边拆解边科普!用全汉Hydro G Pro1000看懂电源原理和结构    

电源 11-30 10:22:05 0 0

翻看了过去自己的电源拆解文章,发现一些基本原理没有讲清,如果一点基础知识都没有,就会看得云里雾里,所以觉得应该整理下自己的资料,好好梳理一篇能让大多数人都看得懂的,关于电源拆解和简单科普的文章。

当然由于本人只是爱好者,并不是专业人士,所以难免有错误或遗漏的地方,欢迎大家交流以及指正。

边拆边科普

惨遭拆解的电源是全汉 Hydro G Pro1000W电源,为啥不拆解个主流的500~600w电源?因为1000w电源的结构和电器元件更加完整,看完1000w的拆解,再去比对500w,600w的,就知道电源哪里简化了,元件哪里缩水了。当然拆解后将失去保修,还是我们这些发烧友来做吧。

当你第一次打开电源后(千万不要连着电哦!),很可能只认出了电源风扇和散热片,其它的一些奇奇怪怪的元器就不知道了!所以还是得从源头来讲起。

故事要从1884年说起,一个名叫特斯拉的年轻人带着前雇主的介绍信去找他的偶像——托马斯·爱迪生,希望他能帮助自己完成交流电系统的发明。。。。。。算了,篇幅有限就不讲这个故事了,大家有兴趣可以去查查这段有趣的历史。反正就是最后交流电被认可,取代了直流电,成了供电主流,毕竟交流电在发电和输送上的成本更优。

但除了纯阻性设备和一些电机之外,我们的家用电器一般均使用直流电,尤其是IT产品等等设备的电子元器件只能识别有电位为1、无电位为0,所以就无法对交流电这种波动的变量进行正确的逻辑判断。

那么用一句话来说明PC电源的作用就是:把较高的交流电(AC)变成PC电脑工作所需要的较低的直流电(DC)。

交流电是指电流方向随时间作周期性变化的电流,在一个周期内的平均电流为零。

直流电是指电流状态,大小、方向不随时间变化的电流。

但其实真正的转换过程要复杂得多,中间还会经历脉动(直流)电这一过程。

脉冲电流也叫脉动电流,就是指方向不变而强度变化的电流。

PC电源的具体工作流程如下:交流电在滤波和整流后变为直流电,接着进入开关电路把直流电转为高频脉动直流电,再送到变压器降压得到低压的脉动电,在经过整流和滤波后最终得到电脑所需的,相对纯净的低压直流电。

这是一个开关电源的典型流程,特点是在一次侧(变压器之前)保持高压、高频状态进行滤波和整理,由于电容以及变压器的大小和电流频率成反比,这样电器元件就可以做的比较小,另外开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功耗的大小来自我调整,从而降低发热量,提高效率,也更加节能。缺点就是设计相对复杂,有高频干扰。

与之相对就是线性电源,它的流程就是先降压然后再整流,这样体积就比较大,效率也低。优点是结构简单,稳定度高,波纹较小,适合为低功耗设备供电。这两种都是典型的直流电源。

具体的滤波电路,开关电路,整流电路,变压电路,低压转换电路等等都是相对独立的电路,可以任意组合搭配,组成不一样的电源结构。当然不同的电源设计搭配,有不一样的转换效率,也会有不同的价格。比如这台全汉Hydro G Pro100,采用的是主动式 PFC+同步整流+LLC 谐振+DC To DC 的设计。

下面就按照顺序逐一介绍下每一个过程,首先是

EMI滤波电路

在整流之前必须对交流电进行滤波,用来滤除市电网中的电压瞬变和高频干扰,同时也防止开关电源中的开关管产生的高频干扰传输到市电网中,形成对其他用电器的高频干扰。

滤波电路分为一级EMI和二级EMI,一级EMI往往靠近市电接口部分,二级EMI则被安置在电源的主PCB板上。

一级EMI部分现在的趋势是简化,一般都会有一个X电容,和一对Y电容,这个Hydro G Pro1000还有一个铁氧体线圈(被包裹住了),算是比较少见的。

Y电容:连接火线和地线之间,以及零线和地线之间,负责滤除共模干扰及共态噪声。

X电容(跨接线路滤波电容):用来并联火线与零线间的电容,可以消除来自电力线的低通常态噪声。

铁氧体扼流圈在滤波电路中为串联在火、零线上,用来消除电线低通共态以及射频噪声。

二级EMI:有2个共模电感、1个X电容、一对Y电容。

X电容负责滤除差模干扰,Y电容负责滤除共模干扰,共模电感用于滤除共模干扰。

这部分还有一些保护器件,也是往往一些低端电源会(部分)阉割掉的。这款Hydro G Pro1000配备一个MOV(很多MOV都是蓝色的)和一个保险管。

总的来说在Hydro G Pro1000滤波部分非常完整,可以作为电源是否缩水的比对参考。

保险管:当通过它的电流值超出额定限度时,会以熔断的方式来保护连接于后端电路。

金属氧化物压敏电阻(MOV):并联于保险管后端的火线与地线间,目的是抑制市电尖峰,能处理高电流、吸收高能量并迅速反应以保护设备免于瞬态故障超过额定限制。

一次侧整流电路

电源内部一般都有两个散热片,一个属于一次侧,另一个属于二次侧。但这款Hydro G Pro1000有多组散热片,整流桥独享一个散热片,这是高端电源整流桥的典型现象。

整流桥可以是由4颗二极管组成,也可以是由单个元器件组成。这款Hydro G Pro1000是使用了单个元器件,由于遮挡没法拍到具体型号!

