动力的源泉——PC电源技术分析(一)
技术大讲堂
自第一台PC面世以来，PC电源技术完全是伴随其他硬件技术的发展而发展——从最初的AT电源发展到目前主流的ATX电源，再到最新的BTX电源。面对众多的电源规范，你到底了解多少？它们之间有何区别？就让我们一起来看看PC电源技术分析吧。
一、明日黄花——AT电源
AT电源属于PC电源的“元老”，功率一般为150W～250W，共有4路输出，另向主板提供一个P.G.信号。输出线为两个6Pin插座和几个4Pin插座，两个6Pin插座给主板供电。AT电源采用切断交流电网的方式关机，所以不能实现软关机。
在ATX电源未出现之前，从286到586时代，PC电源都是由AT标准一统天下。AT电源存在很多问题，比如散热问题、功率问题，特别是随着CPU、显卡等功耗的提升，整个系统的功率基本要求在300W以上，而 AT电源系统的功率很难满足这样的需要。鉴于上述情况，Intel等PC架构厂商很快推出了适应 PC发展需要的ATX电源规范。
二、当前主流——ATX电源
ATX规范是1995年Intel公司制定的新的主板结构标准，是英文（AT Extend）的缩写，可以翻译为AT扩展标准。而ATX电源就是根据这一规格设计的电源。
1.ATX电源的工作原理
PC电源的基本作用就是将交流电网的电能转换为适合各个配件使用的低压直流电供给整机使用，它的工作原理是通过运行高频开关技术将输入的较高的交流电压(AC)转换为PC工作所需要的较低的直流电压(DC)。与AT电源相比，ATX电源外形尺寸并没有很大变化，它与AT电源最显著的区别是，前者取消了传统的市电开关，依靠+5VSB、PS-ON控制信号的组合来实现电源的开启和关闭。
ATX电源总共有六路输出，分别是+5V、-5V、+12V、-12V、+3.3V及+5VSB。+5VSB是供主机系统在ATX待机状态时的电源，以及开闭自动管理和远程唤醒相关电路的工作电源，在待机及受控启动状态下，其输出电压均为5V高电平，使用紫色线由ATX电源插头9脚引出。PS-ON为主机启闭电源或网络计算机远程唤醒电源的控制信号，不同型号的ATX开关电源，待机时电压值有3V、3.6V、4.6V等几种（图1）。
ATX电源最主要的特点就是，它不采用传统的市电开关来控制电源是否工作，而是采用“+5VSB、PS-ON”的组合来实现电源的开启和关闭，只要控制“PS-ON”信号电平的变化，就能控制电源的开启和关闭。电源中的PS-ON控制电路受到PS-ON 信号的控制，当“PS-ON”小于1V时开启电源，大于4.5V时关闭电源。主机箱面板上的触发按钮开关(非锁定开关)控制主板的“电源监控部件”的输出状态，同时也可用程序来控制“电源监控部件”的输出：比如在WinXP平台下，发出关机指令，使“PS-ON”变为＋5V，ATX电源就自动关闭。关机时PW-OK输出信号比ATX开关电源+5V输出电压提前几百毫秒消失，通知主机触发系统在电源断电前自动关闭，防止突然掉电时硬盘磁头来不及移至着陆区而划伤硬盘。
2.ATX电源规范的发展历程
经过多年的发展，ATX电源规范已经发展有五个版本： ATX 2.0版、ATX 2.01版、ATX 2.02版、ATX 2.03版和ATX 12V版（注：其实应该有6个版本，还有一个ATX 1.01版，这是最早版本，它与ATX 2.0版的区别主要是风扇散热方式：1.01版采用吹风方式散热，而后续版本采用抽风散热）。
ATX 2.01版与ATX 2.0版的区别是+5V Standby输出电流从10mA改为720mA，这主要是针对网络唤醒功能的。ATX 2.02版与ATX 2.01版相比增加了一个6Pin的辅助插头（图2），此外将-5V和-12V的输出电压偏差由±5%改为±10%。ATX 2.03版与ATX 2.02版从实质上并没有多大的区别，主要是将ATX 2.02版中的“Micro ATX ”改为“Mini-ATX”，以区别于Intel提出的另一个标准Micro ATX。
