[閒聊] 認識電腦交換式電源供應器-半橋諧振篇

狼窩2.0無廣告好讀版： https://wolflsi.blogspot.com/2023/11/knowpsu.html 狼窩1.0好讀版： https://wolflsi.pixnet.net/blog/post/70969330 認識電腦交換式電源供應器-半橋諧振篇 目前諧振結構廣泛使用於高效率電腦交換式電源供應器中，其方塊圖如下： https://i.imgur.com/4vEWZRt.jpg 交流輸入EMI濾波電路後進入整流APFC(主動功率因數修正)電路，調整交流輸入電流波形 ，降低波形失真及提升功率因數，轉換成較高的直流電壓，送入一次側MOSFET與諧振槽轉 換成高頻正弦波，經主變壓器降壓，二次側同步整流MOSFET輸出12V電壓，一部分12V電壓 輸入DC-DC(直流對直流)轉換電路輸出3.3V及5V(部分電源-12V也由12V轉換)。接上交流輸 入後，輔助電源電路便持續供應5V待命電源(5VSB，5V Standby)，待電源管理電路的 PS-ON信號準位被拉低後，就會啟動電源供應器輸出其他電壓，等待所有輸出電壓都準備 好，電源管理電路會發出Power Good信號通知主機板開始進行自我測試程序(POST， Power On Self Test)。PS-ON信號回復高準位後，電源供應器停止運作關閉其他電壓，僅 持續供應5V待命電源 ▼以下是一款通過80PLUS金牌認證，半橋諧振電源供應器的內部結構，主電路板上可區分 為EMI濾波電路(紅色框)、整流/APFC電路(黃色框)、輔助電源電路(綠色框)、功率級一次 側半橋諧振轉換電路(水藍色框)、功率級二次側12V同步整流電路(紫色框)、3.3V/5V DC-DC電路(藍色框)、電源管理電路(背面) https://i.imgur.com/AOywxAg.jpg ▼通電時，EMI濾波電路的X電容會儲存電能，為了避免X電容儲存的電能於拔除插頭後讓 碰觸到的人出現感電/觸電，以往會在X電容上並接放電電阻於斷電後釋放電能，但接通電 源時並接的放電電阻會造成微小功耗損失，所以高效率電源開始採用X電容放電IC，電源 持續輸入下會斷開放電電阻，電源輸入中斷時會接通放電電阻，可避免放電電阻造成微小 交流功耗。此電源於交流輸入端配置X電容放電IC，可以在電源輸入中斷時釋放EMI濾波電 路X電容的殘存電能 https://i.imgur.com/eOob4Ql.jpg ▼EMI濾波電路，避免配電系統的雜訊干擾從電源線傳進電源供應器，也可避免電源供應 器產生的雜訊經電源線傳到配電系統內，允許50/60Hz交流通過，阻擋及抑制共模/差模雜 訊。共模電感可抑制共模雜訊，跨接於L-N之間的X電容可抑制差模雜訊，跨接L-G及N-G之 間的Y電容可抑制共模雜訊。若L-N上的突波/尖波超過突波吸收器崩潰電壓時，突波吸收 器會呈現低阻抗，阻止突波/尖波進入，外面包覆套管可確保在本體被大能量突波/尖波破 壞前有足夠的低阻抗時間讓輸入保險絲熔斷。保險絲作為交流輸入保護，當電流劇烈增加 時會熔斷保險絲中斷交流電源輸入 https://i.imgur.com/sdfG13t.jpg ▼橋式整流器，將經過EMI濾波電路的交流電進行整流並送入APFC電路，大部分會使用耐 壓600V的款式(有些會用到耐壓800V的)。標準整流器在內部二極體順向導通時會產生壓降 ，當流過的電流越大，損失及產生的廢熱越多，所以會把橋式整流器安裝在散熱片上協助 散熱，也會採用2個甚至更多橋式整流器並聯使用分擔廢熱功率(不過總損失仍維持不變) 。部分電源採用低順向壓降(Low VF)的橋式整流器，可減少損失及廢熱，有助於提高效率 。有些轉換效率達鈦金等級的電源還用上主動整流器，使用低導通電阻(Low RDS-ON)MOSFET取代二極體，進一步降低整流造成的損失 https://i.imgur.com/QcN2Nbb.jpg ▼環狀磁芯APFC電感，線圈繞在環狀磁芯外圍，用來儲存及釋放能量，另外還有線圈在磁 芯結構內部的封閉磁芯APFC電感。