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打造一个没有噪音的电脑电源

打造一个没有噪音的电脑电源

点击数:7427 次   录入时间:03-04 11:44:39   整理:http://www.55dianzi.com   小改-小革

    PC由科研院所、专业办公应用扩展到家庭应用,并已经逐渐普及,尽管其后台的功能仍然是计算,但是前台所表现出来的,更多是多媒体功能,以及以此为基础的游戏功能,HTPC(HomeTheaterPersonalComputer,家庭影院个人电脑)则更多地从名称上赋予了PC以家电的功能。

    PC进入家庭,除了外观上要求和家居环境相协调外,重点是前台对多媒体性能的要求,即出色的视频、音频性能和实时多媒体流的存储功能,相应的,对PC运行的噪声水平也提出了更多的要求。

    PC的运行噪音问题从2000年前后开始被广泛关注,随着PC越来越多进入家庭,这一问题也越来越受到业界重视。MCE(Windows×PMediaCenterEdi-tion,windowsxp媒体中心版)操作系统的推出就加快了PC家电化的进程。

    然而,Intel和AMD两大CPU生产商在主频上的激烈竞争,CPU的功耗也随之增长,所需要的散热器和风扇越来越大,风扇的转速越来越高,受此影响,降噪技术的发展也缓慢起来。直到CPU的制造商们意识到频率竞赛实际上并没有赢家,随即转入性能竞赛,低噪音PC才又重新被重视,2006年,MoDT(MobileonDesktop,基于移动处理器的桌面型电脑)开始进入市场实践,2007年开始进入实用阶段,采用MoDT平台的PC,功耗和笔记本相差无几,加上台式机的机箱体积优势(空间大有利于热量的散发),PC的无噪音运行似乎是指日可待了。

    PC的运行噪声,主要来自散热风扇和硬盘的运行。PC中使用风扇的地方主要是CPU和电源(这是目前市售PC中必有的),其次是机箱通风风扇(市售PC中也基本有配备)。借助主板提供的风扇智能控制系统,机箱和CPU风扇的智能控制比较简单,但是提供风扇转速控制接口的PC电源目前还比较少见;一些中、高档电源虽然自身配备了温控电路,但是这些电源一般只是根据温度自动调控电源风扇的转速而很少令其停止转动,噪声只是降低了而并没有消失,有点美中不足。

    要想让主板对PC电源进行智能控制,要么购买带有温度传感器和电源风扇电源引出接口的PC电源(很少见);要么自己动手,冒失去保修的风险,将内置温控功能的电源的温度传感器和电源风扇电源接口引出来。

    但问题是,即使如此,电源的风扇还是会时时转动(原因见下文),要想让电源风扇停下来,对于有动手能力的电子爱好者来说,只有对电源进行更多的适当改造,让PC电源真正以无噪音的方式运行。由于电源的型号较多,本文更多的是提供思路和方法。

    PC电源的实际功率有多大?

    所谓功耗,可以大致理解为发热量,因为对电源而言,九成以上的功耗都以热量的形式散发掉了(注意,功耗不是电源的功率,也不是输出功率,电源的总输入功率×功率因数=输出功率+功耗),功耗是电源消耗的无用功,是电源总输入功率的一部分,它的大小决定了电源的转换效率。因此,要搞清楚功耗,需要清楚以下几个问题。

    1、电源的总输入功率:即PC电源消耗的市电功率,在电源的铭牌上一般标注的是市电电源的电压输入范围和典型条件下的输入电流,二者的乘积是电源的总输入有功功率,总输入功率还要加上无功功率,即需要加上功率因数的影响。实际的总输入功率与电脑的运行状态及市电输入电压有关系,可以用功率表测算,如果考虑功率因数的影响,就要使用真有效值的功率表。

    2、电源的输出功率:有峰值功率和额定输出功率之分,在电源的铭牌上标注的参数是额定输出功率,常见方式是各组输出电压和对应的输出电流。需要注意的是,这个额定输出功率的一般测试条件是:室温(25℃)环境,测试负载通电20ms的最小测定值,不同国家和地区的测试条件会有所差别,欧盟的严格一些,美国、日本以及我国则依次宽松一些。一般来说,这个额定功率实际上是最大输出功率;而人们长期使用的功率要较之小一些,这和具体产品和使用环境有关。

    PC电源的功耗有多大,就需要多大的散热器,而功耗的估算,应该以PC实际消耗的功率为基准。而不是电源的额定功率。举例来说,电源的额定功率是300W,而你的PC实际消耗功率只有150W,功耗的估算基准就应该是150W而不是300Wo关于PC的电源消耗功率的估算,下文专有介绍。

    另外,PC电源是多路输出、共扼稳压的开关电源,稳压调节的主流方式是脉宽调制,所谓共扼稳压,就是PC电源的直流输出有多组(直接稳压的有3组,参见下图),但是稳压反馈控制只有一组,各组输出的电流/电压平衡主要依靠输出扼流圈,所以这个扼流圈在PC电源中有些特殊:虽然仅仅是一个电感,功耗却不小。

