拆開電源看優劣——工程師眼中的ATX電源

    極少部分電源生產廠商為獲得更多利潤，在電源的設計、用料、做工等方面偷工減料，導致市場中出現了不少劣質電源，給消費者造成許多不必要的損失。那麼，電源的優劣該如何分辨呢？我們認為，只有對電源內部的各重要部分進行分析，才能更好的解答這個問題。故此，本刊特邀金河田資深電源工程師劉正波做客技術廣角，從專業角度分析ATX電源的優劣。(優質電源示例採用金河田勁霸ATX-600)

一、 ATX電源的重要性及其工作原理

     ATX電源在電腦中所起的基本作用是將220V交流電轉化為電腦所需的直流電，但從原理或設計來講它則包含四個方面：

a. 將220V交流電與輸出的直流電隔離，同時將220V交流電轉化為供電腦主板和其他設備使用的低壓直流電。
b. 防止雷擊、尖峰脈衝等外界幹擾通過電網影響電腦工作。
c. 開關電源內部的元器件在工作時會處於頻繁的開/關狀態，這樣就會不可避免地產生一些幹擾信號，而ATX電源本身應該具備濾除這些幹擾信號的功能，以避免對電網中的其他電器設備產生幹擾。
d. 通過電源風扇抽風，降低機箱內部溫度，以達到輔助主板、CPU、顯卡、硬碟等配件散熱的目的。

    由以上幾點足見ATX電源的重要性，所以我們將從ATX電源的原理部分開始，針對其內部的重要組成部分進行分析。

    以市場上常見ATX電源所採用的半橋電路為例，其工作流程為：電源的外接AC電壓經過EMI濾波電路濾除各種幹擾信號後，通過整流濾波將AC電壓變為平滑的直流電，經過開關電晶體的導通與截止，並結合變壓器的隔離及電壓變換作用，最後通過低壓端的整流濾波電路輸出。

    開關電源的穩壓保護過程則是經反饋電路從輸出端取樣，再將信號送到PWM（Pulse-Width Modulation，脈寬調製）電路調節開關電晶體的導通與截止時間，從而使輸出電壓穩定。各種保護功能是通過對輸出端的電流、電壓的監控然後將信號反饋到PWM控制電路從而實現各種保護功能。

圖1 ATX電源半橋電路工作流程示意圖

二、拆開電源分析優劣

    從內部來看，ATX電源由幾個部分組合而成（圖2），這幾部分的有無或優劣，將直接影響最終用戶正常使用電腦。

圖2組成ATX電源的重要部分

1.EMI濾波部分

    電源的EMI濾波部分主要是為了濾除外界的突發脈衝和高頻幹擾, 同時將其自身產生的電磁輻射削減到最低.ATX電源的EMI部分主要是由濾除共模幹擾的電容(圖4中方框圈選部分)、濾除差模幹擾的電容（圖4中圓圈框選部分）、扼流線圈等組成。較好的電源其EMI部分通常採用兩部分，一部分在公座上加了一個CE小板，ATX電源的EMI是3C認證中的一個重要檢測項目。優質電源會採用完整的二級濾波電路。劣質電源最有可能在這部分偷工減料，最常見的做法是省掉一級濾波電路或乾脆不採用EMI濾波部分，或者濾除差模幹擾的電容採用非安規材料。

圖3優質電源輸入座上的一級EMI濾波電路

圖4優質電源PCB大板上的EMI二級濾波電路

圖5劣質電源的EMI部分及EMI電路，無法通過3C測試

2. 整流部分和高壓濾波部分

    電源通過EMI濾波以後由橋式整流管將其變為較平滑的直流電，然後經過高壓電容對其進行高壓濾波。電源橋式整流部分常用的方案有兩種：一種是由四個分立的二極體組成，另一種是將四個分立的二極體集成在一起。後一種方案的優點是便於散熱，一般超過300W的電源都採用集成式，其耐壓值至少為600V，ATX電源的高壓濾波一般採用兩個耐壓值為200V的電容.

    電容的容量直接影響著電源的低壓特性,這個問題在我國顯得尤其重要,因為國內大部分地區的電網並非想像中那麼穩定.一般在用電比較密集的環境,電網電壓會由標準的220V降到180V～190V，如電源的低壓特性不夠好,會引發多種問題,如電腦在用電高峰期會頻繁死機重啟等.一般設計較好的300W電源上,其平滑濾波電容（業內俗稱大電容）的容量應達680μF或更高。劣質ATX電源的大電容容量大部分不足，最明顯的是大電容的體積偏小。

圖6優質350W電源採用1000μF的大電容

3. PFC電路

    PFC(power factor correction)電路即功率因數校正電路, PFC補償電路分為兩種，一種是被動式PFC（打開ATX電源機殼會發現上蓋或下蓋有一類似變壓器的元件），其作用是可以降低電源對電網諧波幹擾和電網對電源幹擾， 成本較低，可靠性比較高。在網吧與公司這樣電腦集中使用場合中，被動式PFC的效果非常明顯；另一種是主動式PFC電路，其AC部分有一大的環形電感，此處還大多帶一塊PFC控制小卡。主動式PFC功率因數高,AC輸入電壓可以設計成100～264Vac，不過相對於被動式PFC而言，其成本較高，可靠性反而不如被動式PFC設計。在國內銷售的電源大部分採用的為被動式PFC,其最明顯的特徵是含有一個PFC電感.市面上的部分劣質電源此部分會採用假PFC電感或根本不做PFC設計。

