7d2aab3bdb8a4e29a83a93ae08825ef3 大家都知道為了減少地球暖化,購買電源供應器最好可以通過80 PLUS認證,可以減少轉換電壓時所額外產生的廢熱,進而減少能源消耗,繳納電費時也比較不心痛。但你真的了解這其中轉換的過程嗎?

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  1. 輸入級
  2. 功率一次、二次級
  3. 回授級

一般我們說變壓整流器,其實包含兩種類型:

  1. 「線性電源供應器」
  2. 「交換式電源供應器」

線性電源供應器即為物理課所學,利用「口」型金屬片層層堆疊,再控制兩端所纏繞的線圈比例來決定輸出電壓。這種線性電源供應器構造簡單、成本低、較不容易損壞、輸出雜訊小。可惜會受到輸入電壓的影響,例如原本110V∕11V的變壓器,插入220V的插座就會變成22V的輸出;同時體積也會跟著輸出電壓∕電流變大,而需要更大更多的口型鐵芯,能量轉換效率也不比交換式電源高。

交換式電源供應器優缺點剛好和線性電源供應器相反,構造複雜、成本高、輸出電源雜訊較多。相同輸出功率下,體積比線性電源供應器來的小,同時轉換效率也比較高。

所以現今市場走向兩極化方向,要求電源純淨度高,雜訊小的電器(如音響)依然使用線性電源供應器。另一方面要求轉換效率,就會使用交換式電源供應器。那麼電腦是使用哪一種呢?當然是後者啦!如果要線性變壓器輸出四、五百瓦的能力,可能會是現行電腦電源供應器的2倍大小,還要加上強力風扇散熱,每個月的電費也足夠掏光你口袋裡的小朋友。

接著就跟著電流方向,從市電輸入到電源供應器的輸出,了解這其中電源轉換的過程。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

線性、交換式名字怎麼來

線性電源供應器,由於輸出電壓部分會受到輸入電壓的高低而連動,故稱線性(linear);交換式電源供應器因為內部採用電子零件高速切換開關(switch),進行變壓,故稱作交換式。

輸入級

從市電輸入之後,到變壓之前,這部分的處理稱為輸入級,會先對電力做些事前的處理;同時也會將插頭傳來的雜訊;和電腦傳來的雜訊過濾、分離,不讓這兩個雜訊交互影響。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

▲圖中所示為單切型電壓開關,單切開關會有2條電線,雙切開關則為4條。

雙切開關不漏電

開關當然就是負責將市電切斷或者導通,可簡單分成單切型或雙切型開關,單切型只將市電傳過來的兩條電源線中,斷開其中一條。照理來說會是切斷火線部分,可是有些電工會將插座的水、火線接反,造成反而是水線被斷開,有時人體碰觸電腦機殼時會有「感電」的現象。這時雙切型開關的好處就來了,管你插頭的水、火線有沒有接反,反正直接把兩條線完全斷開就沒事了。

電源雜訊要隔離

電力一進入電源供應器,首先會做雜訊隔離、濾波的動作。利用X電容(方形黃色)跨接於火線和水線之間,Y電容(圓形藍色)跨接於火線和地線、水線和地線之間,再加上電感組成EMI(電磁干擾)濾波迴路。只讓50~60Hz(交流電頻率)的波形通過,阻擋其他頻率的雜訊。比較高級的電源供應器會有兩組的EMI濾波電路,當然效果又更好啦。

如果你拆開電源供應器沒有在電源輸入找到黃色和藍色的電子零件也別灰心,看看插電源線的插座那裡是不是有個金屬外殼的零件,這個零件已經將EMI和插座包在一起,外洩的雜訊更少。

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▲圖中可以看到有兩組EMI濾波電路,一組為插座一體式(那顆金屬外殼零件),另一組則是在電路板上。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

▲第一級濾波EMI直接做在插頭上,第二級EMI濾波則是在電路板上。

防止湧浪電流、突波

為了避免剛開機時的電流突然上升,打壞其他的電子零件,會在線路上串連一顆NTC(負溫度係數)電阻。這種零件剛開始通電時電阻很大,避免過多電流打壞零件,過了一小段時間零件因通電溫度上升後,電阻便大幅下降,以便供應後端電力。

