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认识电脑交换式电源供应器-半桥谐振篇
目前谐振结构广泛使用于高效率电脑交换式电源供应器中，其方块图如下：
https://i.imgur.com/4vEWZRt.jpg
交流输入EMI滤波电路后进入整流APFC(主动功率因子修正)电路，调整交流输入电流波形
，降低波形失真及提升功率因子，转换成较高的直流电压，送入一次侧MOSFET与谐振槽转
换成高频正弦波，经主变压器降压，二次侧同步整流MOSFET输出12V电压，一部分12V电压
输入DC-DC(直流对直流)转换电路输出3.3V及5V(部分电源-12V也由12V转换)。接上交流输
入后，辅助电源电路便持续供应5V待命电源(5VSB，5V Standby)，待电源管理电路的
PS-ON信号准位被拉低后，就会启动电源供应器输出其他电压，等待所有输出电压都准备
好，电源管理电路会发出Power Good信号通知主机板开始进行自我测试程序(POST，
Power On Self Test)。PS-ON信号回复高准位后，电源供应器停止运作关闭其他电压，仅
持续供应5V待命电源
▼以下是一款通过80PLUS金牌认证，半桥谐振电源供应器的内部结构，主电路板上可区分
为EMI滤波电路(红色框)、整流/APFC电路(黄色框)、辅助电源电路(绿色框)、功率级一次
侧半桥谐振转换电路(水蓝色框)、功率级二次侧12V同步整流电路(紫色框)、3.3V/5V
DC-DC电路(蓝色框)、电源管理电路(背面)
https://i.imgur.com/AOywxAg.jpg
▼通电时，EMI滤波电路的X电容会储存电能，为了避免X电容储存的电能于拔除插头后让
碰触到的人出现感电/触电，以往会在X电容上并接放电电阻于断电后释放电能，但接通电
源时并接的放电电阻会造成微小功耗损失，所以高效率电源开始采用X电容放电IC，电源
持续输入下会断开放电电阻，电源输入中断时会接通放电电阻，可避免放电电阻造成微小
交流功耗。此电源于交流输入端配置X电容放电IC，可以在电源输入中断时释放EMI滤波电
路X电容的残存电能
https://i.imgur.com/eOob4Ql.jpg
▼EMI滤波电路，避免配电系统的噪声干扰从电源线传进电源供应器，也可避免电源供应
器产生的噪声经电源线传到配电系统内，允许50/60Hz交流通过，阻挡及抑制共模/差模杂
讯。共模电感可抑制共模噪声，跨接于L-N之间的X电容可抑制差模噪声，跨接L-G及N-G之
间的Y电容可抑制共模噪声。若L-N上的突波/尖波超过突波吸收器崩溃电压时，突波吸收
器会呈现低阻抗，阻止突波/尖波进入，外面包覆套管可确保在本体被大能量突波/尖波破
坏前有足够的低阻抗时间让输入保险丝熔断。保险丝作为交流输入保护，当电流剧烈增加
时会熔断保险丝中断交流电源输入
https://i.imgur.com/sdfG13t.jpg
▼桥式整流器，将经过EMI滤波电路的交流电进行整流并送入APFC电路，大部分会使用耐
压600V的款式(有些会用到耐压800V的)。标准整流器在内部二极管顺向导通时会产生压降
，当流过的电流越大，损失及产生的废热越多，所以会把桥式整流器安装在散热片上协助
散热，也会采用2个甚至更多桥式整流器并联使用分担废热功率(不过总损失仍维持不变)
。部分电源采用低顺向压降(Low VF)的桥式整流器，可减少损失及废热，有助于提高效率
。有些转换效率达钛金等级的电源还用上主动整流器，使用低导通电阻(Low
RDS-ON)MOSFET取代二极管，进一步降低整流造成的损失
https://i.imgur.com/QcN2Nbb.jpg
▼环状磁芯APFC电感，线圈绕在环状磁芯外围，用来储存及释放能量，另外还有线圈在磁
芯结构内部的封闭磁芯APFC电感。平滑电容跨接在桥式整流器的正负极两端，可平滑交流
