电源检测

电源检测
前言
我们的评测实验室曾经测试了大量ATX标准PSUs（供电单元，也就是通常所说的电源），在测试过程中我们都会遵循严格的标准，而其中测试方法/标准的制定需要坚定不移地达到和争取获得两个重要目标：获得一定的基准以对不同型号的电源作出客观评价，其次是让我们的测试结果和文章直观易于理解。

那么电源内部结构和测试标准究竟有什么玄妙呢？作为普通消费者的你，是否了解？如果是作为厂家和媒体从业人员的话，对我们的评测方法感兴趣吗？
虽然笔者一再强调测试方法应注重可见性，不过在某些时候这依然只是奢想而已。

比如衡量电压稳定性的时候，几乎每个电源都会得出不同的负荷曲线图，如果没有不间断地参考电源的制造特质，不同电源测试得出的图案根本就没有可比性。

也就是说，每个电源测试所得出的结果都是有一堆那么多前提条件和保留说法，这些保留的说法，唉~~，其实就让图表的制作更加难上加难。

当然，如果硬要制作对比图表也可以，只是那样的话我们测试还有任何意义吗？
呵呵~~，大家别郁闷，我们现在已经找出了一些全新的办法可以取代旧式“电压稳定测试”办法来衡量电源的优劣。

新测试办法不仅可以提供直观的结果，而且可保证结果是精确可靠的，这样再对不同电源进行衡量评测的时候就非常方便了，比如制作横向对比图表，也不再担心考虑一堆因素和误差了。

新办法的灵感来自电源的cross-load特性，在我们的同事进行设计和改进后，一个直观且提供丰富信息的电源测试办法应运而生了！
为了验证这个测试办法，我们今天也找来了不同品牌、型号的电源进行一次横向测试。

也许有很多读者会说电源有不同的电路设计，因此不了解电源开关模式，不明白电源里乱七八糟的参数究竟是怎么回事。

如果你对这些一点不懂，那就乖乖地把文章从头读到尾，如果了解一点电源的供电模式和工作模式，那么可以跳到文章的第三部分，直接从测试设备和方法开始读起。

一、线性开关电源+
我们都知道电源中会有一些电路板，其作用主要是调节、控制或者稳定电源的输入，此外它
还充当了电源和负荷的接口。

传统电源的设计很简单，不过其应用最广泛的控制原理一直都是控制设备的心病，比如大量的电能会转化为热量而消耗掉。

上面的图表是"线性电压调节器"设备的简单原理。

220 V 的电压通过T1变压器后经过调整，然后被D1的二极管桥接电路纠正。

很显然，输入的被纠正电压将一直比调节器的输出电压高，也就是说根据线性调节器的原理，其中必然会有一些能量的损失。

在这个例子中，剩余的能量主要是在电流通过U1电路输出的时候，被Q1所消耗，变成热量。

这样的设计有两个非常明显的缺点。

首先，低频的交流电(中国为50或者60Hz)需要大量的减缓变压器，每几千米就要大约200-300W 变压器。

其次，变压器的输出电压需要一直高于调整
器的输出电压总和。

这些意味着晶体管将需要消耗大量过多的电能，严重地影响了设备的电能利用效率。

为了解决这些问题，工程师们发明了Switch-mode 开关模式电压调节器，它完全解决了控制设备对电能的消耗。

我们可以把它想像成一系列成串的有序开关组合（晶体管），在该设计中，均衡的电流通过不仅根据电阻和电压，还与开关的频率有关，频率越高电流越高。

这样的设计能够有效地控制负载通过的平均电流，而且由于开关本身只有“全开”或者“全关”的模式，根本不会造成电流的消耗。

在理想情况下，开关所造成的电源消耗是等于零，那么产生的热量也是等于零。

当然，事实上根本就不会存在这样理想的情况，主要原因有二：首先是由于开关是晶体管组成的，那么即使它们在关闭情况下，依然会有微量电流通过，其次开关的反应也并非等于零，其中的延迟也会造成电流通过。

