【原创】自制主动PFC，升级您的“鸡肋电源”

自制主动PFC，升级您的“鸡肋电源”

 

本文旨在响应“马甲”版主的号召，拆解一个电源，并实施一些改造的措施。我对Z币没有兴趣，所以标题就不再冠以【电源大拆解】题头。由于本人水平有限，文中的不当、不妥、不对之处，敬请各位朋友批判、指正。本文为在下原创，如果有朋友需要转载或引用本文稿的全部或部分内容（包括文字和图片），敬请先征得在下同意，并注明出处和作者。

一、外观及铭牌解析。这是一个长城的ATX-250SP4-3C电源，当年号称“常胜将军”，外观中规中矩，没有令人反感的地方，也没有可圈可点之处。长城ATX-250SP4-3C的铭牌见图1，不愧是国内大厂早年的产品，它并没有使用目前国内厂家虚标功率或在型号中以峰值功率的数字来迷惑人的一贯做品（做品，其含义应当是做法和人品），而是在型号中就标示了额定功率250W。从铭牌上还可以了解到，这是一个“鸡肋电源”，为什么这么说呢？一是电源的功率不足。当前的主流平台对电源要求普遍在额定300W左右，这台电源正好差了那么一点点，使得这台电源对付目前的主流平台有一种捉襟见肘的感觉。二是当前PC平台对＋12V的电流要求较大，而这台电源的+12V输出只有10A，其输出重点没有主要放在＋12V上。三是长城作为一家国内的大厂，其产品质量尚可。这台电源目前处在可以正常使用的情况下。从以上三点，可知，这是一台“用之无益、弃之可惜”的“鸡肋电源”。

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二、内在及用料解析。打开电源，可以看到这台电源采用了国内在低档电源的设计中时尚流行的、技术成熟的、相对便宜的半桥变换（我不知道为什么有人老喜欢把“变换”说成“拓扑”？）电路，具体见图2、图3、图4。控制电路使用了廉价的、但很可靠的KA7500（或TL494）＋LM339的电路形式。仔细观察，两级EMI电路、被动PFC电感一样不少；高压主电源滤波电容是两个330微法/200V的；开关管是MJE13009； EC35/40/10的主变压器；低压整流、滤波电路也是实实在在。所以，这款长城电源在用料上奉行的是中庸之道，以可靠、实用为前提，应该具备的东西尽量不少，锦上添花的事情一概不做。类似的拆解和介绍，星空(中国)上很多，就不展开了。


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三、升级和瓶颈解析。PC电源要用于当前的一般的主流平台，其额定输出功率应当达到300W以上，且＋12V输出应当达到15A左右。从这款电源的用料看，升级到额定300W的空间还是存在的，我们有希望化小钱，动手作些改进，最后让这台电源在当前一般的主流平台上重新服役。下面，我们以此为例，具体分析一下，是什么因素制约了电源的输出功率的提升？用什么办法来化解这些制约因素？考虑到读者的实际情况，我们尽力采用定性的分析和论证，努力避免定量的计算和论述，着力躲开繁杂的推导和运算。

1、主电源级高压问题。由功率＝电压×电流（公式1）这个公式可知，要提高输出功率，可以提高主变换级的电压或增大主变换级的电流。增大电流，受到主开关管和驱动电路的限制。提高电压，受到主开关管的限制。高压大功率晶体管的电流放大系数一般在十几倍左右，而TL494的驱动能力不是很大，要增大主变换级的工作电流，必须升级驱动级，这显然比升级主开关管要困难许多。该电源由于采用被动PFC，在AC220V输入的情况下，使得高压主电源只能是300V左右。于是，我们马上想到，假如将被动PFC升级为升压式主动PFC，就可以将电压提高到400V或以上。由于MJE13009的BVceo为400V，假如我们只把电压提高到390V的话，原主开关管还可以继续使用。这时，由公式1可知，在不增加主变换级电流的情况下，我们已经把主变换级的输出功率提高了约30％（实际上，由于晶体管的导通压降的原因，提高的幅度应当还要大一点点），即输出功率达到了300W以上，此时，对使用45nm级器件的主流平台，已经可以从容对付了。如果，我们在可能的情况下，升级主开关管并再适当增大一点点工作电流，情况将会变得更为乐观。

