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技術文章—PC電源里都有哪些電容嗎?

2020-10-27 來源:21IC

什么是PC電源?它有什么電容?在兩個非常靠近導體中間夾一層不導電的絕緣介質,這就是電容的基本結構。當電容的兩個導體之間賦予電壓后,電容就會儲存電荷,這就是“電容”這個名字的來歷。此外電容其不僅能夠存儲電荷,同時也能釋放電荷,而且還有“隔斷直流電、導通交流電”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,例如儲能、濾波、耦合、去耦等等,如果要詳細說的話,那基本上就是一本教科書的量,所以電容對于絕大多數的電器產品來說都是不可或缺的存在。

 

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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、鋁電解電容和固態電容,體積小一點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,也可以根據使用環境而定義為不同的電容,例如安規電容、儲能電容和濾波電容等等。

 

另外在LLC諧振拓撲中,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拿出來討論,因為它是LLC諧振電路的一個組成部分。我們這次主要討論的是能在電路中單獨起作用的電容,主要是安規電容、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,而且對電源的性能也有著相對明顯的影響。但實際上市電進入電源后,首先要進入的其實并不是主電容,而是要經過安規電容后才會進入到PFC電路 的。

 

上圖中黃色電容為X電容,成對的藍色電容則是Y電容

 

安規電容一般布置電源的輸入端,對電源的性能影響其實很小,更多地是為了滿足電源的安規需求而配置的。其與普通電容最大的區別在于,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間后,用手觸摸電容的引腳也仍然會有觸電的感覺;而安規電容則不存在這樣的問題,它們在斷電后會迅速放電,即便用手觸摸也不會有觸電感,安全性很高。 正因為兩者存在這樣的差別,所以安規電容與普通電容是不能相互代替使用的。

 

PC電源中的安規電容有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級電容,基本上是成對出現,用于抑制共模干擾。由于它們對電源性能影響極小,即便不做配置,短時間里也不會出現問題,因此劣質電源大都會省略安規電,但這種做法會讓電源的EMI抑制能力大幅度削弱,存在損壞其它硬件的風險,除了成本更低并無其它好處。

 

PFC主電容:承擔PFC的高壓電流

 

如果說安規電容對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。主電容的作用是儲能和濾波,其身上三個參數重要參數,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,主電容是整個電源中承受電壓最高的電容,因為其需要面對PFC電路輸出的高壓電流。目前主流的PC電源基本上都已經用上了主動式PFC電路,這實際上是一套升壓整流電路,可以將輸入交流市電轉變為電壓更高的脈沖直流電,其最高電壓往往超過300V甚至達到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的產品,高端電源則會用上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,電容的壽命也會越長。而電容的壽命則與電容的溫度有密切關系,工作時電容溫度越接近于耐溫值,其壽命縮減的速度就會越快,因此在同等耐壓、同等容量和同等工作環境的情況下,耐溫值更高的電容理論上會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,后者當然是更好的選擇,但成本也會更高,而且由于PC電源大都有風扇進行散熱,主電容的溫度其實很難達到耐溫值的上限,因此85℃耐溫的電容與105℃耐溫的電容在常規的使用環境中來說其實并沒有明顯的差異,在相同的成本預算下,廠商會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式PFC電路輸出的高壓脈沖電流,因此電壓波形并不是連續的。如果沒有主電容與PFC電感組成的LC儲能濾波電路,那么在兩個脈沖之間的低電壓階段,就必然會導致后續電路無法穩定工作。但是如果主電容的容量不夠,那么在高負載的情況下,電路中的電壓仍然會出現很大的波動,也容易產生較高的低頻紋波,會對后續電路的正常工作產生明顯影響。

 

大容量的電容體積也會更大,因此高端電源會用兩個電容并聯的方式獲得更高的等效容量

 

此外PC電源的保持時間也是一個很重要的評估參數,保持時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間,按照英特爾的ATX12V 2.52規范的要求是滿載輸出的情況下,各路輸出以及PG的保持時間不小于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電路的唯一能量來源,因此想要保證電源的保持時間能夠達標,電容的容量也是很關鍵的,這就是為什么說主電容對電源性能有較大影響的主要原因。

 

那么主電容應該配置多大容量的呢?不同的電源拓撲結構對主電容的要求其實是不一樣的,例如雙管正激對容量的要求會高一些,而LLC諧振則會小一些,因此我們不能一概而論,但總體來說還是容量大會更有優勢的,但盲目增大主電容的容量也是不正確的,因為容量越大的電容的充電時間也會越長,很容易會引發電源電壓上升時間過長的問題。所以主電容的容量一般是需要根據電源的拓撲結構、額定功率和市場定位等多方面的因素來進行確定,目前業內有一個評判標準,那就是主電容的容量與額定功率之間的關系應該是“不低于每瓦0.5μF”,也就是說一個額定功率為1000W的電源,其主電容的容量應該要不低于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輸出已經普遍采用固態電容進行儲能和濾波

 

與主電容的作用類似,輸出濾波電容主要承擔二次側脈沖電流的輸出儲能和濾波作用,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,但電流強度會更大,而且頻率會更高一些。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能濾波電容。此外由于二次側的脈沖電流頻率更高,在目前的中高端電源產品中已經普遍用上了固態電容為最重要的+12V輸出進行儲能和濾波,一來可以為其它硬件提供穩定的+12V電壓,而來固態電容在高頻下的濾波效果也會更好一些。

 

模組接口的PCB上也會有電容進行濾波

 

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,模組接口PCB上也常見各種電容,包括固態電容和電解電容,這些電容主要是起濾波的作用,但也會具備儲能的效果。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間方面也會有一定的貢獻,因此從原則上來說,輸出濾波電容也應該是數量越多、等效容量越大,濾波和儲能的效果也會越加顯。

 

但正如主電容的容量不能盲目增大一樣,輸出濾波電容的總容量也是不能盲目增大的,因為這樣會導致電源輸出電壓的上升時間過長,很容易引起開機失敗、關機后自動重啟這樣的小毛病。而且英特爾在ATX12V 2.52電源設計指南中也明確要求,每路輸出的濾波電容總容量應該控制在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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