平滑電容跨接在橋式整流器的正負極兩端，可平滑交流 整流後輸出脈動。檢流電阻使用3個低阻值繞線電阻並聯，用來偵測一次側電流並提供給 APFC電路控制器作為修正的參考 https://i.imgur.com/swPUk8K.jpg ▼APFC電容預先充電用NTC(負溫度係數熱敏電阻，溫度越高，其電阻越低)及二極體， APFC電容內部無電狀態下，接通交流電源瞬間及APFC電路開始運作時會產生很大的湧浪電 流，增加橋式整流器及APFC功率元件的負擔。搭配預先充電電路時，在接通交流電源時會 經由NTC及二極體對APFC電容進行預先充電的動作，由NTC本身的電阻去抑制湧浪電流，電 源啟動APFC電路開始運作後，APFC電容電壓提升，二極體會因電容電壓高於橋式整流器輸 出電壓而轉為逆向偏壓並截止。目前高效率電源中，NTC會串聯在一次側電路，當電源供 應器啟動後，會使用繼電器直接短路NTC(這時會聽到電源發出喀的聲音)，避免電流流過 NTC造成轉換效率損失 https://i.imgur.com/yUU99VQ.jpg ▼APFC電路簡圖，由APFC電感、APFC MOSFET、APFC二極體、APFC電容組成，透過控制 APFC MOSFET導通時間，可以改變APFC電感儲存能量，APFC MOSFET截止時，儲存在APFC電 感的能量可經由APFC二極體釋放並儲存在APFC電容內，提升輸出直流電壓。當交流輸入整 流後電壓與APFC輸出電壓差距大時，APFC電路損失較大，交流輸入電壓提高後，整流後電 壓與APFC輸出電壓差距小時，APFC電路損失較小。換句話說，電源供應器使用220V輸入時 ，在APFC電路的損失會比使用110V輸入時要小，可提高整體轉換效率。APFC MOSFET導通 電阻及切換速度、APFC二極體反向恢復時間會影響APFC電路的效率，高效率電源會使用低 導通電阻的高切換速度MOSFET及碳化矽SBD(SiC Schottky Barrier Diode)二極體降低損 失。如下圖所示使用多個相同規格的APFC MOSFET並聯使用也可降低導通電阻，同時把功 率傳遞及熱量分散於多個MOSFET上減低元件承受壓力。另外還有交錯式(Interleaved)、 無橋(Bridgeless)PFC電路及目前開始在高功率電腦電源使用的氮化鎵(GaN)功率元件，也 可減少APFC電路損失並提高轉換效率 https://i.imgur.com/z0uWdeH.jpg ▼功率級一次側半橋諧振轉換電路簡圖，由控制器、隔離驅動變壓器、一次側MOSFET、諧 振電感、諧振電容、主變壓器一次側繞組所組成。半橋諧振就是透過PFM(脈波頻率調變) 控制以半橋結構組成的2個一次側MOSFET，將APFC輸出直流轉換成高頻方波，高頻方波輸 入諧振電感、諧振電容及主變壓器一次側繞組磁化電感後轉換成高頻正弦波。透過諧振特 性可讓一次側MOSFET運作於零電壓切換(ZVS，Zero Voltage Switching，於電壓接近零時 進行切換)及零電流切換(ZCS，Zero Current Switching，於電流接近零時進行切換)， ZVS/ZCS屬於軟切換(Soft Switching)，比起傳統硬切換(Hard Switching)能減少MOSFET 切換損失並進一步提高切換頻率，提高切換頻率後可以縮小主變壓器體積。配置諧振電感 、諧振電容、主變壓器一次側繞組磁化電感時，需考慮到切換頻率及輸出負載，以確保在 負載變動範圍內能以最高效率運作，是諧振電源設計中最關鍵的地方。當控制器整合一次 側諧振控制及二次側同步整流控制時，因為一次側與二次側必須維持隔離，所以使用隔離 驅動變壓器驅動一次側MOSFET。