2、主变压器容量问题。显然，这台电源的主开关变压器是为额定250W的输出准备的，考虑到长城这个厂家的因素，变压器功率有一定的裕量，但不会很多，至多20％，也就是300W吧。我们来看看如何提高主变压器的功率容量。在ATX电源这个特定的应用范畴，要提高主变压器的功率容量，主要有两条途径：一是提高开关的频率；二是换用更大的铁心。

似乎，提高开关的频率是最理想的办法。其实不然。撇开铁心的高频损耗不谈，我们可以发现，在使用类似MJE13009管子的半桥变换器的情况下，主变换级的开关频率在25kHz到30kHz之间（相应的TL494的振荡频率为50kHz到60kHz之间），频率难道不可以取更高一些么？比如取100kHz不是更好吗？为什么不呢？我们知道，对半桥变换来说，有个“死区”的概念，在开关周期的“死区”期间，变换器两臂的开关管都是不导通的。由于晶体开关管不是“理想开关”，在半桥变换器中，为了防止“共通”（即变换器两臂的晶体管同时导通）而烧毁器件和电源，必须设置“最小死区”。从提高效率、功率和确保安全的角度出发，在一个达到最大工作比的开关周期里，这个“最小死区”至少应占开关周期的5％时长。查13009的参数，我们发现它的“Fall Time”为0.7微秒，为了保证安全，两个管子的两个0.7微秒必须在这个5％时长里。所以，我们晓得，这个0.7微秒应当短于开关周期的2.5％时长（因为有两臂，所以是2.5％时长），也就是说，开关周期应当大于28微秒。根据频率＝1/周期，我们知道开关频率应当小于35kHz。权衡最大工作比和最小死区，再考虑开关晶体管的上升时间，我们只能把开关频率选择在30kHz左右。所以，这些电源使用25kHz到30kHz的频率是合理的。进一步的查询，我们还可以发现，对大多数的双极型高压开关晶体管，其Fall Time都在这个数值附近。在这个分析的基础上，我们知道，这台电源可以提高一点点开关频率，比如提高到32kHz，甚至到35kHz等。就算是到35kHz，也就百分之十几，再往上提，也许不会出问题，但我们可不敢，因为这降低了电源的可靠性。当然，升级的思路可以更开阔一些，比如主开关管使用MOSFET、IGBT等，他们的Fall Time比双极型高压开关晶体管要短一个数量级以上，可以使用高达几百kHz的开关频率，此时我们就可以使用较小的铁心了。但是，这要求我们同时升级驱动电路，这既增加了升级的难度，同时也是我们不希望的。这也就是那些采用MOSFET的、高价的、高功率的电源，他们的主变压器只比我们的低档货大一圈而已的原因之一。

也许，有些人更愿意更换铁心，重新绕制变压器。但是，更换更大尺寸的铁心、绕制变压器这件事情，对大多数的爱好DIY的朋友来说，似乎难度大了一些，不到万不得已，我是没有兴趣去弄这个东西的。工艺、技术上的要求，决定了我们应当尽量采用工厂的成品变压器。

对本案而言，我们欣喜地发现，以前的长城真是个好厂家（这里指它生产这台电源的时候），有EC35/40/10的铁心，我们只要稍微提高一点开关频率，比如到35kHz，就不需要更换变压器了。

3、正12V的扩流问题。通常，类似的电源在低压整流部分，其＋5V、＋3.3V、－12V、－5V等，均没有改动的必要。唯有＋12V部分，需要改造。一是低档电源＋12V的整流普遍使用快恢复管，由于快恢复管的正向压降大于肖特基管的正向压降，所以造成管耗增大、效率降低，也提高了散热要求。二是因为快恢复管鲜有几十安培电流容量的品种，所以导致＋12V整流管的电流容限普遍不足，不能满足现行ATX电源规范的要求。三是设计上的原因，相应的滤波电容的容量匹配不足。以上这些问题的升级工作要求相对比较容易解决，只要按要求更换元件即可。

 

四、目标和措施解析。从上面的分析，可以确定，我们的目标：没有蛀牙！“没有蛀牙”的具体含义是：化最小的代价，将该电源额定输出功率提高30％以上，同时较大幅度地增大＋12V的电流容量。针对制约因素，主要的措施在下面阐述。随之产生的如电子元件的参数要求、散热条件的改进、工艺流程的实施等方面的问题，应根据具体情况采取措施加以解决，但不是本文重点，故对此不作专门的展开论述。

