在PC電源中電容自然也是必須的元件,在玩家群中甚至有這么一種說法,要看一個PC電源行不行,首先就得看它的電容夠不夠大。我們姑且不說這種說法有沒有道理,但從這種說法能夠廣泛流傳的情況來看,電容對于PC電源的重要性是不言而喻的。為此今天我們就來簡單梳理一下PC電源里面的電容,看看它們到底起到了一些什么樣的作用。
如果單從種類上來說,PC電源里的電容種類有很多,其中體積比較大的有金屬薄膜電容、鋁電解電容和固態電容,體積小一點的則有陶瓷電容以及MLCC貼片電容。不過即便是同一種電容,放在不同的位置所起到的作用也是不一樣的,不同的電路對于電容的要求也各不相同,例如PFC電容所需要的電容是耐壓值高的,輸出濾波的電容則需要容量更大的,金屬薄膜電容則常用于EMI電路,因此用在不同地方的電容,也可以根據使用環境而定義為不同的電容,例如安規電容、儲能電容和濾波電容等等。
另外在LLC諧振拓撲中,我們也能看到有電容器件的存在,不過這種電容并不能單獨拿出來討論,因為它是LLC諧振電路的一個組成部分。我們這次主要討論的是能在電路中單獨起作用的電容,主要是安規電容、PFC主電容和輸出濾波電容三類。
電源中有大量的電容存在
很多玩家都把注意力放在PFC電路的主電容上,畢竟主電容體積很大,容易吸引注意力,而且對電源的性能也有著相對明顯的影響。但實際上市電進入電源后,首先要進入的其實并不是主電容,而是要經過安規電容后才會進入到PFC電路 的。
上圖中黃色電容為X電容,成對的藍色電容則是Y電容
安規電容一般布置電源的輸入端,對電源的性能影響其實很小,更多地是為了滿足電源的安規需求而配置的。其與普通電容最大的區別在于,普通電容在充電后,電荷可以保留很久,即便是斷電并放置一段時間后,用手觸摸電容的引腳也仍然會有觸電的感覺;而安規電容則不存在這樣的問題,它們在斷電后會迅速放電,即便用手觸摸也不會有觸電感,安全性很高。 正因為兩者存在這樣的差別,所以安規電容與普通電容是不能相互代替使用的。
PC電源中的安規電容有X電容和Y電容兩種,基本上都用在了EMI抑制電路上,其中X電容是跨接在電力線兩線之間的電容,一般選用uF級的金屬薄膜電容,用于抑制差模干擾;Y電容是跨接在電力線兩線和地線之間的電容,一般選用nF級電容,基本上是成對出現,用于抑制共模干擾。由于它們對電源性能影響極小,即便不做配置,短時間里也不會出現問題,因此劣質電源大都會省略安規電,但這種做法會讓電源的EMI抑制能力大幅度削弱,存在損壞其它硬件的風險,除了成本更低并無其它好處。
如果說安規電容對電源的性能影響很小,那么接下來要說的電容就與電源性能息息相關了。首先我們來看看PFC電容,也就是我們常說的主電容,基本上也是電源里體積最大的電容。主電容的作用是儲能和濾波,其身上三個參數重要參數,分別是耐壓、耐溫和容量。其中耐壓值指的是電容可以承受的電壓上限,主電容是整個電源中承受電壓最高的電容,因為其需要面對PFC電路輸出的高壓電流。目前主流的PC電源基本上都已經用上了主動式PFC電路,這實際上是一套升壓整流電路,可以將輸入交流市電轉變為電壓更高的脈沖直流電,其最高電壓往往超過300V甚至達到380V的水平,因此PFC電容必須擁有較高的耐壓值,一般來說都需要用到耐壓400V的產品,高端電源則會用上420V甚至是450V耐壓的主電容,有更高的冗余量和安全度。