若要進一步改善效率，常見的做法是將隔離驅動變壓器改 成隔離驅動IC，並更換低導通電阻的高切換速度MOSFET，可減少損失並提高轉換效率 https://i.imgur.com/ggm3RMc.jpg ▼主電路板正面的APFC電路和功率級一次側半橋諧振轉換電路，橋式整流器負極經過3個 檢流電阻後為一次側負極，接往2個APFC MOSFET的S極、APFC電容負極、其中1個一次側 MOSFET的S極 https://i.imgur.com/VWi1XL1.jpg ▼主電路板背面的APFC電路和功率級一次側半橋諧振轉換電路，APFC電感一端接橋式整流 器正極，另一端接至2個APFC MOSFET的D極與APFC二極體A極，APFC二極體K極接至APFC電 容正極與其中1個一次側MOSFET的D極，2個一次側MOSFET之間D極和S極相接後接到由諧振 電感、諧振電容及主變壓器一次側繞組串聯組成的諧振槽 https://i.imgur.com/dzEjZg5.jpg ▼固定在散熱片上的2個APFC MOSFET與APFC二極體，因為採用非絕緣封裝(上方鎖螺絲金 屬部分與其中1腳相通)，鎖在散熱片時要使用絕緣墊片(螺絲白色圓柱物體)與絕緣導熱墊 (後方灰色方形墊片)，因為要承受較高的一次側電壓，若發生絕緣材料品質不良或灰塵/ 異物/濕氣入侵，造成一次側短路，會產生明顯聲響及火光，也會燒毀保險絲及附近元件 https://i.imgur.com/FF4fBPu.jpg ▼散熱片另一面有2個一次側MOSFET，採用整個元件被環氧樹脂包覆的全絕緣封裝，所以 直接塗散熱膏後鎖在散熱片上，不需要絕緣墊片與絕緣導熱墊，大幅降低灰塵/異物/濕氣 入侵導致功率元件與散熱片之間短路的機會，不過因為整個元件被包覆，半導體接面到外 殼的熱阻增大，元件可承受的發散功率(Power Dissipation)減小。以同型號MOSFET來說 ，非絕緣封裝版本的發散功率會明顯大於全絕緣封裝版本 https://i.imgur.com/TQ5iHgX.jpg ▼APFC電路控制子卡，紅色框為APFC控制器CM6502SUNX，黃色框為節能控制切換開關 SPN5003。早期的APFC控制器在電源啟動後就會維持固定輸出，後期部分高效率機種會搭 配節能控制切換開關，透過切換取樣電阻配置更改APFC輸出電壓，於空載和極輕載下降低 APFC輸出電壓達成節能效果 https://i.imgur.com/lzwYtGo.jpg ▼APFC電容容值與輸出功率呈現正相關，輸出功率越大，所需容值越高，不過仍要看電路 設計及最佳化程度決定實際搭配數值，APFC電容容值也會對湧浪電流及斷電維持時間造成 影響。依照目前電源空間配置，需要增大容值時會使用2個甚至更多個電容並聯，電容並 聯也可分擔漣波電流及降低等效串聯電阻(ESR，Equivalent Series Resistance)。考量 APFC輸出電壓，為了增大安全容許範圍，部分電源會使用420V及450V電容取代較常使用的 400V電容 https://i.imgur.com/rf8JEQU.jpg ▼因為一次側與二次側需要維持隔離，一次側的APFC控制器與二次側的諧振及同步整流控 制器使用光耦合器傳遞信號 https://i.imgur.com/LfphFuH.jpg ▼輔助電源電路，接通交流電源後便開始運作輸出5V待命電源，因為輸出功率不大(20W以 內)，使用了結合控制與功率MOSFET於單一元件的整合式電源IC，其主要元件組成有輸入 保護電阻(A)、TVS(B)、整合式電源IC(C)、輔助電源電路變壓器(D)、整流SBD二極體(E) 、輸出電容(F)、輸出電感(G)、光耦合器。目前電源追求更高整體轉換效率下，輔助電源 電路也開始高效率化，使用效率更好的一次側電源轉換電路(例如以QR準諧振返馳式取代 傳統返馳式)及二次側使用同步整流取代SBD二極體，並在電源啟動後將5V待命電源轉由5V 供應，使其消耗電能最小化 https://i.imgur.com/iznrCMX.jpg ▼電路板正面的諧振電感、諧振電容、主變壓器及隔離驅動變壓器 https://i.imgur.com/Fy2pVel.jpg ▼諧振電感分為外置(外部獨立設置電感)與內置(由主變壓器漏感充當諧振電感)，外置諧 振電感較占空間，但較容易更改諧振槽設計，量產時也較容易準確控制電感值。