清規格真相

▲電源輸入端EMI濾波電路。

不過這樣並不算大功告成,最後還要通過回授級的嚴格把關。首先由誤差放大器擷取比較實際輸出電壓和設定參數的誤差值,然後透過光耦離器將結果耦合到PWM控制電路,改變脈波寬度來控制功率開關動作,才能讓直流輸出電壓維持在設定目標範圍內。在整個電源轉換電路中,還包括了些其他作用功能,像是安全防護相關的電壓、電流保護等電路設計,或是直流電轉直流電的功能電路,以便將唯一產生的+12V電壓,降轉成+5V和+3.3V規格。

電源供應器完全解密:17個觀念搞懂數字陷阱、看清規格真相

▲橋式整流與APFC校正電路(電感左側)。

保護機制一個不能少

一部理想的電源供應器,除了輸出電源要乾淨、穩定、準確之外,保護機制電路的設計也相當重要,才夠資格稱上是好產品。保護功能分為OVP、OCP、OPP、OLP、UVP、OTP、SCP等項目,也有少數廠商會自創行銷名詞當作噱頭,不過實際上都是相同基礎的設計。必需特別留意的是,因為產品定位、研發設計成本考量,甚至是技術能力限制等因素,並非每款電源供應器都會完整配備這些功能,選購前可要睜大眼睛比較。

去繁從簡的來講,OVP(Over Voltage Protection,過壓保護)和OCP(Over Current Protection,過流保護)是用來限制輸出電壓與電流上限值,這2個功能存在互補關係式,任何一方數值提升都會讓輸出功率隨之增加,所以同樣重要而且必備。而OPP(Over Power Protection,過功率保護)和OLP(Over Load Protection,過載保護)也是哥倆好,其關係式和OVP對上OCP相似,是用來限制標準與最大負載輸出功率值。

至於UVP(Under Voltage Protection,過低電壓保護)則是比較有趣,原來電子裝置不單是遭遇過高電壓值會損壞,低於標準範圍也是會出問題。另外的OTP(Over Temperature Protection,過溫保護),是負責內部溫度過高時的處理機制,而SCP(Short Circuit Protection,短路保護)說來就更簡單,能夠避免電源輸出迴路發生短路而損壞裝置。這些功能具有一項共同特定,那就是以自動關機為保護機制。

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▲溫控與保護電(OCP、OVP、OLP、OTP等功能)。

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▲一次側高耐壓電容器,儲存電能並且平滑整流後的高壓直流電。

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▲主變壓器與輔助變壓器。

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▲功率級一次測功率開關電晶體。

散熱風扇大才炫?

標榜大尺寸散熱風扇設計,是目前多數產品一致的行銷重點。以往的產品都是配備8公分風扇設計,安置在電源供應器後端,將包含系統在內的熱量往外抽。進階一點的產品,則是在內側也配備1顆風扇,以提升整體散熱效果。不過現在流行的,是在內側用上12公分甚至14公分超大尺寸風扇,優點是扇葉能產生的風壓值高,只不過相對的是風切聲噪音值也會隨之提高。

好在,科技始終來自人性,噪音問題交給自動轉速控制設計就能擺平。在這前提下,大尺寸風扇只需要以低轉速運轉,也可以達到和小尺寸風扇相同的散熱效果,讓電腦系統安靜又涼快。不過還值得注意的,是那鮮少見到的風扇延遲關閉功能。也就是電腦系統關機之後,電源供應器的風扇還能持續運轉一小段時間,把主機內部和本身累積的熱能排放出來。以上幾點雖然無關電源供應器性能,卻能帶來更好的電腦操作使用體驗,不妨列入選購次要重點內。

電源供應器完全解密:17個觀念搞懂數字陷阱、看清規格真相

▲散熱風散尺寸大小各有利弊,配備自動轉速控制功能,才能讓散熱性與噪音值兼優。

安規認證知多少?

還記得很久以前,坊間流傳一招電源供應器選購心法:「安規認證標章越多越好」,通過認證多,通常代表這款產品不至於太差。事實上是這樣嗎?答案是、也不是。安規認證主要目的是為了確保產品在正常使用下,不會發生漏電、爆炸、電磁波外洩等,對人體產生危害的不利因素。這些認證是由不同國家、認證組織機構所設立的規範,並且在特定地區域具有強制力,例如歐盟就規定產品必需通過TUV、CB等認證,才能進入歐盟成員國家銷售。

換個角度來想,其實安規就像是進入特定國家、區域市場的收票口,廠商得自掏腰包送測產品,才能取得入場卷。對使用者而言,產品通過安規認證數量多的最大意義,只是代表這些產品具有良好「電氣」特性,不至於發生比電腦整台掛點還嚴重的大事件而已。畢竟安規認證種類繁多,全送測下來是筆可觀的成本花費,如果產品「性能」沒有達到一定水準以上,肯定是沒有廠商願意這樣燃燒產品開發預算的。