1、提高主电源级的电压。措施是将PPFC升级为APFC。为此专门制作一块线路板，安置APFC电路。实际制作中，芯片使用了摩托罗拉公司的临界连续模式的PFC控制IC：MC34262，还使用了20A、600V的MOSFET和10A/600V的快恢复整流管，并用一个外径为36mm的铁硅铝磁环做升压电感（即Boost电感）。APFC电路设计输出为500W、390V，设计过程就不介绍了，具体线路图见图5，在官方公布的典型应用线路上作了一些改动（因为要表现得谦虚一点，我们没有使用“改进”，而是用了“改动”这个比较含蓄的词）。单独完成后的实体见图6、图7，由于线路并不复杂，用一块洞洞板作线路板，线路面见图8，大家看了，是不是认为我很菜？图6A是原来的设计，由于安装时发现，主变换级的散热片挡住了这个电感继续前进的道路，只好把电感横过来，放在MC34262的上面。用4只220V/150W的白炽灯两两串联后再并联接入，作为负载进行调试，注意要串入保险管，见图9。调试结果证明达到设计要求。开关管和升压电感在没有风扇进行主动散热的图示条件下，温升不大。特别是电感，开始用两只外经28mm的铁氧体磁环并列制作，300W负载下就十分烫手。目前的铁硅铝磁心，温升是相当的小。该磁环的电感系数为117，可知绕66T的电感量为500微亨左右。实践证明，在大功率场合，应当优先使用类似磁性材料。另外，最好同时将高压主电容更换为680微法/250V的品种。本APFC在设计时，设定输入范围为AC160V－265V，所以采用APFC的好处，除了可以提高功率因数（这个对国家有利）、提高供电电压（这个是我们目前需要的）外，还还可以稳定高压输出，这使得电源可以地稳定工作在电压不稳定的地区（这个对国家和使用者都有利）。因此，我们很负责任地认为，这是一件“利国利民”的大好事。

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由于主电源电压现在是390V，为了不改变辅助电源级、控制级的工作状态，稳定＋5VSB，必须保持辅助电源的变换级原有的300V左右的供电电压不变。这个也很容易解决，只要从整流桥输出的＋端引入就行。当然，必须注意，整流桥输出的＋端是220V（rms）、100Hz的馒头波，所以要正向串接一个二极管，再用一个33微法以上、耐压400V的电容滤波。这时，电容两端的电压就是300V左右了，具体线路见图5。由于辅助电源级的功耗较小，因此，这样做基本不会影响前面的APFC需要的馒头波，对整机的功率因数也基本没有影响。

当然，也可以在Boost电感上加上辅助绕组，利用这个APFC电路来供给控制部分的＋15V电源和＋5V SB电源。正因为可以这样做，所以有的人在介绍APFC时，会很认真地告诉您，采用APFC的PC电源，可以省掉“辅助电源”云云。

因为现在高压为390V，为了保险，最好将开关管换成耐压更高一些的。我将它换成了2SC4706，耐压600V，见图12。

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    2、提高主变压器的容量。这里要做的工作是把开关频率提高一点点。TL494的振荡频率由5、6脚的电阻、电容值决定，公式是振荡频率=1.1/（Rt*Ct），这是TL494（或KA7500）的锯齿波的频率，对桥式主变换级而言，其工作频率是这个值的一半，为什么？留作作业，请大家自己分析。在6脚所接的18k电阻上，并联一个110k的电阻，这时振荡频率约70k不到一点点。实践证明，由于电源具有稳压功能，虽然主电压有所提高，但不需要重绕变压器。当然，如果铁心窗口允许，应当改绕次级，以增加次级线圈的载流量。有条件的，也可以用EC40的铁心重新绕制变压器。

3、增强＋12V的供给。将＋12V的整流半桥更换为FST5090，这是50A/90V的肖特基半桥，＋12V的滤波电容换成10000微法/16V的。见图11。有条件的话，还可以升级滤波电感。


