在两个邻近的导体之间放置一层绝缘材料,这就是电容器的构成方式。当给电容器的两个导体施加电压时,它就会积聚电荷,这也解释了“电容”这一名称的由来。电容不仅能够积聚电荷,同时也能释放电荷,并且具备“阻断直流、传导交流”的特点,因此凭借这些特点,电容派生出了多种不同的应用方式,比如蓄能、滤波、连接、退耦等等,如果详细阐述的话,那几乎需要整本教材来介绍,所以电容对于绝大多数的电子设备来说都是必不可少的组成部分。
电容在PC电源中也是必不可少的部件,玩家群体里甚至流传着一种观点,认为判断PC电源性能如何,首先要看它的电容容量是否足够大,我们暂且不论这种观点是否正确,但从这种观点能被普遍接受的情况来看,电容对PC电源的意义非常重大。现在就让我们对PC电源中的电容进行简要分析,探究它们具体发挥着怎样的功能。
PC电源里有些什么电容?
PC电源中电容的类别相当丰富,体积较大的包括金属薄膜电容、铝电解电容和固态电容,而体积较小的则有陶瓷电容以及MLCC贴片电容。同一种电容,放置在不同位置,其功能会有所差异,电路对电容的需求也并非一致,比如PFC电容需要具备较高的耐压能力,而输出滤波电容则要求拥有更大的容量,金属薄膜电容多应用于EMI电路,由此可见,根据实际应用场景,电容也可以被赋予不同名称,诸如安规电容、储能电容以及滤波电容等。
此外在LLC谐振架构里,同样可以发现电容器的应用,但这种电容器无法单独进行分析,因为它属于LLC谐振系统整体的一部分。此次探讨的重点是那些能够独立发挥功能的电容器,主要包括安全电容、功率因数校正主电容以及输出滤波电容这三种类型。
电源中有大量的电容存在
安规电容:为安全而配置
众多使用者常常关注PFC电路的核心电容,毕竟该电容体积可观,极易引起观感,并且对电源运作效果产生显著作用。然而,市电一旦接入电源,最先通过的并非主电容,而是需要先通过安全电容,之后才会流转至PFC电路内部。
上图中黄色电容为X电容,成对的蓝色电容则是Y电容
安规电容通常安装在电源的入口位置,它对电源运行表现的影响实际上微乎其微,主要是为了符合电源的安全规范要求而设置的。它和常规电容的主要不同之处在于,常规电容在充电后,电荷能够维持很长时间,即使切断电源并静置一段时间,用手触碰电容的引脚依然会感觉到电流;而安全电容则没有这种现象,它们在断电后会立即释放电荷,即便用手接触也不会有触电反应,安全性能优越。正是因为两者存在这种差异,因此安全电容和常规电容不能互换使用。
PC电源里的安全电容分为两种类型,分别是X电容和Y电容,它们大多用于EMI抑制环节,X电容连接在电力线两线之间,通常采用uF级别的金属薄膜电容,主要作用是消除差模干扰,Y电容则连接在电力线两线与地线之间,一般使用nF级别的电容,通常是成对配置,主要功能是削弱共模干扰。它们对电力表现几乎无影响,无需特别设置,短时运行也不会发生故障,所以低劣的电源常省去安全电路,这种做法会令电源的抗干扰性能急剧下降,有损害其他设备可能,除了价格便宜,别无优势。
PFC主电容:承担PFC的高压电流
安规电容对电源表现几乎无足轻重,而接下来讨论的电容则与电源表现紧密相连。首先考察PFC电容,也就是通常所指的主电容,它基本上是电源内部体积最为庞大的电容。主电容的功能在于蓄能和净化电流,其具有三个关键指标,分别为承受电压值、工作温度范围以及存储电量大小。电容所能承受的最大电压值,就是耐压值,主电容是整个电源里承受电压最高的那个,因为它要承受PFC电路输出的高压电流。现在市面上常见的电脑电源大多都配备了主动式PFC装置,这种装置本质上是一种升压整流设备,能够把输入的交流电网电转换成电压更高的脉冲直流电,其输出电压常常会超过300伏特,有的甚至能达到380伏特那么高,所以PFC电容器的耐压能力必须很强,通常都要选择耐压400伏的型号,而性能更出色的电源则会采用耐压420伏或者是450伏的主电容,这样做能够提供更多的安全余量。
