电源基础知识

(1)概述

PC电源从80年代初出现,伴随PC的演变而不断发展,约有20年的历史了,它的基本作用就是从供电电网中获取能量然后转变为适合PC使用的低压直流电能,同时完成必要的安全隔离功能。

PC电源是一种开关电源,采用了PWM方式的开关变换技术,从电网获取的能量要经过整流、滤波、斩波、降压、再整流、滤波等转换过程,并采用负反馈技术使得输出电压保持稳定。相比较线性电源具有体积小、效率高的优点。

在PC电源发展过程中也出现过一些不同的类型和标准,由早期的AT类发展到ATX类,再发展到现在的ATX12V(P4)类,输出电压由最初的4组增加到6组。这些演变是与PC逐渐发展起来的多样化的电源管理功能、多样化的配置以及PC系统电源总线结构密切相关的。

电源是PC的一个关键部件,不仅在性能上要符合相应的标准和规范,而且它的负载能力、可靠性、以及对主板和外设的适应性和兼容性都对整机系统的可靠、稳定运行有很大的影响。接下来我会从电源应符合的标准与规范、电源可靠性、功率与负载分配以及电源与主板和外设的兼容等方面与大家共同作一些探讨。

(2)电源应符合的标准与规范

与PC电源相关的标准和规范有很多,它们从不同的角度对电源提出了不同的要求,是电源是否合格的重要判据,在此对它们分成两类作一简单介绍：

一类标准是强制性标准,是电源必须满足的标准。

电气安全方面：GB 4943-2001《信息技术设备(包括电气事务设备)的安全》(等同IEC 950-1986)。产品不仅要符合该标准的要求,而且还必须能够获得权威机构的认可才能够进行生产和销售,也就是通常所说的安全认证。产品的安全性是每个国家和地区都非常重视的问题,因为它直接关乎到人的生命安全。国内的安全认证叫做长城认证,由中国电工产品认证委员会(CCEE)专门进行电工产品安全认证和相关的合格认证活动。电磁兼容方面：GB 9254-1998《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》(等同CISPR 22:1997)。该标准主要对产品产生的传导干扰和辐射干扰提出了限制。其目的就是要求产品在使用时,不能干扰其他设备的正常运行。

谐波电流方面：GB 17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A)》(等同IEC 61000-3-2:1995)。该标准是针对产品对电网造成的影响而制定的,这种影响称为电力污染,谐波电流的问题也是一个越来越受人们重视的问题,欧洲地区已经从2001年起开始强制实施谐波电流限制的标准,国内从1998年就颁布了相应的标准,但尚未强制实施。对谐波电流进行抑制的技术习惯上也叫功率因数校正技术(PFC)。

所有强制性的标准有合并到一起进行认证的趋势,已经有相关的文件颁布,将会在2003年实施。实施后认证名称称为CCC认证。

另一类标准是非强制性的标准,也可以叫做推荐标准。

电磁兼容方面：GB/T 17618-1998《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》(等同CISPR 24:1997)。该标准与GB 9254-2001《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》其实是产品电磁兼容性的两个方面,GB9254着眼于产品发出的干扰,而GB 17618则是产品应具备的抗干扰能力,只有同时满足这两方面的要求才算完善的产品,才能保证不同的设备同时使用时不会互相影响。但这两方面有轻重之分,而干扰相比较抗扰会造成更严重的问题,所以GB 9254是强制性标准而GB/T 17618属于推荐标准。

综合性：GB/T 14714-1993《微小型计算机系统设备用开关电源通用技术条件》该标准在国际上并没有相对应的标准,是我国专门针对计算机电源产品编写的一份指导性的标准,它的内容涉及产品的性能、环境、制造、检测、包装、运输等等内容。虽然不属于强制性标准,但它所包含的内容比较全面,有很好的参考价值和指导意义。

