在超级级(218):PC电源中,大大小小的电容器的作用是什么?

作者:木子      发布时间:2021-04-13      浏览量:0
在两个非常接近的导体之间夹一层非导电绝缘

在两个非常接近的导体之间夹一层非导电绝缘介质,这是电容的基本结构。当电容的两个导体之间给定电压时,电容存储电荷,这就是“电容”这个名称的来源。此外,电容不仅可以存储电荷,还可以释放电荷,还可以“切断直流,对交流”特性,因此利用这些特性,电容可以产生在许多不同的用途,如储能、滤波、耦合、解耦等。如果你想详细谈论它,它基本上是一本教科书的数量。因此,电容对于大多数电气产品来说是不可缺少的。

电容是PC电源中必不可少的组成部分。在玩家群体中,甚至有这样一种说法:看一台PC电源是否工作,首先取决于它的电容是否足够大。我们不要说这说法是否合理,而是从这句话可以广泛流传的角度来看,电容对个人电脑电源的重要性是不言而喻的,因此,今天我们会简单梳理一下电脑电源的电容器,看看它们扮演了怎样的角色。

PC电源中有哪些电容器?

如果单用PC电源中有多种类型的电容器,那么较大的是金属膜电容器、铝电解电容器和固体电容器,而较小的是陶瓷电容器和MLCC贴片电容器。然而,在不同的位置上,即使是相同的电容也起着不同的作用,不同的电路对电容的要求也不同。例如,PFC电容的耐压要求很高,输出滤波器的电容要求更大,金属薄膜的电容常用于EMI电路中。因此,在不同的地方使用的电容器也可以根据使用环境而定义为不同的电容器。例如,安全表电容、储能电容、滤波电容等。此外,在LLC谐振拓扑中,我们也可以看到电容器件的存在,但这种电容不能单独讨论,因为它是LLC谐振电路的组成部分,本文主要讨论了在电路中起单独作用的电容器,主要是安全表电容、PFC主电容和输出滤波器电容。

电源中有大量的电容器。

配置

为了安全起见,许多玩家注意PFC电路的主电容。毕竟,主电容很大,容易引起人们的注意,并且对电源的性能有着相对明显的影响。但实际上,供电后,首先要进入的不是主电容,而是以后的安全电容器会进入PFC电路。

中的黄色电容为X电容,蓝色电容成对为Y电容

的输入,对电源性能影响不大,更能满足电源的安全要求。普通电容器与普通电容器最大的区别是充电后可以长时间保持电荷,即使断电放置一段时间后,电容针仍会产生电击感;而且电容的安全性没有这样的问题,断电后会迅速放电,即使被手碰触,也不会有接触电感,而且安全性很高。由于两者之间存在着这样的差异,所以安全表电容和普通电容是不能相互替代的。

型PC电源有两种安全电容:X电容和Y电容,它们基本上用于EMI抑制电路中,其中X电容是两条电力线之间的电容,UF电平的金属膜电容一般用来抑制差动模干扰。Y电容是电力线路中两根电线和地线之间的电容,通常用来抑制共模干扰。由于它们对电源性能的影响很小,即使没有配置,在短时间内也不会出现问题,所以劣质电源会忽略调压电源,但这会大大削弱电源的电磁干扰抑制能力,除了降低成本和其他好处外,还会对其他硬件造成损坏的风险。

PFC主电容:PFC的高压电流

如果安全表电容对电源性能影响不大,那么接下来要说的电容与电源的性能密切相关。首先,让我们看一看PFC电容,我们通常称之为主电容,它基本上是电源中最大的电容。主要电容作为储能和滤波,其三个重要参数是电压电阻、温度电阻和容量。耐压值是指电容所能承受的电压上限,主电容是整个电源中电压最高的电容,因为它需要面对PFC电路输出的高压电流。目前,主流PC电源基本上采用有源PFC电路,它实际上是一套升压整流电路,可以将输入的交流功率转换为高电压的脉冲直流,最高电压往往大于300 V甚至380 V,所以PFC必须具有较高的耐压值,一般都需要使用电压400 V的产品。高端电源将使用420 V甚至450 V的耐压主电容器。具有较高的冗余度和安全性。