电容能够承受的最高温度称为耐温性,这个数值越高通常意味着电容的使用期限越长。电容的使用期限与其所处温度密切相关,当工作温度接近其耐温极限时,其老化进程会显著加快。在电压等级相同、容量一致以及工作环境相仿的前提下,耐温性能更优的电容在理论上能够提供更长的服务周期。主电容普遍有两种耐温规格,分别是85度和105度,105度自然是更优的选项,不过价格也相对昂贵,很多PC电源都配备风扇来帮助降温,主电容的实际温度通常不会接近其耐温上限,所以85度和105度耐温的电容在一般使用情况下差别不大,在预算相同时,制造商更愿意选用容量更大的电容
主电容的尺寸对电源表现的影响,比耐压和耐温指标更为显著。当前普遍采用的电源,其主动式PFC部分会产生高压脉冲式电流,因此电压形态并非连贯不断。倘若缺少主电容同PFC电感构成的LC储能滤波装置,那么在两个脉冲间隔的低电压时段,后续电路将无法维持正常运转。倘若主电容的储能能力不足,即便在重负荷运转时,线路中的电压仍会剧烈起伏,同时也很容易形成幅度较大的低频杂波,进而对下游电路的稳定运行造成显著干扰。
大容量的电容所占空间也会更宽广,所以高性能的电源会采用两个电容并行的方案来获取更大的总容量
另外电源的续航能力是关键衡量指标,续航能力体现为断开外部供电后,设备仍能正常工作持续多久,依据英特尔2.52标准,满负荷运行时,所有输出通道和PG信号必须能持续至少16毫秒。断开外部供电后,主电容里剩余的电能便为后续电路提供动力,因此要确保电源能持续足够长的时间,电容的容量非常关键,这也就是主电容对电源表现有显著作用的核心原因。
那么主电容应该配置多大容量的呢?各种电源构造对主电容的功能需求存在差异,比如双管正激对容量标准更严苛,而LLC谐振则要求较低,所以不能笼统对待,不过通常容量大些更佳,然而无节制地提升主电容的容量也是欠妥的,因为电容容量越大,充电过程就越缓慢,极易导致电源电压的启动阶段拖沓过长。因此主电容的规格通常需要依据电源的构造形式、标称功率以及产品市场定位等众多条件来设定,业内普遍采用一个衡量准则,即主电容的容量与标称功率的比例须达到“不小于每瓦对应0.5微法”,举例来说,一款标称功率为1000瓦的电源,其主电容的容量必须确保不小于500微法,这样才能确保主电容在电源内部能够充分实现能量储存和信号净化功能。
输出滤波电容:降低输出纹波的主要功臣
PC电源中除了PFC电容,还有另一种关键电容,即输出滤波电容。这种电容位于输出端,主要功能是进行滤波处理。它不仅能够清除输出直流电中的交流成分,还能有效减小输出端的纹波现象。
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
输出滤波电容的功能跟主电容相似,它负责为二次侧脉冲电流提供储能,同时起到滤波效果,不过它承受的电压比主电容低很多,通常是+12V、+5V或+3.3V这样的输出电压,但电流的强度会更高,频率也相对更大一些。因此滤波电容的选用通常注重容量而非耐压,常见的是低压大容量型号,比如16伏3300微法拉的电解电容,就是典型用于储存能量的输出滤波元件。另外考虑到二次侧的脉冲电流频率较高,当前市场上中高端电源产品普遍采用固态电容为关键的+12V输出进行能量存储和信号净化,一方面能够确保为其他设备供应稳定的+12V电源,另一方面固态电容在频率较高的环境下也能展现出更优越的净化性能。
模组接口的PCB上也会有电容进行滤波
另外在模块连接电源部分,为了降低接口端子的输出杂波和电压起伏,模块连接的电路板常安装多种电容器,诸如固态电容器与电解电容器,这些电容器主要发挥净化效果,同时也能实现蓄能作用。因此输出滤波电容虽然主要功能是减少输出波动,但它在电源维持供电时间上也有作用,所以原则上电容数量应当更多,总容量也应该更大,这样滤波和蓄能能力就会更强。
然而主电容的数值并非可以随意加大,输出滤波电容的总值同样不可随意加大,否则电源输出电压的建立过程会过于缓慢,很容易引发无法正常启动、关机后自动再次上电这类故障现象。此外英特尔在2.52电源设计手册里也清晰指出,每条输出线路的滤波电容总体容量需维持在3300微法左右,而早先的标准是将其限制在10000微法左右,明显是希望厂商能通过优化前端电路来提升电源表现,而不是单纯依靠增加输出滤波电容来达成目标。