Intel：《ATX/ATX12V Power Supply Design Guide》,《SFX/SFX12V Power Supply Design Guide》。最后要介绍的规范,就是Intel的这两个电源设计指南,这两份设计指南虽然不是由国家机构发布的标准,严格意义上也不是规范文件,但它却是目前PC电源领域最重要的产品设计参考,因为Intel在PC领域长期处于绝对的领先地位,成了事实上的行业“领头羊”和兼容标准。这两份设计指南中对PC电源作了非常详尽的描述,从外形结构、接口定义到各个输入输出参数的定义和设定,几乎涵盖PC电源所有特性。目前全球绝大多数的PC电源都在依据该指南进行设计、测试、和评价。

(3)电源的可靠性

电源是在进行能量的处理,其内部器件要承受高电压、大电流、高功率和热量损耗,是整机中容易发生故障的一个部件,因此它的可靠性对整机可靠性有非常重要的意义。据统计显示：引起设备不可靠的原因设计错误约占1/3,元器件质量约占1/3,制造、操作和维护约占1/3。其实后两方面也与设计阶段的考虑不周有关。为了取得高可靠性,必须从设计阶段就开始考虑可靠性的问题。

要获得高的可靠性设计是最重要的,设计中主要从以下几个角度来处理：

优选线路。电路设计中尽量多利用标准化的电路或是经过考验可靠性高的电路,并且应尽量采用成熟的技术。

电路设计遵循简化原则。在保证设计功能和指标的前提下尽可能以最简单的线路和最少量的元器件来实现设计,减少元器件数量的同时也要压缩品种数可规格。从可靠性角度出发不能为了性能的少许改进而增加大量元器件,要有足够的容差设计和最坏情况设计。也就是要考虑元器件参数的公差、漂移以及随环境条件的变化等因素。

正确选用元器件,并针对元器件工作应力合理进行降额设计。正确选用元器件的类型是首要的,这需要设计者对每种器件的类型有足够的认识。选定类型后再进行降额设计,降额是指元器件在低于其额定值的应力条件下工作。按照元器件类型和降额曲线分别进行温度、电压、功率的降额设计。

提高可靠性的方法除了进行良好设计外,还可以通过实验方法进行,其过程是不断恶化产品的环境条件(电压、温度等)直至失效,就可找到最薄弱的环节,然后改进该环节,再继续恶化环境条件,该方法是比较实用的一种方法。

可靠性的衡量是失效率或是平均无故障时间MTBF,两者互为倒数。MTBF可以进行计算或是通过试验来测定和验证,国内多采用试验验证方法,依据GB/T 5080.7-1986采用定时(定数)截尾试验方案,进行是否达到预定MTBF的判断。

电源性能评判的基本方面 1、技术规格(包括电气性能、机械性能、安规、电磁兼容、环境等)

1) 电源技术规格应符合国家强制标准(最好同时符合国家非强制性或推荐性标准)。此标准见第二部分。

2)电源技术规格应符合或参照Intel制定的行业规范。可参考Intel的行业规范(设计指南)

2、可靠性

可参见第三部分。主要是元器件的电、热应力要留有较大的裕量。

例：

半导体结温不超过110℃(环境温度50℃)

变压器、电感温升不能超出安规的要求

电容外壳温度不能超出额定值的95%

元器件电压和电流的降额应大于10%

磁器件在任何电网、负载、起动或瞬态条件下,均不能出现饱和。

3、兼容性

兼容性涉及到的问题比较广泛,一个好的电源产品,不仅应具有良好的技术规格及可靠性,还应有全面的兼容性,即适应各种配件的能力。电源是整个计算机系统所需能量的源头,因此关系到每一个需要由电源提供能量的部件。

常见应注意的兼容性设计要点：

1)电源各路输出及Remote和PG信号的时序关系

2)Remote信号和PG信号的防抖动设计

加入正反馈,延迟翻转特性及尖峰吸收回路,防止误动作,保证PG稳定。

3)电源输出的稳定度、瞬态特性及保护功能

例：有些主板会产生不正常的瞬态过流,会造成电源保护或电压下降。

4)各电气参数的温度稳定性(在各种温度条件下应工作正常)。

5)各项性能指标留有裕量(有上限要求)或居中(有上、下限要求)可防止配合上的偏差。