使用變壓 器漏感充當諧振電感雖可減去諧振電感佔用空間，提高空間使用率和功率密度，但量產時 需要嚴格控制主變壓器製作品質以確保漏感量維持固定值，避免大幅變動影響諧振運作。 諧振電容因為在高頻及高電流運作，要求低損耗因數(DF，Dissipation Factor)，並依照 交換頻率選擇適當的容值及耐壓(電容的耐壓在高頻下會降低，需要使用耐壓更高的電容) 。隔離驅動變壓器讓控制器可以控制及驅動一次側MOSFET，同時維持一次側與二次側之間 隔離狀態 https://i.imgur.com/bO1CSus.jpg ▼因為主變壓器會參與諧振運作(一次側繞組磁化電感)，在諧振電源設計中也是關鍵環節 之一，除了降低損失及提高功率密度/切換頻率外，也要滿足連續滿額負載輸出需求並保 留足夠的餘裕對應短時間的超載運作 https://i.imgur.com/asudvT4.jpg ▼功率級二次側12V同步整流電路簡圖，主變壓器二次側12V繞組中心抽頭部分接至12V輸 出正極，2個繞組的另一端分別接至2個同步整流MOSFET，分別於正負半週進行整流。同步 整流MOSFET會選用低導通電阻及低總閘極電荷(Qg)的型號，降低傳導損失外同時能快速 ON/OFF切換，本身封裝也要能承受電流和熱量。實際配置上會使用多個MOSFET並聯組合， 除了進一步降低傳導損失及提升電流容量外，也可分擔功率及熱量，減輕元件壓力。諧振 轉換電路的二次側輸出不需要儲能電感，這裡的輸出電感只提供濾波使用(有些電源會將 其省略)，輸出電容採用多個電容並聯組合，滿足輸出漣波電流要求及降低等效串聯電阻 (ESR，Equivalent Series Resistance) https://i.imgur.com/rj2JNsM.jpg ▼主變壓器二次側2個12V繞組及中心抽頭，因為12V輸出電流大，使用了銅片及多股絞繞 漆包線 https://i.imgur.com/ShSlYAc.jpg ▼主變壓器二次側2個-12V繞組及中心抽頭，因為輸出電流不高，只使用較細的繞組 https://i.imgur.com/qIzfnTt.jpg ▼功率級二次側12V同步整流電路的4個MOSFET因為採用非絕緣封裝(上方鎖螺絲金屬部分 與D極相通)，鎖在散熱片時也要使用絕緣墊片與絕緣導熱墊避免和散熱片短路。目前電源 逐漸將二次側同步整流MOSFET更換成表面黏著封裝，直接裝在主電路板或是和主變壓器二 次側繞組相連的子卡上，能縮短電流傳導路徑，占用更少的空間，其熱量直接透過焊點傳 導至電路板及散熱片，部分電源還會用導熱墊片將熱量傳導至外殼協助散熱 https://i.imgur.com/g7WVrAr.jpg ▼功率級二次側12V同步整流電路背面，2個MOSFET並聯組合以提高電流承載能力並降低導 通電阻，減少導通損失。左下水藍色框為風扇溫控電路熱敏電阻，偵測該位置溫度作為風 扇轉速變化參考。左下黃色框為-12V全波整流電路，因為輸出電流要求不高，只使用一般 的SBD二極體進行整流。右上紅色框的分流器用來偵測12V輸出電流並提供給電源管理電路 ，超過OCP(過電流保護)門檻值就會關閉電源運作停止輸出 https://i.imgur.com/ufLdn9X.jpg ▼功率級二次側12V同步整流電路輸出端的固態電容(A)、電感(B)、電解電容(C)，採用多 顆電容並聯組合滿足輸出漣波電流要求及降低等效串聯電阻(ESR，Equivalent Series Resistance)，新款高效率電源逐漸增加固態電容使用數量以獲得更高的漣波電流及更低 的等效串聯電阻。小型電感只提供輸出濾波使用，不扮演儲能角色 https://i.imgur.com/xwGwfkb.jpg ▼3.3V/5V DC-DC電路簡圖，以往電源供應器的12V/5V/3.3V都由主變壓器二次側繞組經磁 放大電路或電壓調整電路輸出，除了無法有效提升轉換效率外，還有交叉負載調整率 (Cross load Regulation)不佳的問題，當負載不平衡(一路重負載，一路輕負載)時會互 相影響彼此的輸出電壓，這種結構也會影響12V最大可用功率。