整流后输出脉动。检流电阻使用3个低阻值绕线电阻并联，用来侦测一次侧电流并提供给
APFC电路控制器作为修正的参考
https://i.imgur.com/swPUk8K.jpg
▼APFC电容预先充电用NTC(负温度系数热敏电阻，温度越高，其电阻越低)及二极管，
APFC电容内部无电状态下，接通交流电源瞬间及APFC电路开始运作时会产生很大的涌浪电
流，增加桥式整流器及APFC功率元件的负担。搭配预先充电电路时，在接通交流电源时会
经由NTC及二极管对APFC电容进行预先充电的动作，由NTC本身的电阻去抑制涌浪电流，电
源启动APFC电路开始运作后，APFC电容电压提升，二极管会因电容电压高于桥式整流器输
出电压而转为逆向偏压并截止。目前高效率电源中，NTC会串联在一次侧电路，当电源供
应器启动后，会使用继电器直接短路NTC(这时会听到电源发出喀的声音)，避免电流流过
NTC造成转换效率损失
https://i.imgur.com/yUU99VQ.jpg
▼APFC电路简图，由APFC电感、APFC MOSFET、APFC二极管、APFC电容组成，透过控制
APFC MOSFET导通时间，可以改变APFC电感储存能量，APFC MOSFET截止时，储存在APFC电
感的能量可经由APFC二极管释放并储存在APFC电容内，提升输出直流电压。当交流输入整
流后电压与APFC输出电压差距大时，APFC电路损失较大，交流输入电压提高后，整流后电
压与APFC输出电压差距小时，APFC电路损失较小。换句话说，电源供应器使用220V输入时
，在APFC电路的损失会比使用110V输入时要小，可提高整体转换效率。APFC MOSFET导通
电阻及切换速度、APFC二极管反向恢复时间会影响APFC电路的效率，高效率电源会使用低
导通电阻的高切换速度MOSFET及碳化硅SBD(SiC Schottky Barrier Diode)二极管降低损
失。如下图所示使用多个相同规格的APFC MOSFET并联使用也可降低导通电阻，同时把功
率传递及热量分散于多个MOSFET上减低元件承受压力。另外还有交错式(Interleaved)、
无桥(Bridgeless)PFC电路及目前开始在高功率电脑电源使用的氮化镓(GaN)功率元件，也
可减少APFC电路损失并提高转换效率
https://i.imgur.com/z0uWdeH.jpg
▼功率级一次侧半桥谐振转换电路简图，由控制器、隔离驱动变压器、一次侧MOSFET、谐
振电感、谐振电容、主变压器一次侧绕组所组成。半桥谐振就是透过PFM(脉波频率调变)
控制以半桥结构组成的2个一次侧MOSFET，将APFC输出直流转换成高频方波，高频方波输
入谐振电感、谐振电容及主变压器一次侧绕组磁化电感后转换成高频正弦波。透过谐振特
性可让一次侧MOSFET运作于零电压切换(ZVS，Zero Voltage Switching，于电压接近零时
进行切换)及零电流切换(ZCS，Zero Current Switching，于电流接近零时进行切换)，
ZVS/ZCS属于软切换(Soft Switching)，比起传统硬切换(Hard Switching)能减少MOSFET
切换损失并进一步提高切换频率，提高切换频率后可以缩小主变压器体积。配置谐振电感
、谐振电容、主变压器一次侧绕组磁化电感时，需考虑到切换频率及输出负载，以确保在
负载变动范围内能以最高效率运作，是谐振电源设计中最关键的地方。当控制器整合一次
侧谐振控制及二次侧同步整流控制时，因为一次侧与二次侧必须维持隔离，所以使用隔离
驱动变压器驱动一次侧MOSFET。若要进一步改善效率，常见的做法是将隔离驱动变压器改
成隔离驱动IC，并更换低导通电阻的高切换速度MOSFET，可减少损失并提高转换效率
https://i.imgur.com/ggm3RMc.jpg
▼主电路板正面的APFC电路和功率级一次侧半桥谐振转换电路，桥式整流器负极经过3个