不过在开关电路所产生的电能消耗，要比线性调节器低得多。

从数字上来说，传统线性调节器的效率大约在25-50%，而交换模式调节器的效率则可以达
到90% 以上。

此外，如果我们在变压器前增加一个交换模式电压器，我们就无需考虑电流的频率（这时候输入和输出电压是直接相关的）。

在开关调节器中，电压器的体积跟运行频率成反比，与线性模拟的方式相比，它的尺寸可以做得非常小。

电源的输出功耗大约为每平方米4-5瓦，工作在50KHz 的电源功耗仅为0.3-1瓦。

此外，实现交换调节器也极少依赖输入电压的值和频率，虽然变压器对这些因素比较敏感，但是在电流进入变压器前，我们能够通过用一系列开关来控制电压和频率。

也许大家也明白，为什么开关调节器对电源插座所提供的Hz 不那么敏感，大约可以有20% 左右的偏离误差。

除了变压器，高频率的使用、滤波电容的减少(C1和C2)都可有效提高频率。

不过这里需要考虑两个问题，首先并非所有的电解电容能够工作在此频率下，其次在技术上来说实现20毫伏switch-mode 电源非常困难，而在线性电路这个数字可以达到5毫伏甚至更低。

不过显然，变压器工作在数KHz 下，不仅会是负担，而且带来噪音，电源的无线频率也不纯正，而对电源进行滤波的原因正是如此。

线性
电源，虽然本身对外界接口比较敏感，但它本身产生噪音，因此不需要特别的设备进行覆盖。

两种设备都有各自的优、缺点，交换电路会比线性电路更加复杂，而且价格也更贵。

但是，在高能供电系统中，交换系统会有一定的价格优势，因此在考虑价格的时候，除了变压器本身外，散热设备也不能够忽略。

在高能系统中，线性电源庞大的尺寸和低频率是其弱势。

例如，在今天15W 的交换电源比比皆是，而在几年前，如此小功耗的线性电源却非常少见。

二、个人电脑的电源系统
电脑系统中的供电系统大部分都是交换方式，究其原因是由于线性电源在这么小的体积下，很难达到相同的功耗密度、效率和热量。

例如，典型ATX 电源的供耗密度大约是2-5 每sq.inch(根据输出电源），效率不低于68% 。

上面的流程图是电脑电源系统的典型设计。

Macropower MP-300AR 电源的内部结构，大
部分电源都是类似设计
220伏的电压从插座输出，通过二线或者三线性过滤。

这步骤主要是降低噪音。

接着进入D1 电阻，然后是可选择的电源修正电路（新的电源型号效率会比较高），迟些将会跟大家介绍
一下什么是修正电路。

不过现在先给大家介绍一下线性电路（其实是线圈）的作用，其实这个问题也是很多读者都非常想要知道的。

上图是大多数电源使用的典型双线性过滤
原理图。

大家都知道，这里存在两个干涉因素：干涉电流在反方向流动造成的干涉
differential-mode ，还有干涉电流在向相同方向流动的干涉common-mode 。