出手前停看聽

總和而言,無論市場上流通的電源供應品牌與款式有多少,採購前「停、看、聽」是不變的法則。功率設定方面,如果沒有十足的把握估算出合適功率值,可以上Outer Vision eXtreme網站,選擇eXtreme Power Supply Calculator Lite來幫你簡單試算(網址:http://www.extreme.outervision.com/psucalculatorlite.jsp)。至於與主電源、輔助電源等接頭,原則上只要合乎主機板、顯示卡,以及裝置的數量與規格要求,還要需要留意的,也就只有+12V輸出必需能夠負荷顯示卡對PCI-E輔助電源的需求而已。

至於其他部分,能選擇80 PLUS高認證等級機種當然是再不好過,因為這類產品都會具備APFC電路,整體使用上不僅省電費,還有廢熱量與噪音比較低的優點。再來就是和內部電路相關的抉擇問題,相信你現在也瞭解到,電源供應器測試比較談和容易。那麼多比較產品標示規格,選擇配備EMI、完整保護機制,再加上擁有一定數量安規認證的產品,通常來說都不至於碰上地雷。最後,就和大家一同勉勵「只要有心,人人都可以擁有好拋兒」。

電源供應器完全解密:17個觀念搞懂數字陷阱、看清規格真相

▲滿滿的安規認證標誌,代表了何種意義呢?肯定的是,和電源供應器本身的性能無關。

延伸閱讀:

Power 壞了嗎?三招自己測

不跑軟體,電源供應器安全自己動手測

本文同步刊載於電腦王雜誌
 
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3.  濱崎 (發表於 2012年7月27日 17:16)
好文一篇!但文章前段提到的[過鹹水]電容(日系)介紹,好像在後面文章中沒出現,可否再提示一番呢?
1334319607
5.  1334319607 (發表於 2012年7月27日 18:13)
感謝細心整理,受惠了<( ̄︶ ̄)>

"設計多變內行才了" 這句"讀"的有點頭暈
不小心讀成:"內行栽了"
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6.  RB (發表於 2012年7月27日 18:47)
50W應該是指在估計尖峰值的時候,將主機板和記憶體兩項合併計算為50W耗電,其他CPU顯示卡硬碟之類的再另外往上加

另外,80PLUS只看20%輸出~100%輸出這段區間必須達到80%效率...也就是說一顆500W的電源要在輸出100~500W的負載時有80%效率,但是只輸出50W的時候可能只有70%效率,但是對於現在愛用變頻省電的各零件來說,放在桌面什麼都不做的閒置狀況是真的可能只有50W甚至更低的耗電
所以我自己的計算方式除了考慮尖峰負載以外,還會同時考慮閒置負載,並且讓這兩個值都落在電源的20~100%輸出區間,這樣買80PLUS的POWER才真的有意義

P.S.:舉個很爛的例子,你買一顆1000W的POWER來幫你的手機充電,充電只需要5V1A共計5W的輸出,結果因為輸出負載太低(才5%)導致POWER的效率只剩下50%,於是你給手機充5W你POWER實際吃了10W,這也是浪費...除了電力的浪費之外還有POWER買太好的浪費


風扇的部分還要考慮到機殼結構,尤其使用比較特殊結構的機殼時,例如POWER在CPU風扇的正上方,結果導致POWER的12CM和CPU風扇大搶風的悲劇結果(最近裝到的例子:銀欣SG02機殼,剛好就是POWER蓋住CPU風扇,這種就不見得適合大風扇型POWER,除非CPU散熱器再投資一筆去配合POWER風扇的氣流...
Charlie Chou
7.  Charlie Chou (發表於 2012年7月27日 21:20)
※ 引述《羅小日》的留言:
> 文章中,(那麼保守估計總合耗用50W)....有沒有這樣低50W..什麼平台

我現在的那台Atom桌機似乎有這種能耐...
(Atom D525 + 4G DDR3 + 250GB 7200rpm HDD 就這樣 沒了)
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8.  goe (發表於 2012年7月28日 13:47)
※ 引述《Charlie20083》的留言:
> ※ 引述《羅小日》的留言:
> > 文章中,(那麼保守估計總合耗用50W)....有沒有這樣低50W..什麼平台

他是指主機板+記憶體的功耗
還沒加上CPU和顯卡、硬碟、光碟機等等
6a03e9bf11704cf5eb5505393d1268fe?size=48&default=wavatar
9.  to (發表於 2012年7月28日 15:05)
滿好奇為甚麼近年來的人都把fan打成了"風散"
但是講到電風扇時又會打對字

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