耐溫則是指電容可以承受的溫度上限,一般來說電容耐溫的耐溫越高,電容的壽命也會越長。而電容的壽命則與電容的溫度有密切關系,工作時電容溫度越接近于耐溫值,其壽命縮減的速度就會越快,因此在同等耐壓、同等容量和同等工作環境的情況下,耐溫值更高的電容理論上會擁有更長的工作壽命。目前主電容常見的耐溫值有85℃和105℃兩種,后者當然是更好的選擇,但成本也會更高,而且由于PC電源大都有風扇進行散熱,主電容的溫度其實很難達到耐溫值的上限,因此85℃耐溫的電容與105℃耐溫的電容在常規的使用環境中來說其實并沒有明顯的差異,在相同的成本預算下,廠商會更傾向于容量更大的電容。
與耐壓和耐溫值相比,主電容的容量對于電源性能的影響是比較明顯的。目前主流電源所用的主動式PFC電路輸出的高壓脈沖電流,因此電壓波形并不是連續的。如果沒有主電容與PFC電感組成的LC儲能濾波電路,那么在兩個脈沖之間的低電壓階段,就必然會導致后續電路無法穩定工作。但是如果主電容的容量不夠,那么在高負載的情況下,電路中的電壓仍然會出現很大的波動,也容易產生較高的低頻紋波,會對后續電路的正常工作產生明顯影響。
大容量的電容體積也會更大,因此高端電源會用兩個電容并聯的方式獲得更高的等效容量
此外PC電源的保持時間也是一個很重要的評估參數,保持時間是指電源在切斷外部市電輸入后仍然能夠維持正常輸出的時間,按照英特爾的ATX12V 2.52規范的要求是滿載輸出的情況下,各路輸出以及PG的保持時間不小于16ms。在切斷外部輸入之后,主電容中殘留的電力就成為了后續電路的唯一能量來源,因此想要保證電源的保持時間能夠達標,電容的容量也是很關鍵的,這就是為什么說主電容對電源性能有較大影響的主要原因。
那么主電容應該配置多大容量的呢?不同的電源拓撲結構對主電容的要求其實是不一樣的,例如雙管正激對容量的要求會高一些,而LLC諧振則會小一些,因此我們不能一概而論,但總體來說還是容量大會更有優勢的,但盲目增大主電容的容量也是不正確的,因為容量越大的電容的充電時間也會越長,很容易會引發電源電壓上升時間過長的問題。所以主電容的容量一般是需要根據電源的拓撲結構、額定功率和市場定位等多方面的因素來進行確定,目前業內有一個評判標準,那就是主電容的容量與額定功率之間的關系應該是“不低于每瓦0.5μF”,也就是說一個額定功率為1000W的電源,其主電容的容量應該要不低于500μF,這樣才能保證主電容在電源中可以起到很好的儲能和濾波的作用。
除了PFC電容外,PC電源里還有一種電容是比較重要的,那就是電源的輸出濾波電容。顧名思義,輸出濾波電容是放置在輸出端的電容,主要起到濾波的作用,除了濾除輸出直流電中的交流成分外,還可以起到降低輸出紋波的作用。
中高端電源的+12V輸出已經普遍采用固態電容進行儲能和濾波
與主電容的作用類似,輸出濾波電容主要承擔二次側脈沖電流的輸出儲能和濾波作用,只是承受的電壓相比主電容是要低很多,是+12V/+5V/+3.3V這樣的輸出電壓,但電流強度會更大,而且頻率會更高一些。因此輸出濾波電容一般是耐壓值比較低但容量比較大的產品,例如16V耐壓3300μF容量的電解電容就是一種很典型的輸出儲能濾波電容。此外由于二次側的脈沖電流頻率更高,在目前的中高端電源產品中已經普遍用上了固態電容為最重要的+12V輸出進行儲能和濾波,一來可以為其它硬件提供穩定的+12V電壓,而來固態電容在高頻下的濾波效果也會更好一些。
模組接口的PCB上也會有電容進行濾波
