PC電源里都有哪些電容嗎?
發(fā)布時(shí)間:2020-10-27 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】什么是PC電源?它有什么電容?在兩個(gè)非??拷鼘?dǎo)體中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì),這就是電容的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)電容的兩個(gè)導(dǎo)體之間賦予電壓后,電容就會(huì)儲(chǔ)存電荷,這就是“電容”這個(gè)名字的來歷。
什么是PC電源?它有什么電容?在兩個(gè)非常靠近導(dǎo)體中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì),這就是電容的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)電容的兩個(gè)導(dǎo)體之間賦予電壓后,電容就會(huì)儲(chǔ)存電荷,這就是“電容”這個(gè)名字的來歷。此外電容其不僅能夠存儲(chǔ)電荷,同時(shí)也能釋放電荷,而且還有“隔斷直流電、導(dǎo)通交流電”的特性,因此利用這些特性,電容能誕生出了很多種不同的用法,例如儲(chǔ)能、濾波、耦合、去耦等等,如果要詳細(xì)說的話,那基本上就是一本教科書的量,所以電容對(duì)于絕大多數(shù)的電器產(chǎn)品來說都是不可或缺的存在。
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(gè)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(duì)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。
PC電源里有些什么電容?
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(tài)電容,體積小一點(diǎn)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(duì)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(jù)使用環(huán)境而定義為不同的電容,例如安規(guī)電容、儲(chǔ)能電容和濾波電容等等。
另外在LLC諧振拓?fù)渲?,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(dú)拿出來討論,因?yàn)樗荓LC諧振電路的一個(gè)組成部分。我們這次主要討論的是能在電路中單獨(dú)起作用的電容,主要是安規(guī)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
安規(guī)電容:為安全而配置
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(duì)電源的性能也有著相對(duì)明顯的影響。但實(shí)際上市電進(jìn)入電源后,首先要進(jìn)入的其實(shí)并不是主電容,而是要經(jīng)過安規(guī)電容后才會(huì)進(jìn)入到PFC電路 的。
上圖中黃色電容為X電容,成對(duì)的藍(lán)色電容則是Y電容
安規(guī)電容一般布置電源的輸入端,對(duì)電源的性能影響其實(shí)很小,更多地是為了滿足電源的安規(guī)需求而配置的。其與普通電容最大的區(qū)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(shí)間后,用手觸摸電容的引腳也仍然會(huì)有觸電的感覺;而安規(guī)電容則不存在這樣的問題,它們在斷電后會(huì)迅速放電,即便用手觸摸也不會(huì)有觸電感,安全性很高。 正因?yàn)閮烧叽嬖谶@樣的差別,所以安規(guī)電容與普通電容是不能相互代替使用的。
PC電源中的安規(guī)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(jí)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(jí)電容,基本上是成對(duì)出現(xiàn),用于抑制共模干擾。由于它們對(duì)電源性能影響極小,即便不做配置,短時(shí)間里也不會(huì)出現(xiàn)問題,因此劣質(zhì)電源大都會(huì)省略安規(guī)電,但這種做法會(huì)讓電源的EMI抑制能力大幅度削弱,存在損壞其它硬件的風(fēng)險(xiǎn),除了成本更低并無其它好處。
PFC主電容:承擔(dān)PFC的高壓電流
如果說安規(guī)電容對(duì)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(guān)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(chǔ)能和濾波,其身上三個(gè)參數(shù)重要參數(shù),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(gè)電源中承受電壓最高的電容,因?yàn)槠湫枰鎸?duì)PFC電路輸出的高壓電流。目前主流的PC電源基本上都已經(jīng)用上了主動(dòng)式PFC電路,這實(shí)際上是一套升壓整流電路,可以將輸入交流市電轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷焊叩拿}沖直流電,其最高電壓往往超過300V甚至達(dá)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(chǎn)品,高端電源則會(huì)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(huì)越長。