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4、散热条件的分析。这样的改动，无须刻意地改善散热条件。一是主开关管的功耗本来就不大，提高了电压，有助于提高效率，功耗增加不大，原机的散热片完全能满足要求。二是对低压整流部分而言，＋5V和＋3.3V部分没有改变，只是增大了＋12V的电流容量。但是，由于我们把＋12V的整流半桥换成了肖特基半桥，虽然最大电流增加了50％，但是整流管的正向压降也降低了30％，也就是说，＋12V整流管的管耗基本没有改变。因此散热条件也基本无须改变。当然，如果条件许可，从更可靠和更安全的角度出发，我们也可以适当增大散热片。

5、整机的调试。⑴先看看电源能不能工作，拆除原机的AC整流管，断开原机的辅助电源高压供给线，在APFC板和原机底板之间，连上AC输入、＋390V输出、＋300V输出和地（千万注意，不是低压部分的地！）等5条线，给APFC适当加点负载（避免APFC太轻载），插上电源，短接PS-ON（20针插座绿线）到地（低压部分的地），看见了吧，风扇开始转动，见图10。说明电源可以工作，测试主要各档输出，+5V档为5.18V，+12V档为11.86V,完全正常。⑵装机。安装完成的样子见图13、图14。连线图见图14A。接线完成后的样子见图15、图16、图17，大家看看，是不是很酷？⑶试机。即给电源加上适当的负载试机。找一条2000W/220V的电炉丝，可以算出该电炉丝可以承受的电流为2000/220=9.09A，总电阻为24.2欧。保守一点，取电炉丝承受电流为7.5安培，我们实在不愿意看到它那烧得血血红的样子。12/7.5=1.6欧。24.2/1.6约等于15。也就是说，将这条电炉丝的等分为15段，每一段是一个1.6欧、且可以承受7.5安培电流的电阻。具体怎么截取、怎么连接、怎么使得不烫手等等，就不需要我再说明了吧？两段并联接在12V上，就是15A的电流啦。+5V需要的负载电阻，也如法炮制，不再赘述。由于电压低、电流大，使用时还可以将其浸在纯净水中进行冷却，想不想试试？呵呵。

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五、心得和深度解析。

1、升级的现实意义。升级“鸡肋电源”是有现实意义的，改造过程花费并不多，大约在20元人民币左右，主要是APFC部分、主开关管和肖特基管。如果升级主开关变压器，自制的话也只是增加5元钱左右。但是，现在这个电源就可以放心地应用在当前的大部分采用45nm技术的主流平台上。一般，一台主流的实用平台也就2000元左右，与其他硬件相比，当前大厂的ATX电源依然是在“暴利”、“准暴利”时代，在“够用”的前提下，我们没有必要为厂家的“暴利”、“准暴利”买单。

2、DIY的折腾精神。升级的过程，实际上是一个理论和实践相结合的学习过程。您必须要去学习一些相关的知识、了解一些相关的理论、掌握一些相关的技巧、研究一些相关的问题。当然，这也是一个折腾的过程，但在折腾中，您可以学到很多、掌握很多、进步很多。有些东西，光看书是不能完全解决问题的。我们就是在折腾中成长起来的。

3、深度的升级思路。我们今天介绍的是“鸡肋电源”升级第一季，可以说是最容易实现的方案。在这个方案的启发下，我们还可以解析更深度的设计方案。总的来说，业余情况下，最困难的事情，莫过于控制部分的改造以及改造方案的设计。所以，在升级中，我们只能尽可能地利用原机的控制部分，而尽力避免去改动控制部分。基于这个现实，针对长城ATX-250SP4-3C电源的电路结构、用料实际、内部空间等，这里提一些我的思路，供大家批判。这些思路不一定适合其他电源。一是依然采用被动PFC，将开关管升级为MOSFET。由于MOSFET的开启电压和导通压降均较双级型晶体管为大，这样的升级，需要改绕驱动变压器，将次级线圈加绕一倍以上。同时，要改善主开关管的散热条件。此时，还可以将TL494的振荡频率提高到100kHz左右。同样不需要改动主变压器，就可以将功率提高30%以上。个人认为这个方案非常值得一试。二是依然采用被动PFC（或者干脆不要PFC），另外设计一块小PCB板，使用类似IR2110之类的MOSFET驱动IC，将主变换级升级为MOSFET，其他如前。三是更换主开关管和主变压器，将电路改为双端正激（单端正激对晶体管要求较高，且不易得），这只要改变TL494的驱动输出方式既可。其实，还有很多的方法，来升级我们的鸡肋电源。这里提的一些思路，无非是起个抛砖引玉的头而已。