检流电阻后为一次侧负极，接往2个APFC MOSFET的S极、APFC电容负极、其中1个一次侧
MOSFET的S极
https://i.imgur.com/VWi1XL1.jpg
▼主电路板背面的APFC电路和功率级一次侧半桥谐振转换电路，APFC电感一端接桥式整流
器正极，另一端接至2个APFC MOSFET的D极与APFC二极管A极，APFC二极管K极接至APFC电
容正极与其中1个一次侧MOSFET的D极，2个一次侧MOSFET之间D极和S极相接后接到由谐振
电感、谐振电容及主变压器一次侧绕组串联组成的谐振槽
https://i.imgur.com/dzEjZg5.jpg
▼固定在散热片上的2个APFC MOSFET与APFC二极管，因为采用非绝缘封装(上方锁螺丝金
属部分与其中1脚相通)，锁在散热片时要使用绝缘垫片(螺丝白色圆柱物体)与绝缘导热垫
(后方灰色方形垫片)，因为要承受较高的一次侧电压，若发生绝缘材料品质不良或灰尘/
异物/湿气入侵，造成一次侧短路，会产生明显声响及火光，也会烧毁保险丝及附近元件
https://i.imgur.com/FF4fBPu.jpg
▼散热片另一面有2个一次侧MOSFET，采用整个元件被环氧树脂包覆的全绝缘封装，所以
直接涂散热膏后锁在散热片上，不需要绝缘垫片与绝缘导热垫，大幅降低灰尘/异物/湿气
入侵导致功率元件与散热片之间短路的机会，不过因为整个元件被包覆，半导体接面到外
壳的热阻增大，元件可承受的发散功率(Power Dissipation)减小。以同型号MOSFET来说
，非绝缘封装版本的发散功率会明显大于全绝缘封装版本
https://i.imgur.com/TQ5iHgX.jpg
▼APFC电路控制子卡，红色框为APFC控制器CM6502SUNX，黄色框为节能控制切换开关
SPN5003。早期的APFC控制器在电源启动后就会维持固定输出，后期部分高效率机种会搭
配节能控制切换开关，透过切换取样电阻配置更改APFC输出电压，于空载和极轻载下降低
APFC输出电压达成节能效果
https://i.imgur.com/lzwYtGo.jpg
▼APFC电容容值与输出功率呈现正相关，输出功率越大，所需容值越高，不过仍要看电路
设计及最佳化程度决定实际搭配数值，APFC电容容值也会对涌浪电流及断电维持时间造成
影响。依照目前电源空间配置，需要增大容值时会使用2个甚至更多个电容并联，电容并
联也可分担涟波电流及降低等效串联电阻(ESR，Equivalent Series Resistance)。考量
APFC输出电压，为了增大安全容许范围，部分电源会使用420V及450V电容取代较常使用的
400V电容
https://i.imgur.com/rf8JEQU.jpg
▼因为一次侧与二次侧需要维持隔离，一次侧的APFC控制器与二次侧的谐振及同步整流控
制器使用光耦合器传递信号
https://i.imgur.com/LfphFuH.jpg
▼辅助电源电路，接通交流电源后便开始运作输出5V待命电源，因为输出功率不大(20W以
内)，使用了结合控制与功率MOSFET于单一元件的整合式电源IC，其主要元件组成有输入
保护电阻(A)、TVS(B)、整合式电源IC(C)、辅助电源电路变压器(D)、整流SBD二极管(E)
、输出电容(F)、输出电感(G)、光耦合器。目前电源追求更高整体转换效率下，辅助电源
电路也开始高效率化，使用效率更好的一次侧电源转换电路(例如以QR准谐振返驰式取代
传统返驰式)及二次侧使用同步整流取代SBD二极管，并在电源启动后将5V待命电源转由5V
供应，使其消耗电能最小化
https://i.imgur.com/iznrCMX.jpg
▼电路板正面的谐振电感、谐振电容、主变压器及隔离驱动变压器
https://i.imgur.com/Fy2pVel.jpg
▼谐振电感分为外置(外部独立设置电感)与内置(由主变压器漏感充当谐振电感)，外置谐
