电源中的单磁放大、双磁放大和DC-DC是何方神圣?读完攒机可避坑

2019-07-25 18:20:34 40点赞 204收藏 23评论

本文经超能网授权转载,原标题《电源中的单磁放大、双磁放大和DC-DC是何方神圣?》,作者:潘靖江,未经允许请勿转载。

PC电源的输出可以分为4种电压5组线路,分别为+12V、+5V、+3.3V、-12V以及+5V待机,其中+12V、+5V和+3.3V是主要的功率输出来源,-12V在现在已经基本用不上,更多地是为了考虑兼容性而保留,+5V待机则顾名思义是负载待机输出的,本身也不是承担大功率的工作。因此一款PC电源性能好不好,+12V、+5V与+3.3V输出的质量可以说是起到了决定性作用。

目前PC电源主要是遵循英特尔的ATX12V规范来进行设计,目前该规范已经发展之2.52版本,根据相关要求PC电源的+12V/+5V/+3.3V的电压偏离度与电压调整率均不得超出±5%的范围,因此作为三路主要输出中电压最低的+5V与+3.3V,它们对电压的精准度其实有更高的要求,从而催生出了不同的稳压结构,目前以磁放大和DC-DC两种结构为典型。

电源中的单磁放大、双磁放大和DC-DC是何方神圣?读完攒机可避坑

+5V与+3.3V输出有那些结构?

什么是“负载调整率”和“电压偏离率”

那么+5V与+3.3V的单磁放大、双磁放大和DC-DC结构有什么不同呢?为了让大家更好地理解后文,我们在这里先解释一下刚才提到的“电压偏离度”和“电压调整率”究竟是什么。

首先“电压偏离度”就是指主要是指实际输出电压与标准电压所偏离的程度,具体计算公式如下:

电压偏离率 = (最大偏离电压-标准电压) / 标准电压 x 100%

而“电压调整率”则是指实际输出电压的最大值与最小值之间的差距与标志电压之比,具体计算公式如下:

电压调整率 = (实际最大电压-实际最小电压)/ 标准电压 x 100%

简单举例说明,假设某款电源的+12V输出最高值是12.4V,最低值是11.8V,那么这个电源的+12V电压偏离度则为(12.4-12)/12*100%=3.33%, 电压调整率则为(12.4-11.8)/12*100%=5%,因此按照英特尔ATX12V 2.52的要求,这个电源的+12V输出电压偏离率达标,但电压调整率则只是压线合格。

这也是为什么+5V与+3.3V对电压精度要求更高的原因,因为同样是±0.2V的差别,在+12V(±1.6%)上是正常幅度,+5V(±4%)则是需要注意,而对于+3.3V(±6.06%)来说已经不合格。

磁放大结构之单磁放大

那么既然PC电源的+5V与+3.3V输出以磁放大和DC-DC两种结构为典型,那么它们之间有什么不同呢?我们先从磁放大结构说起,磁放大结构可以分为单磁放大和双磁放大两种,其中单磁放大是指在主变压器副边和整流电路之间加了一个磁放大器,单独生成+3.3V,而+12V与+5V则采用联合稳压的方式通过PWM芯片进行共同控制。

电源中的单磁放大、双磁放大和DC-DC是何方神圣?读完攒机可避坑

图片源自先马实力先锋500W电源

这个结构的特点是对电压最敏感的3.3V有独立稳压的同时也兼顾了电源的生产成本,因此其常见于一些“预算敏感型”的入门级电源产品上。只是这个结构有一个难以解决的毛病,就是+12V与+5V的实际电压是联动的,因此这两组输出中任意一组有出现电压变化,都会明显影响另一组的实际输出电压,如果两路负载比例相当的话那还问题不大,但是一旦出现偏载时,为了满足负载较高的那一路电压需求,PWM主控会执行提升电压的操作,而此时轻载的一路输出电压也会随之提升,甚至可能会直接超标,因此单磁放大的电源往往在交叉负载测试中表现欠佳,极大地影响了电源的评价。

电源中的单磁放大、双磁放大和DC-DC是何方神圣?读完攒机可避坑

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先马实力先锋500W交叉负载表现

我们以先马实力先锋500W电源为例来说明,这款电源的+5V与+3.3V采用的就是单磁放大结构,可以看出在+5V与+3.3V拉满、+12V轻载的情况下,+12V的实际输出电压因为+5V的重载、PWM主控作出提升电压的操作而“被提升”至合格线的边缘,同样在+12V满载、+5V与+3.3V轻载的情况下,+5V也是一样实际输出电压被拉到较高水平。

磁放大结构之双磁放大

双磁放大结构则是在单磁放大的基础上改进而来,除了+3.3V采用独立的磁放大器生成外,+5V采用独立的磁放大器进行生成,这样+12V、+5V与+3.3V就都拥有了独立稳压控制线路,相互之间的干扰基本得到消除,单磁放大在交叉负载上的劣势也就因此消失了。