PC电源的直流输出有多组

    关于PC电源的大致结构可以用上图来说明,图中红色虚线框中的元件发热比较厉害,PC电源的具体电路原理图,可以参考笔者在《常用开关电源电路及其应用》中所列举的多个实例(《无线电》2007年合订本下册附录),由于电脑硬件是高度标准化的,电源也不例外,其电路程式和结构大同小异。

    此外,对开关电源而言,功耗可以大致分成两类:开关损耗和导通损耗,PC电源也不例外。开关损耗由电源的开关频率决定,开关频率越高,开关损耗越高,不过开关频率高有利于电源体积和重量的减小。开关损耗与电源的实际输出功率关系不大,因此在轻载条件下,效率会不升反降;但是开关损耗与额定输出功率有关,额定输出功率越大,开关损耗也越大,从这个意义上说,盲目购买过大功率的电源是不划算的。

    开关电源的导通损耗,由晶体管的饱和导通电阻决定。晶体管以开关方式工作时,开通状态下自身的电阻不为零,有电流通过时,就像电阻一样,会发热。假设导通电阻不变,开关电源的输出电流越大,导通功耗随之增大(部分晶体管的导通电阻还会随着自身温度的升高而增大)。因此可以说,PC电源的导通损耗与电源的实际输出功率是直接相关的,输出功率越大,导通损耗越大。

    要理解开关损耗和导通损耗,就要从晶体管的基本工作状态说起,即线性放大状态和开关状态。我们所熟悉的音频放大器通常有A、AB、D类之说,就是根据末A、AB类是线性放大状态,D类是开关状态。线性放大状态,晶体管可以等效为一个可变电阻,导通越深,导通电阻越小,电源电压一定时,电流越大,导通功耗越大,所以A类的效率就低一些。在线性放大状态,除非存在着高频自激,晶体管的开关损耗可以忽略。

    开关工作状态,晶体管可以等效为一个电阻和一个开关的串联组合,这个“电阻”就是晶体管的饱和导通电阻,这个数值和晶体管的最大反向击穿电压(俗称耐压)有一定关系:耐压越高,饱和导通电阻越大,这个规律对VMOS而言,更加明显。在采用同步整流技术的PC电源中,VMOS(VertICalMetalOxideSEMIcon-ductor,功率场效应管)做为整流器件替代了传统的肖特基整流二极管,对于+3.3、+5V,低功耗优势相对比较明显,而对于+12V,其优势就已经不太明显,如果输出电压更高,这种优势会逐渐减小并可能转为劣势。

    从另一方面来理解,作为“开关”来讲,晶体管的开、关也是要消耗能量的,晶体管的功率越大,开关频率越高,开关所消耗的能量,即开关损耗就越大,就象我们开、关一扇门需要用力一样,门越大,单位时间里开关的次数越多,就越费力。

    而深刻的原因是:对高频信号而言,电容可以等效为一个电阻和电感串联,电阻是要消耗能量并发热的;因为晶体管极闻电容的存在,无论是高频驱动信号还是受控的高频功率信号,都会被极间电容消耗不少,极间电容越大,信号频率越高,导通损耗就越大,这个规律同样对VMOS而言更为明显。在大电流应用状态,晶体管的导通损耗不可忽略。

    所以,不管使用多大功率的电源,只要PC的实际用电量不大,PC电源的功耗就不会太大,有条件不用风扇强制风冷,完全依靠散热器自然风冷运行。PC和电源应该配套,功率过大的电源,因为自身损耗也大,也不利于节能。总之,要实现电脑的低噪音运行,除了改造一台电源,选择低耗电量的PC配置是前提。

    PC配置入入为出,PC电源可以胜任

    从InteI的915系列芯片组开始,集成显卡的性能已经能满足一般上网、办公以及普通游戏的需求,而AMD的690、770、780等芯片组,其集成显卡的性能也不俗:对于PC的耗电大户,台式机CPU的耗电量也已开始下降,所以配置一台耗电量不大又能满足一般有低噪音需求的PC是可能的,尤其是基于移动CPU的台式机,更是如此(当然,对于有些特殊的配置,以目前的条件还很难实现低噪声,例如,一台PC装有4个耗电量高达127W的IntelCore2ExtremeQX6700CPU,有两个光驱在不停的刻盘,四个硬盘在做阵列,PCI-E的显卡有两个……)。

    一台低功耗PC的理论耗电量,可以参考下表。

低功耗PC的理论耗电量

    由表1不难算出,一台低耗电量的PC,理论耗电量也不过130W左右,不算光驱的话(因为光驱很不常用),只有100W上下,而且这个功率是理论上的最大功率,因为其中的很多部件,耗电量和运行状态是有关的,如集成的显示核心、CPU、内存、硬盘等,耗电量和PC的实际工作状态都是有关的。电脑实际运行时,右键点击桌面任务栏,选择“任务管理器”,在弹出窗口中的性能标签上不难发现,如下图所示,PC运行的平均负荷很少会超过50%,也就是说,PC的实际耗电量要低得多。

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