目前電腦CPU/GPU以12V用 電為主，3.3V/5V用電量降低，所以電源供應器改採功率級轉換輸出12V，再由DC-DC電路 從12V轉換輸出3.3V/5V(部分款式包含-12V)，為了提高整體效率，DC-DC採用交換式同步 降壓電路(Switched Mode Synchronous Step-down/Buck Converter)。具備輸入電感、輸 入電容、2個MOSFET、輸出電感、輸出電容，這2個MOSFET分成High Side及Low Side，其 ON/OFF控制採同步動作且不會出現同時ON的狀況，High Side連接至輸入電源側，開啟時 電流由輸入經輸出電感至輸出同時對輸出電感儲能，Low Side開啟時釋放輸出電感儲能至 輸出側，透過PWM更改任務週期(Duty Cycle)的方式控制High Side及Low Side的導通時間 ，可控制輸出電壓及隨負載狀態維持輸出電壓。輸出電感及輸出電容則扮演儲存/釋放能 量及平滑穩定電壓的功能，兩者要妥善搭配方可獲得最佳輸出特性。使用低直流電阻 (DCR)電感、高切換速度及低導通電阻MOSFET、提高切換頻率可提升DC-DC電路的轉換效率 及性能 https://i.imgur.com/HjS7kLO.jpg ▼3.3V/5V DC-DC電路的輸入電感(A)、輸入固態電容(B)、輸出電感(C)、輸出電解電容 (D)、輸出固態電容(E) https://i.imgur.com/BjU2cXc.jpg ▼主電路板背面的3.3V/5V DC-DC電路功率級，4個MOSFET組成2組DC-DC功率級，每組 DC-DC功率級中High Side MOSFET的D極經輸入電感/輸入電容連接12V輸入，High Side MOSFET的S極與Low Side MOSFET的D極相接並連接到輸出電感/輸出電容3.3V(5V)輸出， Low Side MOSFET的S極連接二次側負極 https://i.imgur.com/K9XDlEI.jpg ▼主電路板背面，紅色框是一次側諧振及二次側同步整流控制器CM6901T6X，紫色框是 3.3V/5V DC-DC電路的雙通道交換式同步降壓控制器APW7159，黃色框是3.3V/5V DC-DC電 路的功率級(2組共4個MOSFET)，水藍色框是電源管理IC，負責監控輸出電壓/電流、接受 PS-ON控制及產生Power Good信號 https://i.imgur.com/4UyKbsT.jpg ▼風扇控制電路，為了降低運作噪音，於電源供應器內部溫度較低時調低風扇轉速，此款 電源使用安裝在主變壓器背面的熱敏電阻偵測溫度，經由運算放大器(紅色框)電路及串聯 在風扇電源電路的電晶體(黃色框)控制風扇電壓來調整風扇轉速。目前電源逐漸採用專用 風扇控制IC或是小型微控制器，參考電源目前溫度/負荷狀態並對風扇轉速進行更細膩的 控制，部分款式電源於低溫度/負荷時停止風扇運轉，待溫度/負荷上升後才會啟動風扇運 轉，並分成無切換開關及有切換開關兩大類型，有切換開關的可讓使用者自行選擇運作模 式，使用彈性較佳 https://i.imgur.com/lyewkfY.jpg 總結： 諧振轉換電源已經廣泛使用一段時間，其結構相當成熟，方案選擇多元，通過高轉換效率 認證已是輕而易舉，然而目前高階電腦配備的12V用電需求量大，電源供應器除了要提供 足夠的12V輸出外，也要在大範圍變動的負載區間內維持高轉換效率，而且新款電腦配備 帶來新的挑戰(瞬時功耗需求)，在ATX3.0規範下，電源需要滿足新制定的需求，才不會被 淘汰。後續開始導入新款功率元件及全數位化控制後，電源供應器會繼續往提高轉換效率 及功率密度方向前進 報告完畢，謝謝收看 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 39.12.73.56 (臺灣) ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/PC_Shopping/M.1701058259.A.55E.html