超能課堂(291)：PC電源是怎樣實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的？

在我們的PC電源評測中有兩項很重要的指標，分別是電壓偏離度和電壓調(diào)整率，其中電壓偏離度值得是實際電壓與標準電壓之間的偏差，就是我們常說的電壓是否存在偏高或者偏低，按照英特爾在ATX12V電源設(shè)計指南中提出的要求，這個電壓偏離度應該是控制在±5%以內(nèi)，也就是標準電壓為+12V的話，那么電源的是實際輸出電壓最高不能超過+12.6V，最低不能低于+11.4V；而電壓調(diào)整率則代表著輸出電壓有多穩(wěn)定，主要指實際電壓的最大值和最小值之間的差距與標準電壓之間的比率，一般來說也是要求在±5%以內(nèi)，例如一款電源的+12V輸出最高為12.3V，最低為11.8V，那么其電壓調(diào)整率就是4.2%，符合電壓調(diào)整率的相關(guān)要求，但仍然是偏高一些。

那為什么電源評測中會有這樣的兩個指標呢？很顯然這是因為PC電源的輸出電壓其實并不是固定的，不僅相比標準值可能會有一些偏差，而且會在一定范圍內(nèi)波動。而這些偏差和波動是很難消除的，因為電源中的線路和元件都并非理想器件，除了本身的功能外還會有一些額外的損耗，這些都會對電源的輸出造成影響。因此為了減少這些影響，電源會配置一些系列的穩(wěn)壓措施，讓自己的輸出電壓盡可能接近標準值，盡可能為維持穩(wěn)定。

想要穩(wěn)壓，就要測定準確的輸出電壓

我們常用的PC電源基本上都是穩(wěn)壓開關(guān)電源，而開關(guān)電源就是通過MosFET開關(guān)管的導通和關(guān)斷來維持輸出電壓的電源，一般而言控制MosFET開關(guān)管導通和關(guān)斷所用的元件就是脈寬調(diào)制IC，也就是我們常說的PWM芯片。因此一個開關(guān)電源能否維持穩(wěn)定的電壓輸出，PWM芯片能否提供準確的控制可以說是當中的關(guān)鍵。那么如何讓PWM芯片可以提供準確的控制呢？只要讓PWM芯片知道電源的實際輸出電壓預與設(shè)定的輸出電壓有多大差距，然后根據(jù)實際需要作出相應的升壓或降壓操作即可。

電壓反饋型電路

因此在PC電源當中，除了有調(diào)壓整流的線路外，還會有將實際輸出電壓反饋給PWM控制芯片的電路，而這一部分的電路實際上也是PWM控制的電路的組成，目前大體上分為兩種，一種是電壓反饋型，就是通過對比基準電壓和實際輸出電壓，然后通過調(diào)整PWM的占空比來穩(wěn)定輸出電壓。這種電路的組成比較簡單，但是它有一個明顯的缺點，那就是電路中的電流與電壓的變化會不一致，往往不能馬上響應設(shè)備對供電變化的需求，從而導致電路不穩(wěn)定，因此只有低功率型電源會使用單純的電壓反饋控制。

電流反饋型電路

目前主流的PC電源所使用的反饋電路多數(shù)是電流反饋型，它是為了彌補電壓反饋型電路的缺陷而發(fā)展起來的，基本上就是在電壓反饋型電路的基礎(chǔ)上增加了一組電流反饋線路，形成雙閉環(huán)控制，這樣不管電路中的電壓還是電流發(fā)生了變化，都會觸發(fā)PWM的占空比調(diào)整，使得整個電路的響應速度有了很大的提升，可以有效改善供電的電壓調(diào)整率，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

此外電流反饋型電路相比電壓反饋型還有一個好處，那就是電流的采樣點可以放置在電源的內(nèi)部，因為電源輸出的電流雖然要經(jīng)過線材的傳輸才能傳到硬件上，這一部分的組成屬于串聯(lián)電路，任何一個位置上的電流都是相等的。相比之下如果電壓反饋的電壓采樣點放在電源內(nèi)部，那么其測得的電壓實際上會比線材末端的略低一些，算不上是一個準確的值。而之所以會出現(xiàn)這樣的情況，就是因為電源上的線材雖然是良好的導體，但終歸不是超導體，其本身還是會有電阻的，根據(jù)電壓=電流*電阻的公式，在線材上流過的電流越大，其本身的電壓就越大，這也就意味著線材兩端的電壓差也會越大。

大家不要小看線材兩端電壓的差別，電源上常用的線材是18AWG規(guī)格，以純銅材質(zhì)的線材為例，其1千米的電阻為21.4Ω，換算為50cm長度就相當于11mΩ的電阻，倘若線路上的電流為5A，那么其兩端的電壓差就是5*11/1000=0.055V，不要小看這0.055V，雖然對于+12V輸出來說只是0.46%的偏差，但是對于3.3V來說就是1.7%。而且當線路上的電流進一步增大時，線材兩端的電壓差也會隨之增大，這就是為什么電源中的供電往往是需要多個線材來配合使用，就是為了減少單根線材上的電流分攤，減少線材兩端的電壓差異。

除此之外為了獲得更準確輸出電壓，有不少電源會將其反饋電壓的測量點放在輸出接口上，因此我們有時候會看到接口的某個位置會同時連接著一粗一細兩根導線，粗的那根就是用來供電的，細的則是用來采集電壓數(shù)據(jù)的，這個位置采集到的電壓已經(jīng)包含了線材的損耗，相比電源內(nèi)部的采集點會更有參考價值。

除了電壓和電流反饋，電源還有什么措施來進行穩(wěn)壓？

此外PC電源輸出的電流實際上是脈沖電流，還需要由電感和電容組成的LC電路進行處理后才能變?yōu)榉€(wěn)定的直流輸出。而電感和電容在穩(wěn)流和穩(wěn)壓中也會起到重要的作用，因為前者會抑制電流的波動，而后者則抑制電壓的波動。電容是通過自身的充放電來維持電壓的，當電壓充足時，它會持續(xù)充電來抑制電壓的提升，而電壓下降時則會放電來抑制電壓的下降。換句話說，PC電源能夠維持穩(wěn)定的輸出電壓，電容在里面可以說是功不可沒。

只是電容的規(guī)模并不是越高越好，拋開體積和成本不談，高規(guī)格的電容對于電源電壓的提升也是會帶來阻力的，在英特爾的ATX12V電源設(shè)計指南中就有涉及到電壓上升時間的指標，其指的就是電源在開啟后，輸出電壓從0上升到標準值所需要的時間。電容規(guī)模越大，這個上升時間就會越久，過長的上升時間會讓PC硬件錯誤地判斷為電壓不足而無法通過自檢，這就是為什么有時候我們的電源明明可以輸出正常的電壓但是就是無法順利開機，也就是我們常說的“開機時序不對”，這里面電壓上升時間過長也是一種常見的原因。

因此到底需要配置多少電容是需要廠商去進行衡量的，這里就比較考驗廠商的技術(shù)功底了。而當這些措施都能夠相互配合后，電源自然就可以輸出穩(wěn)定的電流和電壓，這樣的產(chǎn)品才能稱得上是“穩(wěn)壓開關(guān)電源”。