此外在模組接口電源中,為了減少端口的輸出紋波和電壓波動,模組接口PCB上也常見各種電容,包括固態電容和電解電容,這些電容主要是起濾波的作用,但也會具備儲能的效果。因此盡管電源的輸出濾波電容的主要作用是降低輸出紋波,但是在電源的保持時間方面也會有一定的貢獻,因此從原則上來說,輸出濾波電容也應該是數量越多、等效容量越大,濾波和儲能的效果也會越加明顯。
但正如主電容的容量不能盲目增大一樣,輸出濾波電容的總容量也是不能盲目增大的,因為這樣會導致電源輸出電壓的上升時間過長,很容易引起開機失敗、關機后自動重啟這樣的小毛病。而且英特爾在ATX12V 2.52電源設計指南中也明確要求,每路輸出的濾波電容總容量應該控制在3300μF左右,而之前的要求是控制在10000μF左右,顯然是希望廠商是通過調整前端電路的方式來獲得更好的電源性能,而不是通過加大輸出濾波電容的方式來換取。
上總務科領導丟了一個臺式機電源給我,說不能用了讓我拆件。。然后經檢查外表看起來很新,不像用了很久的感覺,嘗試一下看看是不是能簡單修復,如果問題很大就直接丟了即可。
大風扇款,風葉上的積灰不多,挺新的感覺。
串個燈泡通電(被炸怕了,弄個燈泡保險,各位需要可以自行搜索下),短接綠黑線即可啟動電源,風扇轉,但是輸出的電壓不對
拆下外殼,卸下風扇線
看電路板挺爭氣,用料比那些山寨電源好些,入眼可見輸出電容鼓包了幾個
正面看,還是有些積灰,看散熱片用料應該OK,但是正題功率不大
背面干干凈凈,感覺是因為質量不行
翻出庫存的電容,直接將鼓包的電容全部替換下來,然后通電再次測量輸出的電壓
輸出的電壓均正常,后面丟咸魚本地自提出掉了,并告知是小功率電源。
2019年的IFA展會上,華碩發布了ProArt StudioBook One筆記本電腦,這也是首款配備了NVIDIA業界領先的Quadro RTX 6000 圖形處理器的筆記本電腦。
在充電器方面,這款產品配備了一款輸出功率高達300W的高密度電源適配器,支持固定48V電壓輸出,最大電流可達6.25A。電源由偉創力代工,據了解,這款產品電源內部還應用了納微半導體GaNFast功率芯片,提高效率和縮小體積。
目前,充電頭網已經拿到了這款300W電源適配器,下面就為大家揭秘其內部結構、做工和用料。
一、英偉達300W電源適配器外觀
外觀方面,這款300W電源適配器為純白色外殼,主體機身為扁平方正造型,兩段式結構,棱角分明;輸出端自帶一條固定輸出線纜,輸入采用的是梅花三角接口。
得益于內部應用了氮化鎵功率器件,并且采用了高性能的電源架構以及緊湊布局,這款電源的體積相對于300W的功率而言,做得非常小巧,僅相當于常規300W電源體積的一半左右。
輸入端的梅花三插插孔特寫。
輸出端的延長線與機身連接處采用了加固處理,增加抗彎折性能。
在輸出端面,印有NVIDIA英偉達的字樣。
來看一下產品參數。型號:NVD-A-0300ADU00;制造商為:偉創力電源(東莞)有限公司;輸入支持100-240V~ 4A-2.5A,50/60Hz(中國區域:200-240V~ 2.5A 50/60Hz);輸出:48V 6.25A,總功率300W。
尺寸方面,長度約為91.9mm。
寬度約為91.8mm。
厚度約為27.8mm。通過計算,這款電源的功率密度達到了1.2W/cm3,這在筆記本電腦原裝電源適配器中十分罕見。
與iPhone 12 Pro Max對比,二者寬度相當。
輸出端子外形看起來與USB-C接口類似,實際上是一種特殊的端口。
充電接口特寫,內部有三個插孔。
自帶充電線纜的長度約為1.8米。
整個電源的凈重約為538g。