耐温是指电容器所能承受的温度上限。一般来说,电容器的电阻越高,电容器的寿命就越长。电容寿命与电容温度密切相关。电容温度越接近温度耐受值,寿命降低越快。因此,在相同的电压、相同的容量和相同的工作环境下,具有较高温差的电容在理论上具有较长的工作寿命。目前,主电容有两个共同的温差值:85℃和10 5℃。后者当然是较好的选择,但成本也会较高,而且由于大多数PC电源都有散热风扇,主电容的温度很难达到上限的温容值。因此,在常规使用环境中,85℃的耐温电容与105℃的电容没有明显的差别。在相同的成本预算下,85℃的耐温电容与10 5℃的电容没有明显的差别。制造商更有可能拥有更大的电容器。与电压和温度值相比,主电容的容量对电源的性能有明显的影响。

与电压和温度值相比,主电容的容量对电源性能的影响更为明显。目前,主流电源采用有源PFC电路输出高压脉冲电流,因此电压波形不连续。如果没有由主电容和PFC电感组成的LC储能滤波电路,那么在两个脉冲之间的低压阶段,必然导致后续电路不能稳定工作。但是,如果主电容容量不足,则在高负载情况下,电路电压波动较大,容易产生高频纹波,对后续电路的正常运行有很大的影响,

大容量的电容体积也较大,因此与两个电容器并联时,高端电源将获得较高的等效容量。

那么主电容器应该配备多少容量?不同的电源拓扑对主电容的要求实际上是不同的。例如,双晶体管正激对电容的要求较高,而LLC谐振较小,因此不能推广,但一般说来,容量更有利,但盲目增加主电容的容量也是不正确的,因为电容越大,电容的充电时间越长。很容易造成电源电压过高的问题。因此,主电容的容量一般取决于电源的拓扑结构、额定功率和市场定位等因素。目前,工业上有一个标准,就是主电容的容量与额定功率之间的关系应该是“不小于每瓦0”。“5μF”,即额定功率为1000 W的电源的主电容容量不应小于500μF,以保证主电容在电源储能和滤波中发挥良好的作用。

输出滤波器电容:除PFC电容外,减小输出纹波

的主要作用是在PC电源中存在另一种电容,即电源的输出滤波电容。顾名思义,输出滤波器电容是放置在输出端的电容,主要起到滤波的作用。除了对输出直流中的交流分量进行滤波外,它还可以起到减少输出纹波的作用。

高端电源的+12V输出一般采用固态电容储能,滤波

与主电容相似。输出滤波器电容主要承担二次侧脉冲电流的输出储能和滤波效应,但输出电压远低于主电容,即输出电压+12V/+5V/+3.3V,但电流强度较大,频率较高。因此,输出滤波器电容一般是耐压值低但容量大的产品。例如,16V电压3300μF容量的电解电容器是一种非常典型的输出储能滤波器电容。此外,由于二次侧脉冲电流频率较高,固态电容器被广泛应用于电流型高端电源产品的储能和滤波中,对于最重要的+12V输出,可以为其他硬件提供稳定的+12V电压,而且固态电容器在高频下的滤波效果也会更好。此外,为了减少模块接口的输出纹波和电压波动,各种电容,包括固态电容器和电解电容器,在模块接口PCB上也很常见,主要起到滤波的作用,但也会起到储能作用,以减少

模块接口中模块接口的输出纹波和电压波动,因此,电源输出滤波电容的主要功能是减小输出纹波,但对电源的保留时间也有一定的贡献。因此,从理论上讲,输出滤波器电容器的数量越多,等效容量越大,滤波和储能效果就越明显。

但由于主电容的容量不能盲目增大,输出滤波器电容的总容量不能盲目增加,这会导致功率输出电压上升时间过长,容易导致开机故障,关机后自动重启。而英特尔在ATX12V2.52电源设计指南中也明确要求每个输出滤波器电容的总容量控制在3300μF左右,而先前的要求是控制在10000μF左右。显然,希望厂商通过调整前端电路而不是增加输出滤波器电容来获得更好的电源性能。