新旧标准差异巨大 教你认清80plus电源

从今年3月Intel发布了新一代的Intel ATX12V 2.3版电源规范之后，电源产品的质量指标又再一次提高。而主观来说，崭新的Intel ATX12V 2.3版电源规范只不过是Intel对电源产品设计所制定的一个标准，电源产品通过Intel ATX12V 2.3版标准也并不能够纳入为最新款的节能电源。众所周知，今年7月20日能源之星4.0的发布对电源产品的转换效率作出了新的规定，其中最主要的指标规定则是电源产品转换效率至少达到80%，能源之星4.0的出现正式告诉我们消费者，是否具备节能功能与转换效率成为了当今衡量电源性能的重要指标之一。

　　美国环保局发布能源之星4.0之际，结合当前社会提倡的节能环保思想，节能电源的革新是众多电源生产厂商一致的研发目标，而且比能源之星4.0指标要求更高的美国80PLUS能源效率认证，属于目前世界上最严格的电源制品专业认证。能源之星4.0以及80PLUS认证均要求电源产品转换效率必须达到80%，而80PLUS认证在这一方面作出了更具体的规定，分别是PC在20%、50%、100%负载环境下转换效率均达到80%以上和额定负载情况下的功率因数PF值需要大于0.9，待机功率必须小于或者等于1W。如此严峻的电源指标要求，能够同时通过Intel ATX12V 2.3版电源规范、能源之星4.0以及80PLUS认证的电源产品，电源领域当中实际是相当罕见，综观国内电源市场产品种类繁多，质量却参差不齐，甚至众多低价劣质电源粗制烂造，严重影响到整机的正常运作甚至危及用户的生命安全。

　　国内电源领域在发展期间，只以不断提升电源额定功率为目标，转换效率、节能技术的忽略，以及电源内部架构老旧等一系列问题导致电源制品并不完善，而反观国外与台湾的电源生产厂家，均面向高效率节能电源目标出发，正好迎合当今节能环保的社会意向，符合能源之星4.0和80PLUS认证等都是尤关重要的，国内也有部分厂商推出了80plus电源。而各位朋友或许会想知道，高效率的80plus电源到底与普遍的电源有多大的差别？究竟又是哪一方面的优势使转换效率提升呢？以下我们IT168评测中心与大家一起探究崭新架构的电源产品优势在于哪个方面，希望众多消费者对此有更深入的了解。
　　高效能一切从EMI开始
　　本次电源技术探究以航嘉多核R80为例，以直观方式介绍电源内部架构以及采用的电子元件革新对电源转换效率带来的提升。一款质量优秀、转换效率高的电源产品并不只是在某一方面技术上有所革新，而是从整体做工和用料设计方面都是需要做到精益求精，才能使电流从输入直至转换之后输出保持高纯净度和低损耗。
　　EMI电路是电流输入到电源的首要部分，因此EMI电路起着重要的作用，根据3C认证的电源产品都必须具备完善的两级EMI电路设计，而并非具备两级EMI电路的电源产品就就具备高转换能力，其中EMI电路的做工和用料，甚至设计方式都会影响到电流的过滤和损耗。

左为航嘉多核R80，右为普通电源制品
　　一级EMI电路是首当其冲的重要关卡，EMI电路作用为直接过滤市电中的高频干扰和突发脉冲，电流的质量以及稳定性都必须依靠完整的EMI电路来得以保证，一级EMI电路一般是设计在市电直接输入处，一般EMI电路都是采用差模滤波电容、共模滤波电容以及高压小容量滤波电容，也有些是直接采用扼流电感线圈搭配二极管的组合方式来对电流进行滤波。当然扎实的做工和豪华的用料是纯净稳定电流的基础，但是并不意味着越多滤波元件就越好，我们消费者必须走出这一误区，因为电流经过多重的滤波元件，更多的滤波程序只会导致电流更多的耗损。
　　从航嘉多核R80的一级EMI电路设计来看，是恰到好处，一颗优质差模滤波电容足够完成过滤电流工序，而且经过一级EMI滤波电路后的线材还采用了电磁干扰抑制磁环，可以有效提高电源内部的抗干扰能力，尽量避免信号失真的情况发生以及减少电源对外界的电磁干扰；反观普通电源制品，充足的用料确保了电流的稳定和纯净，却很大程度导致电流在一级EMI电路过滤工序上损耗太大，浪费电力。

左为航嘉多核R80，右为普通电源制品
　　二级EMI滤波电流，将电流更为纯净化，二级EMI电路的设计也不能忽视，一般都采用一颗差模滤波电容搭配整流二极管的设计。航嘉多核R80采用了一颗小型的电感线圈来做二级EMI滤波电路，相对比普通电源制品的差模滤波电容加二极管设计，更显出航嘉对自家产品抱有相当大的信心。
高压滤波电路不容忽视