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图片为先马铜效700W电源

想要判断电源是否采用双磁放大是非常简单的,那就是看主变压器副边与整流管之间的磁放大器是否有两个,输出的储能电感是否有3个,因为单磁放大电路的+12V与+5V输出一般是共用储能电感的,+3.3V则是独立的储能电感。但由于多出一套晶体管控制电路、一个磁放大电感和一个储能电感,因此双磁放大结构的成本相比单磁放大结构几乎要翻倍,因此双磁放大结构很少用在低瓦数的入门级产品上,用在中高瓦数型产品上会比较合理。

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先马省电王铜效700W电源交叉负载表现

与单磁放大结构相比,双磁放大的优势是+12V、+5V、+3.3V输出互不干扰,简单来说就是每一路的输出特性都不会因为其他输出的变化而产生变化。以先马省电王铜效700W电源为例,其+5V与+3.3V采用的就是双磁放大结构,可以看出在较差负载测试中,每一路的输出电压仅与其当前负载有关,其他几路输出对其产生的影响很小。

然而磁放大器是接于变压器副边和整流管之间,其输出实际上是在副边输出的波形上抠掉一块,当电路为了调整某一路电压的输出而改变占空比时难免会牵扯到其他几路的输出,即便是三路输出独立稳压的双磁放大也难以完全避免这样的状态,只是相比+12V/+5V联合稳压单磁放大结构要表现更好而已。而为了彻底解决这方面的困扰,电源厂商引入了DC-DC结构。

+5V与+3.3V的当前最优结构:DC-DC

DC-DC可以分为实际上Buck降压式变换、Boost升压变换以及Buck-Boost升降压变换等多种结构,而PC电源里所用的DC-DC是Buck降压变换结构,其简单的原理图如下所示:

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由于LC滤波器的作用,Buck降压变换电路的输入电压和输出电压是Vout=Vin*D的关系,通过改变开关S的通断时间D可以改变输出电压的值,这就是Buck降压变换电路的最基本原理。

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图片源自Tt ToughPower iRGB Plus 850W电源

Buck降压变换结构是接于+12V整流之后,也就是整流管之后,直接通过+12V的直流电降压至+5V和+3.3V输出。与磁放大结构相比,Buck降压变换的开关频率往往是固定的,通过调整开关管的占空比(导通时间与周期之比)来调整输出电压,当电路负载升高导致电压下降时电路就会提高占空比把电压拉回来,是一个闭环的反馈系统,+12V、+5V和+3.3V的输出彼此独立。

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DC-DC结构电源的特性是+12V最大输出功率约等于电源额定功率

由于+5V与+3.3V不需要从变压器副边输出,因此主变压器的全部功率都只需要负责+12V输出即可,为此采用DC-DC结构的电源,大都有“+12V最大输出功率约等于电源额定功率”的特性,+5V与+3.3V输出可以根据实际需要从+12V获取供电,无论负载高低都不会影响另外几路输出的特性。

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Tt ToughPower iRGB Plus 850W电源交叉负载表现

从输出特性上来说,DC-DC结构与双磁放大结构其实还是蛮相似的,都是三路输出在不同负载组合下都能维持自己的特性,与其它输出并无关系。但是DC-DC结构相比双磁放大可以做到更精确的电压控制,因此DC-DC结构下的电压偏离度和电压调整率都可以做到很好的表现。此外DC-DC还有体积小、转换效率高、动态响应迅速等磁放大电路所不具备的优势,因此对于“性能优先型”PC电源,DC-DC结构显然是一个理想的选择。

为什么现在双磁放大的电源那么少?

对PC电源产品比较熟悉的玩家可能会问,既然+5V与+3.3V输出以单磁放大、双磁放大和DC-DC结构为典型,那为什么现在市场上甚少看见双磁放大结构的新品呢?确实如此,我们可以看到现在入门级电源产品上单磁放大结构仍然坚挺,毕竟成本优势在那里,入门级的机器往往功率不高,其结构劣势也不容易在日常使用中产生明显影响;DC-DC结构则从主流、中端到高端、旗舰都是遍地开花,甚至有向下发展到入门级市场的趋势;然而双磁放大电源却几乎销声匿迹,不仅很少听说有新品,就连已有产品线也是逐步退役,基本上已经是空有“经典之名”了。

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现在DC-DC结构的电源已经很常见了(图为Tt ToughPower iRGB Plus 850W电源)

而出现这个情况的原因,归根到底就是双磁放大结构的性能比不过DC-DC结构,但是在物料成本、调整难度上相比对方又不存在决定性的差距。随着越来越多的玩家看中DC-DC结构,双磁放大结构的地位是越来越尴尬了,在这种情况下再去推出双磁放大结构的新品无疑是逆潮流之行为,吃力不讨好,还不如让双磁放大结构就此退役,把市场空间让给DC-DC结构。

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