在两个热线路中，主要干涉是differential-mode ，而在但个热线路和避雷针中，则主要是common-mode 模式。

Differential-mode 干涉在Ld 和Cx 电容之后，就很容易被制止。

Ld 的电阻极高，阻止了高频率噪音的通过，而Cx 则相反，电阻很低。

Common-mode 的情况则比较糟糕，Lc 有高额的电阻来阻止干涉，但还不行，所以就需要两个Cy电容。

Cy 电容通常会接地。

其实关于这个电容，想了解的人也非常多吧。

如果电脑机箱没有接地，由于两个电容的缘故，电压将只有一半，比如110 V 。

如果手接触到了回路，接地端（比如发热电阻），而另外一个手接除到电脑机箱，就会发生触电。

当然，这些电容的电量是非常小的，电流也可以忽略不计，对人体没什么伤害，但是对电脑周边设备则不是这样了。

例如在接打印机到电脑时候我们没有断开电源，110V 电源将会流经打印机，并对打印机端口或者电脑造成致命损害。

当然我们不一定要说把所有的设备都进行接地，也可以通过其它办法避免这样的后果，比如使用三脚插坐。

另外使用“热插拔”设备并不会对产品造成伤害，因为像FireWire和USB 产品，早就预先锁定了接地部分。

另外一个问题是，如果这些电容中的一个损坏了会发生什么事情？机箱上将会有220V 电压。

不过大家大可以冷静，出于安全考虑，正是为避免出现电容爆裂后出现安全事故，在这个电路通常会使用具有双重绝缘的特殊自我修复Y 级电容。

如果根据以上来说，似乎电脑接地的用处并不是很大，也许最实用的地方就只能是降低噪音
以免对FM收音机或者电视设备造成干扰了。

值得注意的是，想要完全避免common-mode 干涉，就只能采用接地的方式。

外部电涌保护电路在此显得毫无用处，它的工作原理如上面的原理图一样，只有在接地的情况下才工作。

如果你家里使用的是三线电路（有地线），而你购买了两线的设备，那么在安装的时候最好寻求资深电工的帮助。

电源的过滤器建有保险丝和以并行方式连接到Cy电容的变阻器（非线性电阻，在电压过高的时候起到降压作用）。

对于保险丝的作用，很多人都会存在了解的误区，有人说它的作用是保护电源以免被烧毁。

事实上并非如此的，在switch-mode 电源中，它只是在电源的晶体管损坏情况下才会断开，也就是说它保护电源的电路。

也有一些人认为如果电路的电压过高，保险丝就会产生保护作用。

现在让我们回到电源的设计和运作部分。

在电源经过纠正电路后，经过整流的电源会平滑地到达C1和C2 电源，然后经过控制T1变压器的开关(通常由两个晶体管组成）。

电脑电源的开关通常工作在60KHz 。

电脑电源通常有6个电压，分别是+12v、
+5v，+3.3v，-5v，-12v 和+5v 待机模式，那么在理想情况下就需要有6个电压调节器。

在实际上却并非如此，电脑电脑狭窄的空间在容纳两个独立high-power 调节器已经相当困难，这也是为什么大部分电源都只使用单交换调节器了。

在所有输出电压中，除+5v standby 模式外，都是来自T1变压器。

现代电源的交换都是通过脉冲调制的方式来进行控制，而非频率调制的方式。

随着脉冲的改变，频率也发生改变，而脉冲越宽，每周期就有更多的电量泵到变压器，输出电压也更高。

一、测试设备
测试电源的基本方法，是使用具备+5v、
+12v、+3.3v 负载的半自动设备，对电源的相应输出电压进行测量。

测试设备的硬件部分主要有基于4-channel 的Maxim MX7226DAC ，把它连接到电源上。

电源使用了LM324D运放和IRFP064N 高能场效晶体管，芯片安装自然风冷散热装置。

每个晶体管都有200W的峰值耗电率，并且我们使用的三个晶体管分别都有(+5v和+12v)的重负荷，因此它能够测试目前市面上最强大的
发生器作为负荷连接到待测试的电源上，发生器有一个开关可以选择+12v或者+3.3v的电平。

发生器的负载大约为1.3A ，这使得我们可以估计待测试电源在数十Hz到数千Khz 频率的矩形相关负载脉冲。

此外我们在电源上使用了一个普通的断路器，它的阻抗大约为0.61欧姆。

这样就可以获取电源和AC电压的电源消耗示波图。

在测试PSU的时候，在电路板上接上2-块示波镜探针。

其一是用于描画电源AC电压和电源消耗的示波图，接着这些示波图将通过特殊的
工具进行处理，计算设计的参数有：active、reactive和电源的其它效率因素。

为了捕获示波图，我们使用了Slovak 公司ETC 的数字“虚拟”示波镜M221 （之所以称它为“虚拟”，是因为这个示波镜必须安装在电脑上，没有自己的硬件工具控制和显示信息）。

