功率一次、二次級

接下來真正的進入電壓轉換部分,在內部變壓器和前述所說的輸入級之間,稱作功率一次級;在變壓器和最終輸出之間,則是稱為功率二次級。接下來介紹功率輸出由小到大的功率級設計。

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

▲+5Vsb,只要插上電源並開啟開關就會開始運作(不論電腦是否開啟),主要供應電腦在待機下的電源需求,和電源供應器本身運作所需。

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

▲光耦合器使用光來傳遞高、低壓區之間的訊息。

返馳式(Flyback)

這種形式的功率級相當容易理解,構造相當接近一般所使用的線性變壓器,在變壓器和輸入級之間不停將開關打開或關閉,藉以調整最終功率輸出;在開關打開時,電能轉換為磁能儲存在變壓器中,開關關閉時,變壓器便釋放能量至二級側,藉由電容緩衝平滑電量輸出。由於二次側只需二極體和電容濾波,體積得以縮小。

缺點為變壓器同時當作電感使用,如果要輸出更大瓦數,必須採用更大的元件,但這樣又走回線性變壓器的路,又大又笨重效率又不高。所以此種電路只在小功率輸出時才會使用(約為100W以下)。

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▲返馳式電路圖。

順向式(Forward)

順向式在二次級的部分多加了一個儲能電感和二極體,與反馳式不同,一次側開關打開時即可傳遞能量給二次側。當一次側開關截止時,能量可以繼續由二次側的電感和電容提供。

順向式可提供比返馳式更大的功率輸出,但是也因二次級多加了一些零件,導致成本上升。另一個讓成本增加的地方,是由於一次級的開關關閉時,變壓器一次級的電壓反向,和輸入級傳過來的電壓相累加形成2倍的電壓,造成功率一次側的開關耐壓,必須為返馳式的2倍。

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▲順向式電路圖。

半橋式(Half Bridge)

前述功率級的一次級開關都只有一個,半橋式則為兩個開關,兩個開關運作在互補模式;意即開關A開啟時,開關B則為關閉,反之亦然。實際應用上,為避免兩個開關同時開啟造成短路,開關A關閉,和開關B開啟並不是同時發生,其中會故意夾著兩個開關皆為關閉的時間,稱為截止時間(dead time)。此時一次級並不感應能量給二次級,改由二次級的電感和電容輸出能量。

由旁邊的電路圖可得知,變壓器一次級的電壓僅為輸入級輸出電壓的一半,請記住這一點,方便與下一段的全橋式比較。

Step 1

開關Q1導通,Q2關閉,電流流向為藍色箭頭方向。

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Step 2

開關Q1、Q2皆關閉,二次級功率輸出由電感和電容持續提供。

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Step 3

開關Q1關閉,Q2導通,電流流向為紅色箭頭方向。

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Step 4

開關Q1、Q2皆關閉,二次級功率輸出由電感和電容持續提供。接下來再由步驟一開始。

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全橋式(Full Bridge)

假設輸入級的電壓有400V,電源供應器輸出功率400W,那麼在半橋式變壓器的一次側電壓即為200V,流經電流為2A。在全橋式的改良之後,變壓器一次級的電壓能夠與輸入級輸出電壓相同,皆為400V,此時電流只需1A即可。換句話說,若是使用相同耐電壓、耐電流的變壓器,全橋式可以輸出半橋式2倍的功率。

Step 1

開關Q2、Q3導通,Q1、Q4關閉,電流流向為藍色箭頭方向。

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Step 2

開關皆關閉,二次級功率輸出由電感和電容持續提供。

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

Step 3

開關Q1、Q4導通,Q2、Q3關閉,電流流向為紅色箭頭方向。

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

Step 4

開關皆關閉,二次級功率輸出由電感和電容持續提供。接下來再由步驟一開始。

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

主動式箝位回收能量

交換式電源供應器一次級的開關二極體導通或關閉的動作,也會如一般家用電器在開關時,出現電壓突波的現象,導致開關晶體要提高耐壓。為解決此種問題,一般是藉由RCD(電阻、電容、二極體)箝位,來改善突波和變壓器漏感(變壓器的一次級線圈能量無法完全感應至二次級,剩餘的能量使得線圈具有電感的作用)現象,多餘的能量傳到電阻上變成熱能散發掉,這種方式稱作被動式箝位。

主動式箝位則是把這些原本化作熱能散失的能量,經由其他路徑,反饋到輸入級上,讓能量能夠再次被利用。

(後面還有:回授級的介紹喔!)