ATX 12V版就是我们常说的P4电源规范，它是为了解决CPU功耗极度高涨的问题而制定的。ATX 12V版与ATX 2.03版的区别是：加强了+12VDC（+12V直流）端的电流输出能力，并对+12V的电流输出、涌浪电流峰值、滤波电容的容量、保护等做出了新的规定；新增加了P4专用4Pin电源接口（图3）；加强了+5VSB的电流输出能力。需要说明的是，由于处理器功耗的不断提升，ATX 12V电源规范从推出至今已经过了多次修改，仅仅在过去的两年内，Intel就先后两次升级了ATX电源的规格。
随着Prescott处理器的出现，系统对12V的输出电流有了更高的要求，而且线材的承受能力有限，这就对为CPU供电的+12V输出电流提出了更高的要求，电源也从ATX12V 1.2版升级到了ATX 12V 1.3版。ATX 12V 1.3版主要是增强了12V供电，取消了-5V，同时增加了对SATA硬盘的供电接口，提高了电源的转换效率。
虽然以目前的电源技术，+12V单路输出完全可以做到更高，但这会导致其输出线材存在较大的安全隐患，同时也会有较大的线路损耗，为此Intel专门限制了单路＋12V输出功率不得大于240W。不过，随着PCI-E设备的出现，系统功耗再次攀升，对+12V的需求继续增大。在不改动ATX电源输出规范的情况下，传统的ATX 12V 1.3电源已经不能通过改动内部设计来满足所有硬件对+12V的需求，因此针对i915/925系列主板制定的ATX 12V 2.0标准应运而生。
与ATX 12V 1.3版相比，ATX 12V 2.0版最明显的改进是单独增加了一路+12V输出，即采用了双路+12V输出，其中一路+12V（称为+12V1）专门为CPU供电，而另一路+12V2则为其他设备供电。一台计算机的开关电源，＋12V的输出如果是22A的话，这在安全方面是不允许的，FCC（美国联邦通讯委员会）在这方面有非常明确的规定，PC电源的任何一路直流电压输出功率不允许超过240W。
举例说明，如果某一路输出电压为40V，那么这一路电流最多为：240W÷40V=6A，在电流达到6A之前，电源应该进入到过流保护状态或者关机。而Intel希望的＋12V输出要求达到22A，这已经超出了FCC对安全的要求，已经达到+12V×22A＝264W，已经远远大于了240W的要求。这在安全方面是不允许的。在这种技术背景下，Intel将ATX 12V2.0版的＋12V分成了＋12V1和＋12V2。＋12V1输出给主板及PCI-E显卡供电，以满足PCI Express ×16和DDR2内存的需要；而＋12V2输出专门为Prescott CPU供电。这样设计，就可以将240W安全的问题科学地解决。
实际上，主板上的＋12V1和＋12V2在布线上也是完全分开的。ATX 12V 2.0规范还有一些不太明显的改变，例如输出负载已经可以满足最新硬件的需求，追加第二个+12V接头给处理器使用，让其余的+12V供给不会因处理器突然加载而产生不稳定现象。由于采用双路12V输出，因此主电源接口也从原来的20Pin改为24Pin（图4）。
3.不得不谈的两个问题
（1）EMI滤波电路
PC电源是把工频交流整流为直流，再通过开关变为高频交流，然后再整流为稳定直流的一种电源，这样就有工频电源的整流波形畸变产生的噪声与开关波形产生的大量噪声，噪声在输入端泄漏出去就表现为辐射噪声和传导噪声，在输出端泄漏出去就表现为纹波。辐射噪声频率高于30MHz，会传播到空中；传导噪声频率在30MHz以下，主要干扰音频设备，通过电源线传送到电网中。
外部噪声会进入到电网内的其他电子设备中影响设备的运行，而供给负载的电源产生的噪声也会泄漏到电源外部，因此，PC电源必须有阻止这些噪声进出的功能——因此在输出端也需要接入滤波器，用于抑制直流电产生的EMI（图5）。
ATX电源的EMI滤波部分主要是为了滤除外界的突发脉冲和高频干扰，同时将自身产生的电磁辐射降到最低。ATX电源的EMI部分主要由滤除共模干扰的电容、滤除差模干扰的电容、扼流线圈等组成。ATX电源的EMI是3C认证中的一个重要检测项目，优质电源会采用完整的二级滤波电路。劣质电源很有可能在这部分偷工减料，最常见的做法是省掉一级滤波电路或干脆不采用EMI滤波部分，或滤除差模干扰的电容采用非安规材料。
（2）功率因数校正
在许多人的眼中，把220V的交流电转换成电脑硬件使用的3.3V、5V、12V直流电，是十分平常的事。实际上没有这么简单，因为其中还涉及到一些问题。