整流桥的参数非常重要,其输出电流的能力可以看出一款电源虚不虚标,用该电流值乘最低电压值(100~110V)就得到允许的功率,如果此值大于该电源的额定功率,该电源就不虚标。

一般大功率电源还看到配一个继电器(台湾松川)和一个热敏电阻,上面那个橙色的应该是CBB电容。

NTC热敏电阻的作用是防浪涌电流保护,它根据温度的变化改变电阻值,电脑在冷机状态启动时会产生一个很大的浪涌电流,可能烧毁电源和主机内部。NTC冷态电阻极大限制了开机冲击电流。通过大电流后,NTC发热阻值下降为零,电源电流达到正常值。这时继电器工作,将NTC从电路中断开,使得NTC温度迅速下降,恢复高阻状态,为下次开机限流做好准备。

主动式PFC电路

这部分是提高整流桥交流电变直流电时的利用率,一般由主电容和电感组成,这款Hydro G Pro1000采用的是一颗680uF,耐压值450V,耐温值105℃的铝电解电容(来自贵弥功株式会社公司,俗称黑金刚)。

主电容需有保障后端的稳压能力,另外就是要有一定的储能能力,以便达到Intel ATX12V规范的满负载输出下保持时间不低于16ms要求。保持时间指的是交流输入被切断后起,到+5V输出跌落至4.75V(低于标准值5%)的时间,主要是用来保护机械硬盘。容量值当然可以用公式算出,这里就不介绍,一般来说500w的电源要达到300uF以上才算比较厚道(如果使用两个电容,是两个值的加和)。另外耐压400V,耐温85℃可以说是最低标配了。

其实被动式(无源)PFC也有电容(一般是2颗),用做倍压器,但现在大多数电源都是主动式的,这个就不展开讲了。

PFC的全称是Power Factor Corrector,意思是功率因数校正器(有效功率除以总耗电量,最高0.99),它在整流桥之后可以主动补偿交流电的的相位差,让交流电的波形和时间,尽量和直流电保持一致,这样可以在交流转换为直流时提高电源对市电的利用率,但并不是电源转换效率,并不能为用户省钱,而是为国家省钱,也能减少电源对市电电网的干扰和损耗,另外相比被动式能适应更高的电压范围。

开关电源的核心当然就是开关电路了,主要工作原理是上桥和下桥的MOS管轮流导通,首先电流通过上桥MOS管流入,利用线圈的存储功能,将电能集聚在线圈中,再关闭上桥MOS管,打开下桥的MOS管,线圈和电容持续给外部供电,然后就重复这一过程,因为要轮流开关MOS管,所以称为开关电源。这样高压的直流电转变为高频脉冲电流。

这款Hydro G Pro1000采用2颗MOS管,就是PFC开关管,具体型号为英飞凌 I60R120P7 ,规格为16A@100℃;26A@25℃,漏源极击穿电压600V。

在开关过程中,电压是输入电源电压和电感的磁场能转换成电能的叠加之后才形成的,这样输出电压高于输入电压,完成300V以上的升压过程,种叠加后的能量是通过二极供电给负载的,所以在旁边还能看到一颗二极管(2根针脚),一般称它为升压二极管。这颗具体型号是CREE/科锐 C3D08060A,规格为15.5A@100℃;8A@150℃,漏源极击穿电压600V。

在这个散热片后面还能看到一颗管子,猜测可能是一个保护二级管,和升压二极管并联后(作为旁路)可以分流从而保护PFC开关管和升压二极管。

变压电路

开关电源的拓扑具体种类是相当多,但随着多年的市场竞争,现在基本只能看到双管正激和LLC谐振拓(分半桥和全桥)。这款Hydro G Pro1000用的就是LLC谐振拓扑,其优势就是效率会做到相当高,是现在中高端电源的主流方案。

一般情况下,LLC结构会有3个变压器,主变压器最大,旁边的为谐振变压器,在远端还有一个5Vsb待机变压器。

LLC分为半桥结构和全桥结构,全桥的标志是4个三极管或MOS管组成,而这款Hydro G Pro1000在二次侧的散热片上只有2个(型号拍不到),无疑是半桥结构的。这两个MOS管就叫做主开关管。

其实双管正激也可以看到2个MOS管,它由单管正激升级而来,拓扑结构由两个功率开关管和两个二极管(用于复位)构成,相比单管正激而言,每个开关管承受的电压应力减半,输出整流方案选择多,可以肖特基整流,也可以同步整流。相关的控制技术成熟,因此输出纹波和动态性能都可以做好。但就是效率不容易做到很高。一般最高也就是金牌的效率,再高也能做,但成本上和LLC相比也没有优势,也就没啥意义了。开关的动作并不是瞬时完成,总会有一定的损耗,而LLC就很好地解决了这个问题。