圖7 PFC電感的外形與變壓器相似

4. 開關電晶體

    開關電晶體是開關電源中極為重要的部分,它是通過自激式或它激式使開關管工作在「開/關」狀態。其耐壓程度不小於800V(半橋式其耐壓為400V)，電流應不小於6A，因開關電晶體工作的頻率和反向電壓均較高，為易損部件，而又是開關電源的核心，所以其質量的好壞是與電源的質量是成正比的。開關管做假的可能性比較小，因為此種開關電晶體沒有一定能力是無法生產的，劣質電源最常用的是用舊管，或採用一些雜牌的電晶體來代替。

圖8電源中的開關電晶體

5. 變壓器

    在ATX電源中，變壓器的作用是對電源高壓端和低壓端進行隔離，以及電壓的變換（即將高壓轉化為低壓），其電壓變換的比例是根據變壓器兩邊匝數的比例來決定的。變壓器的體積越大，其傳送的能量就越多。劣質電源的變壓器體積偏小，會導致電源的輸出功率不足，無法滿足設備的需要。

圖9優質電源（左）與劣質電源（右）的變壓器體積大小對比

6. PWM控制電路

    開關電源的控制保護部分, 是通過反饋電路從輸出端取樣，再將信號送到PWM電路，調節開關電晶體的導通與截止時間,從而使輸出電壓穩定。各種保護功能是通過對輸出端的電流、電壓的監控,然後將信號反饋到PWM控制電路從而實現各種保護功能. PWM控制電路在電源的內部構造中為很重要的一部分，此部分做假的可能性較小，而且電路大部分的用料都不算很貴，無做假的必要。但是極少部分劣質電源還是會在這裡省掉部分保護電路。最簡單的判別方法就是看此部分PCB板上是否存在插件的空位。

    圖10如果圖中框選部分存在未插元件的空位，則說明該產品在PWM控制電路上偷工減料。

7. 其它部分

●散熱風扇：

    ATX電源使用的風扇根據尺寸分有8025（風扇直徑*厚度，80mm*25mm），12025（120mm*25mm），8015（80mm*15mm，多數用於Micro機型）。按轉速分有：低轉速（1500rpm左右），中轉速（2500rpm左右），高轉速（3000rpm或更高）。一般扇葉直徑越大其轉速越低，因為其扇葉越大其排風量就越大,在相同的情況下的轉速就可以降低,從而減小運行噪聲.這也是大風扇電源被稱為靜音電源的主要原因.

●外殼：

       ATX電源用外殼多數材質為鍍鋅鋼板（SECC），也有少數用鋁做外殼。有一些高檔的產品，將外殼進行鍍金或鍍鎳處理的，不僅美觀，還能起到防鏽的作用。

●電源的散熱片：

    一個設計正常的電源，影響其壽命長短的最大因素就是電源內部溫度的高低。散熱片是根據有些金屬（如銅、鋁等）傳熱較快的原理，由電源中發熱量較大的元器件（電源的開關晶體和輸出整流管）將熱量傳至散熱片上，再由風扇散熱。常用電源採用的散熱片其材質一般為鋁質。現實中只要成本可接受，散熱片的體積越大越好。

三、劣質ATX電源的危害

使用劣質電源對用戶而言危害無窮，具體的危害歸納起來有以下7點：

① 電源散熱結構不好：使電腦工作不穩定，造成長時間使用後系統頻繁死機，更嚴重的情況則會燒壞CPU。
② 功率不夠：電源使用壽命低，內部元件過熱，容易造成運行大型圖形軟體或遊戲時死機，而且無法帶多個外設。
③ 電源無PFC電路：可能會造成電腦突發性死機，重新啟動。
④ 電腦抗幹擾性不好：即無EMI也未通過3C認證，容易因雷擊而導致主板和其他硬體損壞；多臺電腦在一塊使用時相互幹擾，出現不定時死機重啟的故障。
⑤ 製作工藝粗糙：電源使用壽命不長，電源工作不穩定，PCB焊點一個以上自動錫裂，在經過運輸振動之後無電流輸出。
⑥ 主要元件選用過次：風扇噪聲大，停止轉動後造成電源的元器件因過熱而發生炸裂，即業內常說的「炸機」。在低溫地區或高溫地區電源無法正常工作，電源負載能力變差。並且在AC輸入偏低或偏高的地區無法使用，易受電子設備在電網中開關機影響。
⑦ 無安全保證：電源漏電或功率大時易發熱起火。

四、總結

    如何判斷ATX電源的優劣?其實不外乎三個方面：設計、用料、做工。從用料來講，優質 DC/AC線均有束線帶綁紮；AC大電容使用考究，容量充足，一般200W機種使用330UF以上，250W使用470UF以上，300W使用680UF以上的；200W以上的ATX電源應使用ERL-35變壓器。功率器件的散熱片應使用純鋁，且厚度足夠，一般200W電源的散熱片厚度為2～2.5mm，250W電源的為2.5～4mm。從製作工藝來講，電源內部各元器件應排列整齊，大體積元件應使用膠水加強固定，元件焊點飽滿，線材排列整齊，元件傾斜度較小（大元件小於10度，小元件小於5度），焊接在PCB上的元件引腳長為0.8～2.5mm之間，高發熱元件套熱縮套管。

    目前市場對ATX電源的需求正逐步向大功率、多保護（過流、過熱、過壓、過功率）、高可靠、小體積方向發展。從設計和製造的角度來看，也只有達到以上要求的ATX電源，才算得上可滿足最終用戶需求的優質產品。

（本文發表於2005年第2期《微型計算機》雜誌）