左为航嘉多核R80，右为普通电源制品
　　高压滤波部分是将经过EMI电路过滤后的220V交流市电转换成直流电，转换过后的电流是否稳定就取决于电源的高压滤波电路。对电源内部结构知识有一定基础的朋友，采用主动PFC电路的电源制品，高压滤波电路部分并不再需要大量的高压滤波电容，反而在滤波电容的性能指标上要求更加严谨。航嘉多核R80采用了台系的Capxon（丰宾）LP系列电容，具体参数为200V 820uF，电容容量达到820uF，足以应付一切突发性的压降情况，电容容量越大越能够确保电源不受到电压降低所造成的不稳定，保护了硬件设备的安全；相对比同类型额定功率300W的电源产品，仅仅采用200V 680uF的高压滤波电容，更显出航嘉多核R80的用料奢华。转换过后的直流电更稳定更平稳，有利于下一个工序对电流的处理与转换，而且超大容量的滤波电容可以提升电源的滤波效率。
变压器电路同样重要

左为航嘉多核R80，右为普通电源制品
　　在PC电源当中，变压器电路是把电流的高压端和低压端进行分离式转换，电压的变换则是根据变压器的匝数比例来决定，变压器的体积也在一定程度上反映一款变压器的转换能力。一般劣质或者体积较小的变压器会导致输出功率偏小，无法确保电流的稳定。在主动PFC电路当中，相当多消费者都有一个误区，从变压器的个数来辨别PFC电路，一是具备三个完整的变压器，则认为就是被动PFC电源，反之缺少待机变压器则是主动PFC电源。从实际电路来看，主动PFC电源的变压器内部并不一定要设计成没有待机变压器，设计方面得经过厂商的研发，不同的变压器电路设计则采用不同的搭配方法。
　　例如航嘉多核R80采用的则是主动PFC电路芯片 三段式变压器设计，由于主动PFC电路设计成了一个独立的电路模块，可以使市电的利用率最大化，虽然具备主动PFC电路芯片可以获得辅助电源，并不再需要待机变压器的使用，然而并联上待机变压器的话，主动PFC电路有更多的资源去处理电流与电压，待机变压器的存在也减轻了主动PFC芯片的负担。相对比普通的电源产品，主动PFC 3段式变压器设计完全优胜于被动PFC 3段式变压器的设计，无论是转换效率还是安全性能方面，前者的设计都是要优胜得多。
　　注：待机电源变压器是一个完全相对独立的小型开关电路，其输出的电压是主电路电压，当电路中主机向电源输出零电平的检测信号时，主机则会停止工作处于待机状态，当主机再一次运作，电路则延迟几百毫秒输出 5VSB，向电源电路输出高电平信号，电源检测到信号之后实现唤醒功能。完善的变压器电路即使在电源断电或者自动关闭的情况下，也可以避免硬盘来不及移动至原位而划伤盘片。

细探PFC电路

　　暂时市面上主要分为被动PFC电源以及主动PFC电源两大类，很多消费者都会一致地认为主动PFC电源才是最好的，因为主动PFC具备很高的功率因数（PF），所以众多朋友都又再一次走进了电源参数的误区。其实功率因数和转换效率是两个完全不同的范畴，功率因数是转换电路中的一个参数，也是电路的一个指标，在一定程度上关系到线路的电流损耗，功率因数最佳值为1.0；转换效率就是从市电输入通过电源直至转换完毕从电源输出工程中的电流转换利用率，是决定了电源通过转换过后的耗损多少，转换效率的指标当然也是越高越好，100%的转换效率是众多电源生产厂商所梦寐以求的，不过以暂时的电源技术来看，100%转换效率还并未能够实现。电源的损耗越大归咎于电源内部的电路设计，并不能完全把责任放在PFC电路之上。

　　由于要确保有足够的功率输出，因此采用主动PFC电路设计是必然的，在高功率输出以及应用电压范围广的情况下，主动PFC的采用是大势所趋，搭配上优质扎实的EMI电路设计，尽可能减少电源内部的电磁干扰，方能弥补主动PFC电磁干扰大的缺点。由于众多高转换率的电源产品都是出自大厂，不会墨守成规，总会开创不同的先进式电路设计，搭配上主动PFC电路，高指标的功率因数，转换效率也相当出色，这样才能完全通过苛刻的80PLUS认证。

（编者注：其实以电源的发展趋势来看，电源产品向着轻薄转换效率高的目标进发，被动PFC这种笨重的电子元件以及谐波范围导致其将被逐渐淘汰，更先进更完善的电路设计搭配主动PFC造就高转换率环保节能的电源产品指日可待。）
　　高效源于同步整流技术
　　随着电子技术的迅猛发展，硬件电压供给需求呈现越来越低的趋势，流行的多核心CPU，工作电压均是很低，电压需求降低了，然而需求功耗则是有增无减。如果按照P=UI的物理公式来计算，配件适用电压较低，功耗增大，那么硬件对电流的要求则日益加重。以往的电源设计采用的整流二极管，在低电压电路中整流损耗方面已经接近输出的电源功率40%，输出电源的损耗导致降低了电源效率。当通过的电流值越来越大，要想电流的损耗进一步降低，到底该如何改善呢？同步整流电源技术其实已经相当成熟了，在众多电源大厂的产品中都采用到此款技术，次级整流电路中采用同步整流技术，确保了电源转换高效率、低损耗，其中一切玄机在于整流电路采用通态电阻极低的功率MOSFET取代了一直以来沿用的整流二极管。
普通的整流二极管
功率MOSFET整流器设计