振电感较占空间，但较容易更改谐振槽设计，量产时也较容易准确控制电感值。使用变压
器漏感充当谐振电感虽可减去谐振电感占用空间，提高空间使用率和功率密度，但量产时
需要严格控制主变压器制作品质以确保漏感量维持固定值，避免大幅变动影响谐振运作。
谐振电容因为在高频及高电流运作，要求低损耗因子(DF，Dissipation Factor)，并依照
交换频率选择适当的容值及耐压(电容的耐压在高频下会降低，需要使用耐压更高的电容)
。隔离驱动变压器让控制器可以控制及驱动一次侧MOSFET，同时维持一次侧与二次侧之间
隔离状态
https://i.imgur.com/bO1CSus.jpg
▼因为主变压器会参与谐振运作(一次侧绕组磁化电感)，在谐振电源设计中也是关键环节
之一，除了降低损失及提高功率密度/切换频率外，也要满足连续满额负载输出需求并保
留足够的余裕对应短时间的超载运作
https://i.imgur.com/asudvT4.jpg
▼功率级二次侧12V同步整流电路简图，主变压器二次侧12V绕组中心抽头部分接至12V输
出正极，2个绕组的另一端分别接至2个同步整流MOSFET，分别于正负半周进行整流。同步
整流MOSFET会选用低导通电阻及低总闸极电荷(Qg)的型号，降低传导损失外同时能快速
ON/OFF切换，本身封装也要能承受电流和热量。实际配置上会使用多个MOSFET并联组合，
除了进一步降低传导损失及提升电流容量外，也可分担功率及热量，减轻元件压力。谐振
转换电路的二次侧输出不需要储能电感，这里的输出电感只提供滤波使用(有些电源会将
其省略)，输出电容采用多个电容并联组合，满足输出涟波电流要求及降低等效串联电阻
(ESR，Equivalent Series Resistance)
https://i.imgur.com/rj2JNsM.jpg
▼主变压器二次侧2个12V绕组及中心抽头，因为12V输出电流大，使用了铜片及多股绞绕
漆包线
https://i.imgur.com/ShSlYAc.jpg
▼主变压器二次侧2个-12V绕组及中心抽头，因为输出电流不高，只使用较细的绕组
https://i.imgur.com/qIzfnTt.jpg
▼功率级二次侧12V同步整流电路的4个MOSFET因为采用非绝缘封装(上方锁螺丝金属部分
与D极相通)，锁在散热片时也要使用绝缘垫片与绝缘导热垫避免和散热片短路。目前电源
逐渐将二次侧同步整流MOSFET更换成表面黏着封装，直接装在主电路板或是和主变压器二
次侧绕组相连的子卡上，能缩短电流传导路径，占用更少的空间，其热量直接透过焊点传
导至电路板及散热片，部分电源还会用导热垫片将热量传导至外壳协助散热
https://i.imgur.com/g7WVrAr.jpg
▼功率级二次侧12V同步整流电路背面，2个MOSFET并联组合以提高电流承载能力并降低导
通电阻，减少导通损失。左下水蓝色框为风扇温控电路热敏电阻，侦测该位置温度作为风
扇转速变化参考。左下黄色框为-12V全波整流电路，因为输出电流要求不高，只使用一般
的SBD二极管进行整流。右上红色框的分流器用来侦测12V输出电流并提供给电源管理电路
，超过OCP(过电流保护)门槛值就会关闭电源运作停止输出
https://i.imgur.com/ufLdn9X.jpg
▼功率级二次侧12V同步整流电路输出端的固态电容(A)、电感(B)、电解电容(C)，采用多
颗电容并联组合满足输出涟波电流要求及降低等效串联电阻(ESR，Equivalent Series
Resistance)，新款高效率电源逐渐增加固态电容使用数量以获得更高的涟波电流及更低
的等效串联电阻。小型电感只提供输出滤波使用，不扮演储能角色
https://i.imgur.com/xwGwfkb.jpg
▼3.3V/5V DC-DC电路简图，以往电源供应器的12V/5V/3.3V都由主变压器二次侧绕组经磁
放大电路或电压调整电路输出，除了无法有效提升转换效率外，还有交叉负载调整率