LLC拓扑中加入了电感Lr、励磁电感Lm、谐振电容Cr(LLC名称的由来),电容和电的能量互相传递的周期为谐振频率,再和次级电路连在一起,有更多不同的工作状态,原理也更加复杂。总之就是两个主 MOS 开关实现了零电压开通,通过软开关技术,可以降低电源的开关损耗,提高效率。

右下角的为5Vsb待机电路,随时处于“待命状态”,因为这部分输出始终是开启的,即便是PC电源处于关闭状态也是如此。

LLC通过改变开关管的工作频率,来调节变压器的能量输出,进而改变半桥LLC谐振变换器的输出电压值。在PCB上发现了一颗来自台湾半导体的TS358CD 运算放大器/比较器,也许就是负责控制的IC芯片。

二次侧的电压调整电路和滤波

+12V同步整流,由很多固态电容和磁棒电感,以及MOSFET管组成。

同步整流就是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET,来取代整流二极管以降低整流损耗。因为栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能,故称之为同步整流。

同步整流有单独的散热片设计,底下应该有MOSFET管。

5V 和 +3.3V 电路,采用了 DC to DC(降压电源)的设计,DC-DC输出简单的理解就是直流对直流降压输出,将电压较高的12V电流转换成5V和3.3V电流输出。

DC-DC模块的PCB板上面设计了电感电容及控制IC来控制输出。

模组输出端的焊点。

模组接口PCB上有很多固态电容,进行最后的输出滤波。

最后说说英特尔的12VO电源标准,它要解决的就是台式机待机时的能耗。内存引起的待机状态下持续的能耗是难以避免的,所以只能降低电源运行在低效区间的损耗。12VO电源标准降直接去掉3.3V和5V转换电路,统一只输出12V的直流电。3V和5V由主板来负责实施“直流电-直流电”之间的转换,据说其效率要比转换电路效率高,这样电源也就要重新设计了,不过最后能否成功地推向市场就不可知了!

Hydro G Pro1000开箱

壮烈了这个1000w的电源,再牺牲前(其实还能用,就是牺牲了10年的保修)还在拍了下照,下面就来开个箱。

电源的全家福,线材被一个布袋单独收纳。附件除了螺丝和说明书,还有红、绿两种略夸张的帖纸,可以贴在电源的两侧(用A卡贴红的?用N卡用绿的?)。

长度为15cm,虽然没有达到兼容性最好的14cm,但作为一款1000w的电源没超过16cm也算不错,大多数MATX和ATX机箱都可以轻松放入。

铭牌部分可以看到该电源通过了80 plus金牌的认证,采用了单路12V+设计,单路12V+最大电流为83.33A,能够提供最大1000W的功率输出,占比电源总输出功率100%,带起RTX3090,3080自然是没问题的。

电源外壳整体黑色调,表面为火山岩质烤漆,磨砂感很强。风扇罩采用一种十字型的设计,看起来还蛮特殊的。

模组线接口部分有2组双4+4PIN CPU辅助供电接口和4个6+2PIN PCI-e接口,还是足够高玩使用,但并没有采用混插设计,稍有不便。

电源出风口,除了电源开关外还有一个ECO开关,开启后实现30%负载下风扇停转功能,让电脑日常更加静音。

侧面有HydroG PRO的贴纸标志,也可更换成附件给的红、绿风格贴纸。

包装侧面有给出电源的风扇转身曲线、电源效率曲线,以及自带模组线的数量和接口介绍。

模组线全是扁平的黑线,柔软度出乎意料的好,走线会更加便利。显卡供电线材共有4根,两长两短以便适应不同的机箱设计,每根线材都有2个6+2PIN PCI-e接口。

内部风扇使用的12cm的,除了有负载30%以下风扇停止转动功能,还有智能温度调节的功能,在静音表现上想来也不会差。

风扇来自台湾永立,型号为MGA12012XF-O25,7扇扇页设计,FDB轴承,工业风格,买点就高寿命,在环境温度60度时可以有10万小时以上寿命。

最后

这次拆全汉Hydro G Pro 1000W电源真的是适合做为拆解展示,电源的结构和电器元件虽然没有疯狂堆料,但却很完整,该有的一个都不少,很适合作为科普的素材。另外还有2个优点:(1)15cm的长度兼容性比较好;(2)有防潮设计,宣称可以在空气湿度90%以上的环境下使用,很适合南方的小伙伴。当然非要找缺点也不是没有:没有用更加豪华全桥的LLC谐振;没有用135mm规格的散热风扇。

现在的PC发展一改前几年节能的风格,旗舰级产品的功耗都是大涨,挤爆牙膏!尤其是旗舰级的显卡产品都是大核心设计,会有很高的瞬时峰值功耗,所以即使是单卡用户也最好为电源留出较大的余量,还是入个千瓦电源包平安吧!

小熊这边虽然家境贫寒,但也争取一年能拆解1~2个电源,为大家的购买给出实在的参考意见!

边拆解边科普!用全汉Hydro G Pro1000看懂电源原理和结构   

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