電源不知道的事：電源PCB設計的進化歷程

1946年第一台通用電腦在美國誕生，它的佔地面積高達170平方米，而如今我們的主機甚至可以做到像一個隨身碟這麽小。作為主機的一部分，PC電源也在不停的進化。今天，我就來簡要說說關於PC電源內部電路設計的主要進化路線。

重溫電源PCB結構

在聊PCB演化歷程之前，首先我們來溫習一下電源的PCB結構。

▍EMI濾波

EMI濾波系統在電源中的作用是過濾掉市電中的雜質，使輸入電流更加純淨不會干擾硬體工作。一般來說，一個價格正常的電源都會有一、二級EMI濾波。有些電源會把一級EMI濾波做在輸入電源線腳上，而上圖的電源則將其做在PCB板上。

▍　整流橋

電流經過濾波後進入PFC，首先通過整流橋，整流橋將交流電轉換成直流電。一般來說，整流橋在工作時都會有不少發熱量，設計優秀的電源會將整流橋鎖在散熱片上，像愛國者電競500把兩塊整流橋直接設計在PCB板上是不合理的。

▍PFC

從整流橋出來的電流進入PFC，PFC是Power Factor Correction的簡稱，翻譯過來就是功率因素校正。交流電成波浪狀，採用PFC的電源可利用不僅是波峰和谷峰附近的電能，提高利用率。

▍主電容

主電容（PFC電容）在電源中的作用：一是濾波，二是貯存電量保證突然斷電時有一定的電量支持電腦硬體作出反應。

▍變壓系統

接下來是變壓系統，一般分為大小變壓器，將市電降壓到適合主機使用。圖中較大的便是主變壓器。

▍整流、穩壓、濾波

整流管鎖在金屬片上

變壓器出來的電流會由經過一次整流變成直流電，然後進行穩壓濾波後才能輸出到電腦的各個硬體上。

電源PCB各結構的演化

複習完電源PCB的大致結構，接下來就是今天的主題。這次我主要說說電源PCB上的PFC、變壓系統、整流、穩壓系統的演變。

▍PFC的變化

在很久很久以前，PC電源並沒有PFC結構，市電輸入後經過二極管整流電容濾波，只能利用到波浪狀交流電的波谷和峰谷附近的能量，在一個周期的其他時間都不會有電流輸入，利用率相當低。而電源沒用到的電能並不會計入電費中，因此我們並不會造成任何浪費。相反則是國家供電網會浪費電能。我國PC的3C認證是電源必須有PFC結構。

電容左側的被動式PFC

PFC分為主動式PFC和被動式PFC。被動式PFC就是一個體積較大的電感線圈，它的功率校正因素最高也只能去到0.8，而且輸入電壓範圍不能太寬。不過這種結構勝在成本低，在很多低端電源上能見到它的蹤跡。

電感線圈左右有控制IC和電容

為了提高利用率、擴大輸入電壓範圍，很多電源都捨棄被動式PFC改為採用主動式PFC。主動式PFC由電感線圈，濾波電容、開關管以及控制IC等元器件組成。它的功率校正因素可以輕鬆達到99%以上，輸入電壓範圍也可達到90-240V，但成本也相應提高不少。從被動式PFC進化成主動式PFC，電源的減少浪費電能，確實是好事。

淘寶知名品牌“爵柏”的水泥PFC

然而有些黑心商家出售的電源居然用“水泥PFC”，這種假PFC裡面只有一塊水泥。這種電源使用起來是相當危險的，大家在購買電源時注意要優先選擇採用主動式PFC的電源，如果想購買低功率電源可以適當買被動式PFC的電源。

▍變壓結構的變化

說到變壓結構就要談到一件事：之前氣味大師的一篇文章中，有位網友誤將LLC認作老式半橋，並大言不慚指責我，更可笑的是居然還有不少網友點讚認同。當然這也不怪他，這兩種結構粗略一看十分相似，希望大家看完這篇文章後能分清它們的不同，不要再鬧出這種笑話了。

一大兩小變壓器與LLC結構類似

先說說老式半橋，它的結構十分明顯，變壓系統裡有一大兩小三個變壓器。由於這是一種年代久遠的電源結構，因此它的轉換效率並不高，最頂尖也不到80%。但是它的成本相當低，一般會出現在低價低功率的電源上。這種結構一般會搭配被動式PFC，使成本降到最低，不過現在已經很少有這種結構的電源了。（年代過於久遠，找不到清晰的素材）

位於正中間的大小變壓器

在二十一世紀初開始興起另一種變壓結構：正激結構。以開關管數量不同分別有單管正激和雙管正激結構。這種結構的最大特點是變壓系統中有一大一小兩個變壓器。雙管正激結構的開關管更多，性能比單管正激結構強不少，因此現在已經很少有單管正激結構的電源了。相較老式半橋，正激結構的電源轉換率能大大提高，能達到銀牌標準，但卻很難達到金牌標準以上。