首先，电流在转换过程中会损失不少能源，如1A的交流电经转换后，只剩下0.5A的直流电，而流失的能源则转化成热能。即使现在不少电源采用两个200V大电容(如200V/1000μF规格的产品)，也只能使电流更加稳定，不能减少电流转换时的损失。其次，市电是正弦波交流电，而PC电源内的整流器是非线性元件，它会使电流发生畸变，呈脉冲状，严重的甚至会加重电网高压电容的负载或影响其他电器工作。
有鉴于此，在PC电源中引人PFC（Power Factor Correction，功率因数校正器）。功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值（图6）。
功率因数可以定义为输入电流失真系数与相移因数的乘积。可见功率因数由电流失真系数和基波电压、基波电流相移因数决定。基波电流相移因数低，则表示电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，电流失真系数值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。为了避免出现这样的问题，PFC电路就起到了至关重要的作用。
PFC电路有两种：主动式PFC和被动式PFC。主动式PFC本身就相当于一个开关电源，采用Boost Converter（即升压转换器）式设计，电路原理请见图7：
主动式PFC通过控制芯片驱动开关管对输入电流进行“调制”，令它与电压尽量同步，功率因数接近于1；同时，主动式PFC控制芯片还能够提供辅助供电，驱动电源内部其他芯片以及负担+5VSB输出。主动式PFC由于是通过控制芯片驱动开关管对输入电流进行“调制”令其与电压尽量同步，其功率因数校正值可以达到98%以上，因此通常采用主动式PFC电路的电源的能源转换效率都在70%以上，但由于结构复杂，成本高，仅在一些高端电源中使用。
比如一款采用主动式PFC的300W电源，其能源转换效率为70%，那么它只需要428W的交流电；相反，一个采用被动式PFC的低效率300W电源，若其能源转换效率仅有40%，那么就需要750W交流电方能输出300W直流电给电脑，其余则变成了热能。
而被动式PFC只是针对电源的整体负载特性表现，在交流输入端，抗干扰电路之后串接了一个“大号”电感，强制平衡电源的整体负载特性。被动式PFC采用的电感只须适应50Hz～60Hz的市电频率，带有工频变压器常用的硅钢片铁芯，而非高频率开关变压器采用了铁氧体磁芯。被动式PFC效果较主动式PFC有一定差距，功率因数一般为0.8左右；但成本低廉，且无须对原有产品设计进行大幅度修改就可以符合3C要求，是目前主流及低端电源通常采取的方式。凡是符合3C认证的PC电源，必须增加PFC电路（图8）。
小提示：转换效率就是输出功率除以输入功率的百分比。尽管功率因数和转换效率都是指电源的利用率，但区别却很大。简单地说，功率因数产生的损耗是电力部门负担，而转换效率的损耗是用户自己负担。功率因数、EMI电路等都是对国家电网的保护。也就是说电源转换效率并没有达到100%，有一部分转换为热能。如V1.3版电源转换效率只达到了68%，即有32%的电能转换成了热能。这也是电源为什么装风扇的原因。
小知识：电源铭牌
电源的输出功率、各端的最大输出电流等指标通常都标注在电源的铭牌上，大家只要了解电源铭牌的含义，就能根据ATX的规定判断一个电源的好坏。
电源的铭牌上首先会标明各个输出端能够输出的最大电流（如图），通过“功率＝电压×电流”的公式就能换算出各项的输出功率，这些电压包括了+3.3VDC、+5VDC、+12VDC、+5VSB和-5VDC、-12VDC，用户首先可以根据这个电流和功率进行选择，比如硬盘、光驱等设备较多时，就要选择+12VDC输出端电流较大的电源。
这里要注意的是，电源铭牌上标出的往往都是各端单独工作时输出的最大电流，而各端同时工作时就无法达到这样的指标了，因此负责的厂家还会在铭牌上标出+3.3VDC和+5VDC两项电源输出端的最大合并功率，此外，+3.3VDC、+5VDC和+12VDC的输出端功率之和也有类似的限制。
三、结语
目前市场对PC电源的需求正逐步向大功率、多保护(过流、过热、过压、过功率)、高可靠、小体积方向发展，而新一代电源规范——BTX电源规范也已经现身……