二、英偉達300W電源適配器拆解
使用切割機將整個電源的外殼切開,取出內部電源模塊。電源模塊外圍包裹了一層石墨散熱層,并與外殼之間還設有大面積的鋁板散熱片。
兩塊散熱鋁板將電源模塊覆蓋,輸出端面還增加了純銅散熱片。
與常見的電源配件不同的是,這套電源方案的輸入線纜與輸出線纜在均設在同一個角落,中間設有絕緣隔離板,輸入端是三根線芯,輸出端則有六根線芯。
輸出端線束上還套有一個磁環。
整個電源模塊外形也很方正,外部覆蓋了石墨散熱層。
電源模塊長度約為84.5mm。
寬度同樣為84.5mm。
厚度約為20.6mm。
將包裹在電源模塊外圍的散熱層拆下。可見石墨散熱層并不是直接覆蓋在電源模塊上,而是貼在絕緣麥拉片外側,由絕緣板對電源模塊實現全面包裹。
電源模塊正面非常密集的布局了電容、電感、變壓器等元器件,并在各個元器件的間隙注滿了白色硅膠,起到固定和導熱的作用。
電源模塊的背面是貼片元器件,并貼有一塊導熱墊,增強導熱效果。
清除覆蓋在正面的硅膠,基本可見到各個器件的規格。同時,整個電源板的正面還使用了多塊小PCB板的設計,增加空間利用率。
PCB板背面主要是控制電路。經過充電頭網的觀察分析發現,這套電源方案采用的是PFC+LLC的高性能電源架構。
先來看輸入端,設有延時保險絲、兩級共模電感、安規X電容等器件。同時還有兩塊小PCB板,均配有散熱片。
延時保險絲規格為250V 6.3A。
共模電感特寫。
另外一顆共模電感。
安規X2電容。
PCB板背面設有一顆X電容放電芯片,恩智浦TEA1708T,自動實現X電容放電,并具有低功率損耗。
在共模電感后面設有一塊小PCB板。
拆下PCB板,電路板為主動整流橋A板,上面是兩顆英飛凌的MOS管,型號IPT60R022S7,NMOS,TOLL封裝,耐壓600V,導阻22mΩ,CoolMOS S7系列。
小PCB板另一面設有一顆芯片和兩顆MOS。
這顆芯片來自MPS,型號MP6924。這是一顆雙路同步整流控制器,用于控制主動整流。
另外兩顆MOS管同樣來自英飛凌,型號為IPN60R600P7S,NMOS,耐壓650V,導阻為600mΩ,SOT223封裝。
這里還有一塊小PCB板,是主動整流橋B板。
拆下這塊PCB板,上面一個面是英飛凌的MOS管和一顆英飛凌的驅動器。
另外一面同樣是一顆英飛凌的MOS和一顆英飛凌的驅動器。
兩顆英飛凌的驅動器同型號,均為1EDI60I12AF,單通道隔離驅動器,隔離電壓1200V,支持10A峰值驅動電流輸出。
另一顆英飛凌控制器特寫。
兩顆MOS管也同型號,均為英飛凌IPT60R022S7。
左側角落設有兩顆薄膜電容和一個電感,用于濾波。右側是交錯PFC升壓電感。
濾波電感特寫。
兩顆薄膜濾波電容特寫。
拆下兩顆薄膜電容和電感組件后,可在主PCB板上看到一顆來自DIODES的整流橋,用于初級輔助供電。
PFC升壓電感特寫,內部實際為兩顆電感加檢測線圈的組合。
PFC升壓電感背面就是PFC升壓控制器,來自安森美的NCP1632,該芯片集成了雙MOSFET驅動器,用于兩相交錯式PFC應用。
PFC控制器旁邊的兩顆碳化硅二極管型號相同,均為瑞能NXPSC04650D,TO252封裝,耐壓650V,額定電流4A。
PFC控制器和兩顆升壓MOS管之間設有一顆二極管,用于啟動時的保護。
LLC控制器采用安森美的NCP13992,這是一款用于半橋諧振轉換器的高性能電流模式控制器。此控制器內置600V門極驅動器,簡化布局,減少了外部部件數量。在需要PFC前級的應用中,NCP13992可輸出驅動信號控制PFC控制器。