而電容的壽命則與電容的溫度有密切關(guān)系,工作時(shí)電容溫度越接近于耐溫值,其壽命縮減的速度就會(huì)越快,因此在同等耐壓、同等容量和同等工作環(huán)境的情況下,耐溫值更高的電容理論上會(huì)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(dāng)然是更好的選擇,但成本也會(huì)更高,而且由于PC電源大都有風(fēng)扇進(jìn)行散熱,主電容的溫度其實(shí)很難達(dá)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(guī)的使用環(huán)境中來說其實(shí)并沒有明顯的差異,在相同的成本預(yù)算下,廠商會(huì)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(duì)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(dòng)式PFC電路輸出的高壓脈沖電流,因此電壓波形并不是連續(xù)的。如果沒有主電容與PFC電感組成的LC儲(chǔ)能濾波電路,那么在兩個(gè)脈沖之間的低電壓階段,就必然會(huì)導(dǎo)致后續(xù)電路無法穩(wěn)定工作。但是如果主電容的容量不夠,那么在高負(fù)載的情況下,電路中的電壓仍然會(huì)出現(xiàn)很大的波動(dòng),也容易產(chǎn)生較高的低頻紋波,會(huì)對(duì)后續(xù)電路的正常工作產(chǎn)生明顯影響。
大容量的電容體積也會(huì)更大,因此高端電源會(huì)用兩個(gè)電容并聯(lián)的方式獲得更高的等效容量
此外PC電源的保持時(shí)間也是一個(gè)很重要的評(píng)估參數(shù),保持時(shí)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(shí)間,按照英特爾的ATX12V 2.52規(guī)范的要求是滿載輸出的情況下,各路輸出以及PG的保持時(shí)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(xù)電路的唯一能量來源,因此想要保證電源的保持時(shí)間能夠達(dá)標(biāo),電容的容量也是很關(guān)鍵的,這就是為什么說主電容對(duì)電源性能有較大影響的主要原因。
那么主電容應(yīng)該配置多大容量的呢?不同的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)主電容的要求其實(shí)是不一樣的,例如雙管正激對(duì)容量的要求會(huì)高一些,而LLC諧振則會(huì)小一些,因此我們不能一概而論,但總體來說還是容量大會(huì)更有優(yōu)勢的,但盲目增大主電容的容量也是不正確的,因?yàn)槿萘吭酱蟮碾娙莸某潆姇r(shí)間也會(huì)越長,很容易會(huì)引發(fā)電源電壓上升時(shí)間過長的問題。所以主電容的容量一般是需要根據(jù)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、額定功率和市場定位等多方面的因素來進(jìn)行確定,目前業(yè)內(nèi)有一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),那就是主電容的容量與額定功率之間的關(guān)系應(yīng)該是“不低于每瓦0.5μF”,也就是說一個(gè)額定功率為1000W的電源,其主電容的容量應(yīng)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(chǔ)能和濾波的作用。
輸出濾波電容:降低輸出紋波的主要功臣
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(jīng)普遍采用固態(tài)電容進(jìn)行儲(chǔ)能和濾波
與主電容的作用類似,輸出濾波電容主要承擔(dān)二次側(cè)脈沖電流的輸出儲(chǔ)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(qiáng)度會(huì)更大,而且頻率會(huì)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(chǎn)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(chǔ)能濾波電容。此外由于二次側(cè)的脈沖電流頻率更高,在目前的中高端電源產(chǎn)品中已經(jīng)普遍用上了固態(tài)電容為最重要的+12V輸出進(jìn)行儲(chǔ)能和濾波,一來可以為其它硬件提供穩(wěn)定的+12V電壓,而來固態(tài)電容在高頻下的濾波效果也會(huì)更好一些。
模組接口的PCB上也會(huì)有電容進(jìn)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(dòng),模組接口PCB上也常見各種電容,包括固態(tài)電容和電解電容,這些電容主要是起濾波的作用,但也會(huì)具備儲(chǔ)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(shí)間方面也會(huì)有一定的貢獻(xiàn),因此從原則上來說,輸出濾波電容也應(yīng)該是數(shù)量越多、等效容量越大,濾波和儲(chǔ)能的效果也會(huì)越加顯。
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?cè)萘恳彩遣荒苊つ吭龃蟮模驗(yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致電源輸出電壓的上升時(shí)間過長,很容易引起開機(jī)失敗、關(guān)機(jī)后自動(dòng)重啟這樣的小毛病。而且英特爾在ATX12V 2.52電源設(shè)計(jì)指南中也明確要求,每路輸出的濾波電容總?cè)萘繎?yīng)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(diào)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。
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