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盘点:那些PC电源里最常见的电容有哪些,他们各自又发挥什么作用?

2020-05-26 09:50 来源:互联网 编辑:Emma

有一种元器件很常见,主要有滤波、耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路作用。binggo,没错就是电容。今天讲解电容的方式有所不同,这次我们通过盘点PC电源里最常见的电容有哪些,并从中讲解各类电容有何作用?

盘点:那些PC电源里最常见的电容有哪些,他们各自又发挥什么作用?

在PC电源中电容自然也是必须的元件,在玩家群中甚至有这么一种说法,要看一个PC电源行不行,首先就得看它的电容够不够大。我们姑且不说这种说法有没有道理,但从这种说法能够广泛流传的情况来看,电容对于PC电源的重要性是不言而喻的。为此今天我们就来简单梳理一下PC电源里面的电容,看看它们到底起到了一些什么样的作用。

PC电源里有些什么电容?

如果单从种类上来说,PC电源里的电容种类有很多,其中体积比较大的有金属薄膜电容、铝电解电容和固态电容,体积小一点的则有陶瓷电容以及MLCC贴片电容。不过即便是同一种电容,放在不同的位置所起到的作用也是不一样的,不同的电路对于电容的要求也各不相同,例如PFC电容所需要的电容是耐压值高的,输出滤波的电容则需要容量更大的,金属薄膜电容则常用于EMI电路,因此用在不同地方的电容,也可以根据使用环境而定义为不同的电容,例如安规电容、储能电容和滤波电容等等。

另外在LLC谐振拓扑中,我们也能看到有电容器件的存在,不过这种电容并不能单独拿出来讨论,因为它是LLC谐振电路的一个组成部分。我们这次主要讨论的是能在电路中单独起作用的电容,主要是安规电容、PFC主电容和输出滤波电容三类。

盘点:那些PC电源里最常见的电容有哪些,他们各自又发挥什么作用?

电源中有大量的电容存在

安规电容:为安全而配置

很多玩家都把注意力放在PFC电路的主电容上,毕竟主电容体积很大,容易吸引注意力,而且对电源的性能也有着相对明显的影响。但实际上市电进入电源后,首先要进入的其实并不是主电容,而是要经过安规电容后才会进入到PFC电路 的。

盘点:那些PC电源里最常见的电容有哪些,他们各自又发挥什么作用?

上图中黄色电容为X电容,成对的蓝色电容则是Y电容

安规电容一般布置电源的输入端,对电源的性能影响其实很小,更多地是为了满足电源的安规需求而配置的。其与普通电容最大的区别在于,普通电容在充电后,电荷可以保留很久,即便是断电并放置一段时间后,用手触摸电容的引脚也仍然会有触电的感觉;而安规电容则不存在这样的问题,它们在断电后会迅速放电,即便用手触摸也不会有触电感,安全性很高。 正因为两者存在这样的差别,所以安规电容与普通电容是不能相互代替使用的。

PC电源中的安规电容有X电容和Y电容两种,基本上都用在了EMI抑制电路上,其中X电容是跨接在电力线两线之间的电容,一般选用uF级的金属薄膜电容,用于抑制差模干扰;Y电容是跨接在电力线两线和地线之间的电容,一般选用nF级电容,基本上是成对出现,用于抑制共模干扰。由于它们对电源性能影响极小,即便不做配置,短时间里也不会出现问题,因此劣质电源大都会省略安规电,但这种做法会让电源的EMI抑制能力大幅度削弱,存在损坏其它硬件的风险,除了成本更低并无其它好处。

PFC主电容:承担PFC的高压电流

如果说安规电容对电源的性能影响很小,那么接下来要说的电容就与电源性能息息相关了。首先我们来看看PFC电容,也就是我们常说的主电容,基本上也是电源里体积最大的电容。主电容的作用是储能和滤波,其身上三个参数重要参数,分别是耐压、耐温和容量。其中耐压值指的是电容可以承受的电压上限,主电容是整个电源中承受电压最高的电容,因为其需要面对PFC电路输出的高压电流。目前主流的PC电源基本上都已经用上了主动式PFC电路,这实际上是一套升压整流电路,可以将输入交流市电转变为电压更高的脉冲直流电,其最高电压往往超过300V甚至达到380V的水平,因此PFC电容必须拥有较高的耐压值,一般来说都需要用到耐压400V的产品,高端电源则会用上420V甚至是450V耐压的主电容,有更高的冗余量和安全度。

盘点:那些PC电源里最常见的电容有哪些,他们各自又发挥什么作用?

