为什么 DC-DC ATX 转换器这么大?

电器工程 直流-直流转换器 atx
2022-01-16 17:43:27

我观看了一段有趣的视频,其中施法者对现代 850W 计算机 PSU 进行了逆向工程从这个拆解可以看出,90% 的 PSU 大部分都用于将 120V 输入同步转换为最终输出,即 12V 反激式变压器。一旦获得这个 12V 直流电源,就可以使用变压器的直接输出或两个不同的同步降压稳压器(一个用于 5.5V 和 3.3V)的输出来生成输出。一般来说,一旦获得 12V,电源下游唯一的事情如下:

  1. 5V 降压稳压器
  2. 3.3 降压稳压器
  3. 电压感应电路板(向主板发送“电源良好”信号)
  4. -12V 逆变器,这是另一个降压稳压器(非同步)

这些组件占 PSU 质量的不到 10%。

所以,我不明白的是,鉴于这些组件的尺寸相对较小,为什么 DC-DC ATX 转换器这么大?例如,PowerStream 销售的 650W DC-DC ATX PSU与拆解视频中的 850W PSU 一样大。但既然 PowerStream 采用 12V 输入,为什么需要这么大呢?既然它似乎只需要上面列出的 4 个组件,它就不能更小吗?

一个可能的线索是规格中提到了 1500V AC“隔离”。那么,这是否意味着他们将输入转换为 1500V AC,然后再次下变频?如果是这样,那将解释大部分。如果这种“孤立”确实是原因,他们为什么需要这样做?如果 PSU 从电池获得 12V 电源,则电源会很顺畅,那么为什么要费尽心思将 1500V AC 转换为 12V DC 呢?

4个回答

尽管它是 DC/DC 而不是 AC/DC,但所有输出都与输入完全隔离,因此 100% 的总能量必须通过变压器,这是设备中最大的组件类型。为此,输入直流必须被斩波,就像另一个电源中的输入交流经过整流和滤波后一样。因此,唯一真正节省体积的是可能消除或减少大型输入电容器。主切换器是低压转低压,而不是高压转低压,但总能量相同,并且以整数表示,每立方英寸的瓦数相同,因此总体积是一样的。

而且,由于 DC/DC 电源中的输入电流大约大 10 倍,因此变压器初级绕组会更胖,任何噪声抑制扼流圈也会更胖。有人可能会争辩说(对于等效输出功率水平)DC/DC 电源应该大于AC/DC 电源,而不是更小

电源是完全隔离的,因为制造商无法知道现场直流电源的“质量”。您不希望 12 Vdc 输入和各种 DC 输出共用一个接地点的原因有很多。1500 V 是变压器初级和次级之间绝缘的击穿电压额定值。它不涉及任何实际的内部电压电平。

除了匹配的外形尺寸外,对于给定的技术水平,电源体积或多或少与瓦特保持不变。功率水平相同,因此它们可能使用相同的拓扑(正向转换器)。变压器的初级匝数更少,但由更大横截面的导线制成,以处理约 20 倍的高电流和类似的 I^2R 损耗。

至于为什么要隔离 - 避免接地环路是一个非常好的主意。您不希望大量电流流过 USB 电缆外壳等。如果负线有点松动,你可以很容易地烧掉你的妈妈。

不需要主储能电容器可以节省一些空间,但其余部分将相似,并且直流输入电源可能不如它们的大容量表亲优化。请记住,85% 效率下的 850W 输出意味着 1kW 输入,因此它将消耗 83A(10V 输入时为 100A),这意味着粗线或粗线。

隔离当然需要一定的电路板布局,而且它会使变压器绕组变大。

但这不是重点。尺寸的限制因素是

  1. 热传输(“冷却”)
  2. 变压器/电感器尺寸
  3. 电容器尺寸
  4. 功率半导体尺寸

对于 3.,电压有很大的不同——一个可以承受 6 V 的 220 µF 电容器适合您最小的指甲,而一个可以承受 500 V 浪涌的 220 µF 电容器实际上很大。这基本上是因为隔离两个电极的层只需要更厚,这使得相同尺寸的电容器具有更小的电容。

但你是对的,这是一个“主要问题”,即它影响 PSU 中的几个电容器。

现在,2. 需要考虑三件事:

  • 隔离
  • 电线的载流量
  • 储存在磁场中的能量。

如果您需要处理高压绕组,那将需要在其电线周围进行更厚/更安全的隔离。

如果您决定通过同一个次级绕组推动所有功率从该次级绕组降压到其他电压,那么该绕组将承载大量电流,因此需要大直径导体。

最后,如果您不能设计具有高开关频率的开关模式电源,那么您需要在初级馈电时将大量能量存储在电感器/磁芯中。这使整个事情变得更大。

另一方面,您不想切换太快——这会二次方地增加开关晶体管的损耗,然后它们需要更大并产生更多热量,为此你需要散热——你明白了,那就是让事情变得更大。

现在,有一些事情通常比其他事情更难:

想想你需要存储的能量,以便即使输入下降也能提供稳定的电压(它很可能会这样做,尤其是在 12 V 或 24 V 车辆电源中!)。你会发现从 210-260 V -> 12 V(因为一点点电容会储存大量能量,而且输入永远不会低于输出)比从 8V 到 16V 更容易到 12 V。您需要确保某处存储了足够的能量来完成这项工作!您通常会在其中找到具有多个线圈/变压器的开关模式架构,以确保有一些能量的中间存储,输出始终可以从中获得电力。这当然是更大的组件,意味着更多的损失,这意味着更多的冷却,这意味着更大的尺寸和重量。

AC-DC 的输入端将与 DC-DC 转换器的输入端大致相同。

AC-DC 转换器首先将市电输入整流为 DC,并对其进行一些基本滤波。然后使用隔离变压器对该直流电压进行斩波和下变频。

DC-DC 转换器进行一些基本滤波,然后斩波并通过隔离变压器。

因此,总的来说,输入滤波、隔离变压器和输出调节都存在主要组件。

一个可能的线索是规格中提到了 1500V AC“隔离”。

这并不意味着你认为它意味着什么。那是指能够在输入端子上放一个极,在输出端子上放另一个极,然后在其上施加1500V,并且没有电流泄漏。这需要我上面提到的隔离变压器。

如果 PSU 从电池获得 12V 电源,则电源将平稳

不,它不是,一个常见的 12V 电源来自车辆,其中一堆其他组件正在打开和关闭,一组火花塞每秒点火数千次,并且发电机不断改变速度。ATX 标准不能认为这个电压是稳定的。因此他们需要做相当多的过滤。至少与从主电网获取电力时所做的一样多。