這裡就要引出一種拓展版結構：有源鉗位正激結構，它是由全漢創造出來的一種結構。它能把電源轉換率可以做到金牌標準以上，不過用料不足會導致輸出紋波過大，因此相應成本也提高不少。由於這種結構普及率較低，我就不多介紹了。

近幾年興起一種名為LLC的新型結構，上文提到這種結構與老式半橋類似，都是有一大兩小三個變壓器。其實這裡有個很簡單的區分方法，老式半橋電源轉換率極低，而LLC電源的轉換率能輕鬆達到金牌標準。我們只需要通過電源轉換率即可分辨兩種不同結構。LLC又分為LLC半橋和LLC全橋。一般來說這種結構的電源轉換率能做到白金標準，相較於雙管正激結構，它的成本較低，動態性能較弱，可以通過無腦堆料增加電容的方式彌補缺陷，是目前最流行的電源結構。不過在400W以下的電源，LLC結構的表現卻遜色於雙管正激。

與LLC半橋相比，LLC全橋的工藝更加複雜，但是在功率和轉換率上又有所提升，相應地成本也會提高。我們能在高功率的白金標準電源上看到這種結構。

▍整流管的進化

接下來說說整流管的變化，其實整流管變化不多。以前的電源大多採用多枚肖特基管進行整流，而現在越來越多廠商採用MOS管代替肖特基管進行同步整流。採用MOS管可以進一步提高電源轉換率，金牌標準以上的電源基本都能看到這個設計。

▍穩壓輸出結構也有優化

最後要說一下穩壓輸出部分。我們常見的電源會採用單路磁放大，雙路磁放大或者DC-DC結構。這種結構會影響+12V、+5V和+3.3V的輸出的電壓偏移。DC-DC的控制性能最強，其次是雙路磁放大，最差的結構則是單路磁放大。這些不同結構之間的區別也是相當好辨認的。

單路磁放大，將+3.3V單獨分出一路輸出，它的特徵是主變壓器附近會有一個小線圈。而+12V和+5V由PWM芯片控制。因此+12V高負載時會對+5V輸出電壓造成很大影響。而在穩流結構的位置會有兩個線圈分別給+12V和+5V進行穩流。

雙路磁放大，將+5V和+3.3V獨立出來，這種結構的特點是在主變壓器附近會有兩個小線圈，穩流結構的位置會有3個大線圈對應+12V、+5V和+3.3V。因為+5V和+3.3V獨立出來，+12V高負載時對其他兩路輸出電壓的影響會有所減少。這是一種從單路磁放大進化而來的結構，解決了單路磁放大使用上出現的部分缺陷。

雖然雙路磁放大結構可以控制+12V對+5V和+3.3V的電壓影響，但並不能完全解決問題。因此一種新型的穩流結構面世：DC-DC結構。簡單來說，這種結構是從+12V取電直接降壓成+5V和+3.3V然後輸出，因此+12V的額定功率可以無限制地做大。這種結構是最容易辨別的，在穩流結構的位置上會有一塊垂直的PCB，上面帶有兩個線圈。

甚至我們不需要拆開電源內部就能分別一個電源是不是DC-DC結構。我們可以觀察電源的銘牌，如果電源的+12V最大功率是十分接近電源額定功率，則這個電源是採用DC-DC結構。DC-DC也在逐漸代替雙路磁放大成為高瓦數電源的標配設計。

尾聲

隨著時間推移，電源的結構設計在不斷發生變化。從很久以前的老式半橋變成正激結構再到現在的LLC結構，甚至還有有源鉗位或移相全橋等結構，都在往高轉換率方向發展。而穩壓結構則是從單路磁放大到雙路磁放大再到現在流行的DC-DC結構，以更穩定的電壓輸出為目標進化。有不少網友會說：“我很久以前買的一個電源到現在都能用”，“便宜的電源不也是用的好好的”。其實當你的電腦功率不高時，配置再差的電源也能勉強支持電腦運作。不過便宜的電源對電腦供電會造成不少影響。

目前大部分電源都至少採用雙管正激結構，而轉換率高的電源則會採用LLC結構，當然我們要注意採用LLC半橋的電源的價格不能太便宜，因為這種結構的電源必須通過一定數量和品質的電容才能支撐起性能。穩壓結構則關係到電源輸出到電腦的電壓穩定性。在選購400W以下的電源時，我們可以適當購買單路磁放大結構的電源。不過最好還是購買雙路磁放大 或DC-DC結構的電源。值得高興的是，很多新設計的金牌電源都會採用LLC加DC-DC這種比較先進的結構。相信看完這篇文章，大家對電源結構及發展又有更進一步的了解。