耐温则是指电容可以承受的温度上限,一般来说电容耐温的耐温越高,电容的寿命也会越长。而电容的寿命则与电容的温度有密切关系,工作时电容温度越接近于耐温值,其寿命缩减的速度就会越快,因此在同等耐压、同等容量和同等工作环境的情况下,耐温值更高的电容理论上会拥有更长的工作寿命。目前主电容常见的耐温值有85℃和105℃两种,后者当然是更好的选择,但成本也会更高,而且由于PC电源大都有风扇进行散热,主电容的温度其实很难达到耐温值的上限,因此85℃耐温的电容与105℃耐温的电容在常规的使用环境中来说其实并没有明显的差异,在相同的成本预算下,厂商会更倾向于容量更大的电容。

与耐压和耐温值相比,主电容的容量对于电源性能的影响是比较明显的。目前主流电源所用的主动式PFC电路输出的高压脉冲电流,因此电压波形并不是连续的。如果没有主电容与PFC电感组成的LC储能滤波电路,那么在两个脉冲之间的低电压阶段,就必然会导致后续电路无法稳定工作。但是如果主电容的容量不够,那么在高负载的情况下,电路中的电压仍然会出现很大的波动,也容易产生较高的低频纹波,会对后续电路的正常工作产生明显影响。

盘点:那些PC电源里最常见的电容有哪些,他们各自又发挥什么作用?

大容量的电容体积也会更大,因此高端电源会用两个电容并联的方式获得更高的等效容量

此外PC电源的保持时间也是一个很重要的评估参数,保持时间是指电源在切断外部市电输入后仍然能够维持正常输出的时间,按照英特尔的ATX12V 2.52规范的要求是满载输出的情况下,各路输出以及PG的保持时间不小于16ms。在切断外部输入之后,主电容中残留的电力就成为了后续电路的唯一能量来源,因此想要保证电源的保持时间能够达标,电容的容量也是很关键的,这就是为什么说主电容对电源性能有较大影响的主要原因。

那么主电容应该配置多大容量的呢?不同的电源拓扑结构对主电容的要求其实是不一样的,例如双管正激对容量的要求会高一些,而LLC谐振则会小一些,因此我们不能一概而论,但总体来说还是容量大会更有优势的,但盲目增大主电容的容量也是不正确的,因为容量越大的电容的充电时间也会越长,很容易会引发电源电压上升时间过长的问题。所以主电容的容量一般是需要根据电源的拓扑结构、额定功率和市场定位等多方面的因素来进行确定,目前业内有一个评判标准,那就是主电容的容量与额定功率之间的关系应该是“不低于每瓦0.5μF”,也就是说一个额定功率为1000W的电源,其主电容的容量应该要不低于500μF,这样才能保证主电容在电源中可以起到很好的储能和滤波的作用。

输出滤波电容:降低输出纹波的主要功臣

除了PFC电容外,PC电源里还有一种电容是比较重要的,那就是电源的输出滤波电容。顾名思义,输出滤波电容是放置在输出端的电容,主要起到滤波的作用,除了滤除输出直流电中的交流成分外,还可以起到降低输出纹波的作用。

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中高端电源的+12V输出已经普遍采用固态电容进行储能和滤波

与主电容的作用类似,输出滤波电容主要承担二次侧脉冲电流的输出储能和滤波作用,只是承受的电压相比主电容是要低很多,是+12V/+5V/+3.3V这样的输出电压,但电流强度会更大,而且频率会更高一些。因此输出滤波电容一般是耐压值比较低但容量比较大的产品,例如16V耐压3300μF容量的电解电容就是一种很典型的输出储能滤波电容。此外由于二次侧的脉冲电流频率更高,在目前的中高端电源产品中已经普遍用上了固态电容为最重要的+12V输出进行储能和滤波,一来可以为其它硬件提供稳定的+12V电压,而来固态电容在高频下的滤波效果也会更好一些。

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模组接口的PCB上也会有电容进行滤波

此外在模组接口电源中,为了减少端口的输出纹波和电压波动,模组接口PCB上也常见各种电容,包括固态电容和电解电容,这些电容主要是起滤波的作用,但也会具备储能的效果。因此尽管电源的输出滤波电容的主要作用是降低输出纹波,但是在电源的保持时间方面也会有一定的贡献,因此从原则上来说,输出滤波电容也应该是数量越多、等效容量越大,滤波和储能的效果也会越加显。

但正如主电容的容量不能盲目增大一样,输出滤波电容的总容量也是不能盲目增大的,因为这样会导致电源输出电压的上升时间过长,很容易引起开机失败、关机后自动重启这样的小毛病。而且英特尔在ATX12V 2.52电源设计指南中也明确要求,每路输出的滤波电容总容量应该控制在3300μF左右,而之前的要求是控制在10000μF左右,显然是希望厂商是通过调整前端电路的方式来获得更好的电源性能,而不是通过加大输出滤波电容的方式来换取。

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