　　传统的整流二极管在工作电压越来越低，电流越来越大的工作环境下，逐渐显露劣势，电路的整体电流损耗导致转换效率难以提升。

同步整流和传统整流对比
　　新一代的同步整流技术不仅仅只是采用了通态电阻极低的功率MOSFET去取代传统的整流二极管，还在电流输出端的整流方式作出了修改，以往传统的二极管整流方式只是以直接导通的方式通过二极管进行输出，崭新的同步整流则是需要通过功率MOSFET的栅极电压必须与被整流后的电压相位保持同步才能完整一个整流工序，正因为采用了通态电阻极低的功率MOSFET，以I=U/R的公式来看，U为固定电压值，通态电阻越低则代表通过输出的电流值则越大，这样通过导通MOSFET后，电流依然保持较高的稳定性，而且损耗较小，相对比传统二极管高达1V的导通压降，仅为几毫欧的MOSFET转换器提供了更强大的转换能力，而且现今发展状况下，每颗MOSFET能够负载更大的电流量，而且以每导通60A仅损耗大概1%的指标确实在损耗方面大有长进。
　　集成度更高的MOSFET转换器模块，导通能力更强更快。功率密度的提升进一步预示了电源制品工艺的发展，将会向更小型化的产品发展，而且同步整流技术的出现，更好地搭配主动PFC电路，因为同步整流电路增强了电路的抗电磁干扰能力，电源内部各元件的干扰更小，电子元件的减少有利于成本的减少。不过以暂时同步整流设计的电路来看，还需要完善的PWM控制电路，因此在整体成本方面上还是比较难控制。



PWM控制电路的完善

KA7500C PWM控制芯片

航嘉多核R80的PWM控制电路
　　PWM控制电路是整个开关电源的核心部分，PWM控制电路既起着控制电路闭合状态控制作用，还可以实现各种不同的保护功能。完善的PWM控制电路可以很好地控制输出的电压稳定，主要工作原理在于控制反馈电路把电路信号发送到PWM IC，再调节开关管导通来实现稳压功能，电流通过PWM电路，电流与电压都受到监控，从信号反馈来辨别电流和电压的实际情况，倘若电压出现突发性降低，PWM电路则会通过转换输出端或直接采用保护断电的方式来实现保护功能，从而保护PC各配件的安全。航嘉多核R80的PWM控制电路PCB上整合了三颗日本LAMBDA的AS339P-E1 IC，搭配KA7500C IC，专业的控制芯片提供过压、欠压、过流、过功率、过温度保护功能，多达4颗的控制芯片可以全面监控各电路的情况，以达到响应时间更短的实施保护操作。
　　扎实的低压滤波电路

　　当电流通过多处的滤波处理以及整流之后，将要输入至PC，而最后的关卡——低压滤波电路是不能忽略的重要部分，纵使EMI电路完善、强劲的高压滤波处理、完整的变压器分流、主动PFC与先进的同步整流电路设计相搭配，最后的低压滤波电路稍有马虎，一切都是前功尽费。低压滤波电路部分一般都是采用大量的低压滤波电容以及扼流电感线圈进行滤波处理，显然航嘉多核R80的低压滤波电路相当完整，甚至能用豪华来形容，两个硕大的扼流电感线圈搭配大量的优质低压滤波电容组成整个滤波模块，确保输出的电流稳定纯净。
电源发展趋势与总结

80PLUS认证是各个电源产品一致的目标
　　面对能源之星4.0与80PLUS认证的苛刻要求，国外众多电源大厂产品均难以通过严谨的要求，稳定性和转换功率的指标日益提升，显然我们消费者对电源产品的要求也更高了。RoHS欧盟环保认证以及更严峻的SSI EPS12V 2.91规范也将会得到普及，届时电源产品并不再只是从功率上衡量性能指标了，电源的功率、转换效率、节能技术以及安全性众多方面都是必须要顾及考虑的范围。
80PLUS认证要求细则 负载情况 转换效率 功率因数（PF） 20% ≥80 ≥90 50% ≥80 ≥90 100% ≥80 ≥90

苛刻的80PLUS认证要求
　　在电源额定功率不断提升的同时，转换效率与节能技术的应用也得到了广大电源生产厂家的重视，航嘉率先向市场推出了完全通过80PLUS认证的电源产品，作为国内大型电源厂商，笔者表示对国内电源生产领域感到期望，而且国货电源完美通过80PLUS认证将会引领整个国内电源领域技术革新化。面对琳琅满目的电源产品市场，希望各位消费者通过阅读此文之后对电源的内部结构会有更深刻的认识，在选购方面能更轻松选择到节能环保的新一代电源产品。