示波镜的模拟部分频带通道为100MHz ，数字化随机信号的最大速度为2千万采样每秒，灵敏度在50mV/del 到10V/del 。

此外除了衡量待测试电源的效率和功率外，示波镜还可用于估计电源
输出电压脉冲的振幅、形状和频率。

在测试中为了快速评估电流和电压，还有其它测试设备的周期测试，我们使用了Uni-Trend UT70D 万用表。

它可精确测量出电流、电压和非正弦形状，这对于测试没有PFC功率因素修正的电源来说是非常重要的。

很多没有标示"TrueRMS"的测试设备，并不能够真实地测算出交流电的电流和电压，因为交流电产生的是非正弦曲线。

我们还用了Fluke 54系列II 热电偶数字温度计（80PK-1和80PK-3A），测试电源的内部温度。

本来我们打算使用红外数字温度计的，只是红外线在亮金属表面获得的结果并不准确，因此只好用热电偶的产品代替了。

我们还使用了Velleman DT02234 光学转速计来测试电源风扇的速度。

二、我们的测试方法
每个电源首先和最重要的测试就是所谓的cross-load交叉负载特性。

在文章的理论部分，我们曾经说到每个电源的输出电压由各自的电平决定。

ATX 标准描述了实际输出电压和标称电压的最大背离值：所有正电压的5%(+12v,+5v和+3.3v) ，所有负电压的10%(-5v,-12v) 。

电源的CLC交叉负载特性，是一系列没有超出允许值的负载组合。

CLC 可以用平面图的方式来表示，比如+12v 电平可用x坐标轴来表示，+5v和+3.3v电平则可用y坐标轴来表示。

在描绘CLC 图表的时候，测试设备自动根据这些电平以5w
上面的图表说明了什么？测试的电源在+12v表现优秀，在该电平的最大负荷下它可输出足够的电力，而在+5v只有5W值（5v是普通测试的起始值，但对于高能电源来说，在如此低负载情况下它会有些不稳定，因此我们从15或者25w开测）。

图表底部右边的垂直边界线表明电源达到了+12v电平的极限（对于测试的电源，也就是300W），由于避免损坏电源，我们并没有进行更高强度的测试。

在右上角出现弯曲的情况，是由于达到了电源可允许的最大输出值（340W），因此不得不限制+12v，并增加+5v输出，这样可避免电源损坏。

在顶部直线变得相当平滑。

这是由于测试达到了+5v电平的最高值。

出于安全考虑
并没有进一步测试。

从交叉负载特性我们可知道，测试的电源能够输出稳定电压，并且超越标称的瓦数。

这对于现时高功耗的显示卡和处理器来说，可提供稳定的电源。

此外由于高功耗的原因，它在+12v的高负载下比+5v表现要好。

出于比较考虑，我们同时使用了标称300W 的廉价电源L&C LC-B300ATX进行对比测试。

同样对该电源的+12v电平进行测试并描绘图表：
显然这张图表和先前的有很大区别，CLC 曲线的底部也不再呈水平状态，而是向右上倾斜。

图表红色部分表明+5v超出了正常范畴，这通常只会出现在+12超出负载的时候。

此外，图
表顶部也不再呈水平状态。

在+5v的时候它的顶点对应150W负载，这意味着在实际使用过程中电源的最大负载仅能够达到180W。

虽然这块电源的+5v和+3v 声称瓦数要比MP-60AR高（180W对130W），但从图表我们见到MP-360AR在+5v的负载要高于80W，而LC-B300 却大约只有50QW 。

这意味着LC-B300 人为夸大了+5v电平的声称瓦数，而Macropower 则通常获得比标称更高的瓦数。

细心的读者可能会发现，如果我们把这两个图表放到一起，用相同的标准衡量，Macropower单元的CLC在+12v坐标轴比L&C 的要更有延伸力。

以下图表是Intel对不同ATX标准作出的规范。

从图表可以见到，旧版本的ATX标准对+5v 和+3.3有较大的消耗，而+12则主要用于光驱和硬盘。

不过随着高性能处理器和显示卡的推出，情况有了明显的改观，PC系统对电源的需求也变得求贤若渴起来。

Intel也不得不对ATX标准进行修订，把其供电模块作出了一些修改，比如现在CPU需要由+12v供电，插头改为4-pin ，整机的电力消耗也倾向+12v。

可惜的是，AMD并不对Intel感冒，现在很多人的Socket A 主板（大约20-25%）也并不支持ATX12V ，这个Intel自Pentium4起就推行的结构。

不过随着Socket平台处理器的能耗急剧上升，很多用户开始反应电源的接口和输出电压严重不均衡。

事实上ATX12V有个理论上的缺点，由于输入和输出电压的重大区别，交换模式转换的减少，CPU电源调节器的效率也降低，不过这点可随着电源效率的提高而得到补偿。

对于主板设计师们来说，提供更高效率和功耗的电源，是保证主板工作的最好办法之一。

在图表上，我们也见到ATX12V从1.2开始，越高版本就越具有更高的+12v电源输出。

1.3版本带来了一些重大的改变，第一次+5v被减少，
而+12则被提升得更高。

事实上，电脑的电源开始逐渐减少对+5v的消耗，首先是处理器，其次是显示卡。

最新版本ATX2.0 的改变是更显而易见的，+5v电平的输出进一步降低，现在仅提供总功耗130W的输出。

与此同时，+12v 的输出进一步增长，除此之外ATX12V 2.0 兼容电源开始引入24-pin接头来取代老式的20-pin接头。

四年前，为了满足Pentium4 处理器功耗的需求，引入了ATX12V，但现在整机系统开始进入PCI Express时代，尤其是其中的显示卡，系统的电源开始显得更加紧张，ATX12V得以出炉。