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huahuaWW
4.  huahuaWW (發表於 2012年8月22日 12:59)
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「白跑一躺」,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。
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「白跑一躺」?
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這篇不錯,對電供的架構更了解囉
Awei
5.  Awei (發表於 2012年8月22日 14:04)
╮(╯_╰)╭

太遜了,之前我也不看清楚就買了技嘉的POWER,結果:
鍵盤、滑鼠、硬碟、主機板都歸西,更可惡的是他自己也掛了(...)
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6.  applesuckkk (發表於 2012年8月22日 18:15)
看來有人買的到的和肥皂盒一樣大的750W psu呢
拿來讓大家瞧瞧
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7.  <( ̄︶ ̄)> (發表於 2012年8月22日 21:29)
R.F小編給你按個讚
這文章好,讓我更了解電源
曹洸銘
8.  曹洸銘 (發表於 2012年8月22日 21:56)
※ 引述《Awei》的留言:
> ╮(╯_╰)╭
>
> 太遜了,之前我也不看清楚就買了技嘉的POWER,結果:
> 鍵盤、滑鼠、硬碟、主機板都歸西,更可惡的是他自己也掛了(...)

ㄜ...可是我買的那顆經過了好幾次的跳電+打雷依然頭好壯壯耶...
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10.  fred (發表於 2012年8月22日 23:28)
有個問題
為什麼是先將交流整流成直流,再做壓降動作,而不是先用變壓器壓降到12V再做整流動作
Ed6adbd809263027776c7ce261c7587d?size=48&default=wavatar
11.  RB (發表於 2012年8月23日 00:59)
※ 引述《fred》的留言:
> 有個問題
> 為什麼是先將交流整流成直流,再做壓降動作,而不是先用變壓器壓降到12V再做整流動作

如果你說的是使用線性變壓器去降到AC12V,那是體積問題以及轉換效率問題

如果你說的是使用交換式變壓器...這篇就是在講解交換式變壓器/電源供應器
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12.  RB (發表於 2012年8月23日 01:23)
※ 引述《fred》的留言:
> 有個問題
> 為什麼是先將交流整流成直流,再做壓降動作,而不是先用變壓器壓降到12V再做整流動作

順手找了線性變壓器(環形算是線性的一種),300W大概2.9公斤,400W要4.2公斤,500W有4.6公斤。500W為例,直徑13.5公分,高6.5公分
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13.  Kelly3 (發表於 2012年8月23日 10:18)
全橋式 Step 3 開關Q1、Q4關閉,Q2、Q3導通 寫反了吧?
R.F.
14.  R.F. (發表於 2012年8月23日 10:24)
※ 引述《huahuaWW》的留言:
> 「白跑一躺」?

※ 引述《Kelly3》的留言:
> 全橋式 Step 3 開關Q1、Q4關閉,Q2、Q3導通 寫反了吧?

已經修正,感謝讀者批評指教(≧▽≦)
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16.  Kiverol (發表於 2012年8月24日 16:34)
說得有深度 沒淺度 目的與原理沒有並行
最起碼說到國中程度為基礎頂多多個1.2頁 可以讓更多人了解
說明二極體 也可看懂橋式整流器
只需要再多些 關鍵點知識 國中程度 或高中程度
不是相關科系都能大致了解 不然這篇文章意義性範圍縮小
不然直接去簡體網站看之前也有些 類 似 文章
希望編輯能再加油讓更多人看懂

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17.  Zen (發表於 2012年8月27日 00:27)
同意Kiverol,這篇文閱讀上有跼限性
我想了解但非相關科系看來看去實在是看不懂Orz
白白錯過了一篇好文了...。
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18.  WOLFLSI (發表於 2012年8月28日 01:44)
其實交換式電源功因低落的原因是電流波形失真及高次諧波,而非是相位差,因為功因包含相位差與失真率,而交換式電源影響後者比較大
R.F.
19.  R.F. (發表於 2012年8月28日 10:42)
※ 引述《WOLFLSI》的留言:
> 其實交換式電源功因低落的原因是電流波形失真及高次諧波,而非是相位差,因為功因包含相位差與失真率,而交換式電源影響後者比較大

感謝狼大指教,失真率方面本文未提及,是筆者的疏失。
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20.  CQH (發表於 2012年8月28日 17:10)
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

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