橫跨在PCB板初級和次級之間的光耦,用于輸出電壓反饋。
美信 MAX31826單線數字溫度傳感器,用于檢測電源溫度并通過電源線中信號線送至電腦,根據電源溫度控制功率,防止電源過熱。
貼片Y電容。
電源模塊居中是一顆來自豐賓的電解電容,橫向放置,節省空間,規格420V 150μF。
充電頭網了解到,豐賓電容還被華為、綠聯、ANKER、小米、vivo、惠普等知名品牌的百余款快充產品采用。
在大電容和變壓器之間還設有兩顆小電容,用于主控芯片供電;其中一顆為豐賓35V 220μF。
另外一顆為豐賓35V 47μF。
側面是一塊集成功率器件的PCB板,外側焊有金屬散熱塊。
拆下小PCB板,內側是四顆氮化鎵功率器件,兩顆用于PFC升壓,兩顆用于LLC半橋。
PCB板外側三塊金屬散熱塊。
交錯式PFC升壓電路采用納微半導體GaNFast功率芯片,型號NV6127,采用QFN6*8mm封裝,散熱性能升級,125mΩ導阻,內置驅動器支持10-30V供電。最高支持2MHz開關頻率。
LLC級兩顆氮化鎵同樣為納微NV6127功率芯片。
充電頭網拆解了解到,采用納微NV6127氮化鎵芯片的產品還有聯想90W閃充雙口氮化鎵充電器、倍思120W氮化鎵+碳化硅PD快充充電器等。此外,納微GaNFast功率芯片此前已被OPPO 50W餅干氮化鎵快充、RAVPOWER 65W 1A1C氮化鎵快充、小米65W氮化鎵充電器、SlimQ 65W氮化鎵快充、Anker PowerCore Fusion PD超極充、RAVPower 45W GaN PD充電器、倍思65W氮化鎵充電器等產品采用,獲得市場高度認可。
納微NV6127功率芯片詳細規格資料。
LLC諧振電感特寫,采用利茲線繞制。
LLC變壓器特寫。
在主變壓器旁邊設有一塊小PCB板,外側貼有一大塊散熱金屬塊。
拆下這塊PCB板,該PCB板為次級同步整流模塊。
PCB板上設有兩顆同步整流芯片以及兩顆同步整流MOS管。
同步整流器為安森美NCP43080D,支持CCM、DCM、準諧振反激,正激和LLC應用。
另外一側也是同樣的電路。
同步整流MOS管采用的是英飛凌BSC093N15NS5,NMOS,150V耐壓,9.3mΩ導阻。
另外一顆同步整流MOS管同型號。
同步整流輸出濾波采用了兩顆電解電容。其中一顆為CapXon豐賓的電解電容,規格為63V 390μF。
另外一顆電解電容來自KoShin東佳電子,規格為63V 220μF。
充電頭網拆解總結
英偉達300W電源適配器基于PFC+LLC電源架構開發,不過在PFC升壓部分采用了全新的方案。整流橋采用英飛凌MOS管配合驅動器,由MPS MP6924控制進行主動橋式整流,代替傳統的整流橋降低損耗,提高效率。
安森美NCP1632進行兩相交錯式PFC升壓,兩路PFC開關管選用納微氮化鎵功率芯片,并使用兩顆瑞能碳化硅二極管整流。大功率應用中使用兩相的PFC可大幅減小峰值電流,減小元器件體積。
LLC控制器為安森美NCP13992,開關管同為納微NV6127。同步整流控制器采用兩路獨立的NCP43080驅動英飛凌MOS管。并且內置美信MAX31826用于電源內部溫度檢測并上傳報告至電腦,電腦根據電源報告的溫度動態調節輸入功率。
電源內部采用多塊小板焊接,充分利用PCB面積,內部元件緊湊,堪稱極致高功率密度電源設計典范。