此零件除了在一開機時保護電腦,其他時間並不需要它的功能,所以某些追求高效率的電源供應器,會在其上加裝一個繼電器,電腦開機後便把NTP電阻斷路,減少能源消耗。

應該有種經驗,按下電器開關的瞬間日光燈會稍微暗一下,關閉的時候又會稍微亮一下,這種狀況就是電源突波造成的。為了避免這種電壓不穩的情形傷害到後端零件,在火線和水線會跨接MOV(壓敏電阻)元件。在一般電壓時,這顆零件的電阻相當高,幾乎不導電,但是當電壓超過一個定值時,MOV的電阻便大幅下降,形成通路將多餘電力導入自身吸收,以熱能散發掉,藉以保護後端電子零件不被突波電壓打壞。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

▲壓敏電阻,用以吸收電壓突波。

功率因數修正

PFC受到大家注意,大概是從Pentium III至Pentium 4這個時期開被廠商大肆宣傳。因為電腦電源供應器為非線性負載(市電輸入到實際耗電零件之間,有電感和電容緩衝;線性負載則是像大同電鍋,市電經開關後直接接在電熱線上),電壓波型和電流波型不會一致,所以需要額外的電路來修正。

功率因數為電壓和電流的相位差取CosineΦ,如果電壓和電流的相位相差45度,功率因數會變成0.7,意即台電傳輸1倍的能量,到了用戶終端只用了0.7倍而已,剩下的0.3倍量則是「白跑一趟」,會在供電線路上產生耗損。雖然台電不會跟家庭用戶收這段電力耗損的錢,但是卻會增加整體供電線路負擔。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

▲上圖為電壓和電流相位不一致的情況,電流相位落後電壓90°,完全不做功。下圖則為相位一致的情況。

交流整流變直流

從牆壁插頭傳輸過來的電為交流形式,必須先經過橋式整流器轉換成直流,再儲存於電容內以待利用。因為220V的交流電經整流後,大概會變成300V左右的直流電,所以電腦電源供應器裡那顆最大的電容,耐壓都是400V以上,少數只在110V運作的電源供應器才會使用200V的耐壓。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

▲橋式整流器,將交流電轉換為直流電,此處並聯三個,分散承受電流。

完全看懂交換式電源供應器:輸入級、功率一次、二次級、回授級詳解

▲橋式整流器的內部電路圖,可以將交流電整流成直流輸出。

(後面還有:功率一次、二次級的介紹喔!)

延伸閱讀:

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cools0607
21.  cools0607 (發表於 2012年11月03日 01:23)
看完以後,我有小疑問,既然市電過濾波&保護後到橋式整流子上變成直流. 印象中變壓器不是通交流? 這樣的話整流後的電壓可以送入一次側?
Milan
22.  Milan (發表於 2013年1月09日 17:05)
半橋和全橋 Step2&4 的二次側電流波形好像怪怪的,向上的箭頭是不是應該畫到二次側線圈上呢?<( ̄︶ ̄)>
Milan
23.  Milan (發表於 2013年1月09日 17:08)
※ 引述《cools0607》的留言:
> 看完以後,我有小疑問,既然市電過濾波&保護後到橋式整流子上變成直流. 印象中變壓器不是通交流? 這樣的話整流後的電壓可以送入一次側?

所以在整流後跟變壓器中間還會插入一級Flyback or full bridge or half bridge,變成交流再進入變壓器。
R.F.
24.  R.F. (發表於 2013年1月09日 17:38)
※ 引述《Milan》的留言:
> 半橋和全橋 Step2&4 的二次側電流波形好像怪怪的,向上的箭頭是不是應該畫到二次側線圈上呢?

的確真的好像給他畫錯了(⊙ˍ⊙) 小編中箭落馬
曾其威
25.  曾其威 (發表於 2017年10月14日 12:03)
※ 引述《CQH》的留言:
> 這種線性電源供應器構造簡單、成本低、較不容易損壞、輸出雜訊小。可惜會受到輸入電壓的影響,例如原本110V∕11V的變壓器,插入220V的插座就會變成22V的輸出;同時體積也會跟著輸出電壓∕電流變大,而需要更大更多的口型鐵芯,能量轉換效率也不比交換式電源高
>
> 其實線性穩壓 照理說會加上線性穩壓用的IC 例如LM317之類
> 但少掉的電壓會通通變成熱能 所以效率極差+燙
>
LM317 / LM7805 之類的東西是直流電,牆壁出來的 angry pixie 是交流電...

而且壓差太大用線性穩壓,功率耗損很大。

110V 直流降到 12V,約 1:9,效率只有 10%...
老婆生十個兒子有九個不是你的這種感覺。

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