老电源瓶颈解析

三、升级和瓶颈解析

　　这款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。＋12V输出应当达到15A左右。从电源的用料看，升级到额定300W的空间是存在的，我们有希望化小钱，动手让这台电源在当前一般的主流平台上重新服役。下面，我们以这台电源为例，来分析一下，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。考虑到实际情况，我们尽量采用一些定性的说明和分析，避免定量分析以及繁杂的公式推导、数学计算。

　　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，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，这个电源可以提高一点点开关频率，比如提高32kHz，甚至35kHz等，就算是35kHz，也就百分之十几，再往上提，也许不会出问题，但我可不敢，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DIY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＋12V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。