ATX12V兼容电源有两个+12v电压，虽然在内部来说它们是相同的，但根据IEC-60950安全标准的需求，它们都有自己独立的过载保护电路。

让我们再回到上面的电源，可见到MP-360AR Ver2 是兼容ATX2.0标准，而LC-B300则是兼容1.2标准，因此在CLC会获得不同的成绩。

不过，问题却不仅仅是标准的版本那么简单，我们见到LC-B300 并没有在+5v电平提高到其标称的瓦数。

下面再让我们来把LC-B300的CLC图表和Intel建议的
ATX12V1.2单元比较：
我们见到，该电源在+ 5v电平并没有达到300W型号应有的表现。

那么我们再来看看MP-369AR和Intel 350W ATX12V 2.0相比的情况。

我们见到，它与Intel的标准基本上一致。

大体上说，由于交叉负载的关系，它很难达到Intel严格的需求。

事实上，市场上也仅有极小数电源可以完全符合Intel的标准，不过LC-B300也是极少见的差别巨大的电源。

根据CLC图表，在理想情况下它应该全部绿色。

而在现实中，除+3.3v外，每个电压在图表一端为绿色而在另外一端为黄色也是正常的。

在某些情况下，CLC图表甚至没有绿色，这意味着原始电源比所需的要高很多。

在糟糕的情况是，在电源达到标称两倍的时候，在图表的两端会变成红色，中间为绿色（例如LC-B300）。

也就是说电源的CLC在一端下跌而在另外一端则国高，非常不稳定。

在谈论CLC相关部分内容的最后，我想给大家提供一个理想电源的图标。

这是Antec和OCZ产品的图表。

我们见到CLC区域被限制在电源的最大负载内，电压也不超过5% 的背离值。

当然这样的产品可是相当昂贵的。

接下来我们对电源的恒负载进行测试，从0到最大，步进为75W 。

此外我们还测试了电源的二极管温度和不同负载下风扇的转速，在比较先进的电源中，风扇转速一般会根据温度而进行调节。

不过测试的温度有些值得怀疑，因为不同的电源中，散热片和二极管的放置都不同，结果难免会出现一些偏差。

在另一方面来说，温度计对情况比较敏感，有可能电源被烧掉，而测试出来的温度却完全是另外一码事。

我们曾经见到过某电源在满负载情况下，散热片温度高达100摄
氏度。

风扇测试得到的结果就更令人觉得奇怪，虽然所有制造商都声称风扇会依据温度而改变，但实际的风扇控制系统差别却非常巨大。

低端电源起始风扇速度大约2000-2200rpm，随着温度升高，它的转速会有10-15%的提升。

而高端的型号，起始转速只有1000-1400rpm，在满负荷下转速将达到双倍。

电源工作在全功率的时候，我们对输出电压的脉冲波进行了测试。

根据标准，脉冲波在10MHz +5v电平不应超过50mV ，+12v电平不应超过120mV。

电源的实际输出脉冲有两个频率，60KHz和100Hz。

典型的脉冲如下图，+5v 用绿色标记，+12v用黄色标记。

我们从图表上看到，在+5v的时候，输出有
点偏离50mV，所以示波图呈三角形，而在高端电源中，这些图会相当平滑。

此外在150W负载的时候，我们把矩形脉冲发生器连接到电源，以便测试电源的脉冲振幅。

由于电源开关会对电压造成干扰，这个结果并不甚准确。

电源的效率和功率是最有趣和想想知道的东西，不过根据我们的经验，在相同类型的大部分产品都能够提供相近的结果，对于不同的用户来说区别不会很大。

当然也有一些很重要的东西，我们通常会用功率来衡量电源的优劣，而效率则比较少。

总结
我们的新测试方法几乎历遍了电源所能够有的细节，在不同电源间也获得了可比较的标准。

CLC 测试也是非常可观的测试方法，而不会因为评测人员的主观臆测造成影响。

其实从此，我们也知道购买电源时的一些误区，别麻木相信电源的标称功率。

也不要以为宣传得多就是好产品，要有实际的数据去支撑。

眼看做工、材料有时候并不能够得出正确的结果，
还是评测最大。

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