(Cross load Regulation)不佳的问题，当负载不平衡(一路重负载，一路轻负载)时会互
相影响彼此的输出电压，这种结构也会影响12V最大可用功率。目前电脑CPU/GPU以12V用
电为主，3.3V/5V用电量降低，所以电源供应器改采功率级转换输出12V，再由DC-DC电路
从12V转换输出3.3V/5V(部分款式包含-12V)，为了提高整体效率，DC-DC采用交换式同步
降压电路(Switched Mode Synchronous Step-down/Buck Converter)。具备输入电感、输
入电容、2个MOSFET、输出电感、输出电容，这2个MOSFET分成High Side及Low Side，其
ON/OFF控制采同步动作且不会出现同时ON的状况，High Side连接至输入电源侧，开启时
电流由输入经输出电感至输出同时对输出电感储能，Low Side开启时释放输出电感储能至
输出侧，透过PWM更改任务周期(Duty Cycle)的方式控制High Side及Low Side的导通时间
，可控制输出电压及随负载状态维持输出电压。输出电感及输出电容则扮演储存/释放能
量及平滑稳定电压的功能，两者要妥善搭配方可获得最佳输出特性。使用低直流电阻
(DCR)电感、高切换速度及低导通电阻MOSFET、提高切换频率可提升DC-DC电路的转换效率
及性能
https://i.imgur.com/HjS7kLO.jpg
▼3.3V/5V DC-DC电路的输入电感(A)、输入固态电容(B)、输出电感(C)、输出电解电容
(D)、输出固态电容(E)
https://i.imgur.com/BjU2cXc.jpg
▼主电路板背面的3.3V/5V DC-DC电路功率级，4个MOSFET组成2组DC-DC功率级，每组
DC-DC功率级中High Side MOSFET的D极经输入电感/输入电容连接12V输入，High Side
MOSFET的S极与Low Side MOSFET的D极相接并连接到输出电感/输出电容3.3V(5V)输出，
Low Side MOSFET的S极连接二次侧负极
https://i.imgur.com/K9XDlEI.jpg
▼主电路板背面，红色框是一次侧谐振及二次侧同步整流控制器CM6901T6X，紫色框是
3.3V/5V DC-DC电路的双通道交换式同步降压控制器APW7159，黄色框是3.3V/5V DC-DC电
路的功率级(2组共4个MOSFET)，水蓝色框是电源管理IC，负责监控输出电压/电流、接受
PS-ON控制及产生Power Good信号
https://i.imgur.com/4UyKbsT.jpg
▼风扇控制电路，为了降低运作噪音，于电源供应器内部温度较低时调低风扇转速，此款
电源使用安装在主变压器背面的热敏电阻侦测温度，经由运算放大器(红色框)电路及串联
在风扇电源电路的电晶体(黄色框)控制风扇电压来调整风扇转速。目前电源逐渐采用专用
风扇控制IC或是小型微控制器，参考电源目前温度/负荷状态并对风扇转速进行更细腻的
控制，部分款式电源于低温度/负荷时停止风扇运转，待温度/负荷上升后才会启动风扇运
转，并分成无切换开关及有切换开关两大类型，有切换开关的可让使用者自行选择运作模
式，使用弹性较佳
https://i.imgur.com/lyewkfY.jpg
总结：
谐振转换电源已经广泛使用一段时间，其结构相当成熟，方案选择多元，通过高转换效率
认证已是轻而易举，然而目前高阶电脑配备的12V用电需求量大，电源供应器除了要提供
足够的12V输出外，也要在大范围变动的负载区间内维持高转换效率，而且新款电脑配备
带来新的挑战(瞬时功耗需求)，在ATX3.0规范下，电源需要满足新制定的需求，才不会被
淘汰。后续开始导入新款功率元件及全数位化控制后，电源供应器会继续往提高转换效率
及功率密度方向前进
报告完毕，谢谢收看