什么是PC电源的转换

两款PC电源谁更耗电不是由额定功率决定的,而是由其转换效率决定的。但是我们也不能笼统地作出“电源A转换效率必然比电源B高”这样的判断,因为不同的输出功率下,电源表现出来的转换效率也是更有高低的。这就让一些同学产生了迷惑,到底PC电源的转换效率该怎么计算,我们该怎么做才能真正实现省电或者是省电费的效果?
什么是PC电源的转换


电源上的80Plus认证标记可以体现出电源转换效率的高低

实际上转换效率一直是PC电源中的一个很重要的评价参数,其重要性不比电压稳定性要低。在PC电源业内甚至还有一个很重要的认证标准是专门针对电源的转换效率推出的,那就是大家熟知的80Plus认证,其甚至已经成为了不少消费者选购电源的标准。而且与主动式PFC带来的功率因数提升不同,功率因数的提升很难有一个实际的体现,因为它并不影响电表上的数字,也就是不影响电费的高低,但转换效率影响的是有效功率,确确实实会在电表的数字上有所体现,简单来说就是能给你省电费,因此电源的转换效率受到玩家关注自然就是理所当然的事情了。

什么是转换效率?

通俗来说,当某个设备涉及到能量转换的时候,其能量输出与能量输入之间的比值就是转换效率,一般会以百分比的形式进行体现,基本的计算公式如下所示:
转换效率 = 实时输出能量 / 实时输入能量 * 100%
根据能量守恒定律,理论上能量的转换最高可以达到100%效率,但我们都知道这在日常生活中几乎是无法实现的,因为能量在转换的过程中是存在损耗的,转换的次数越多损耗得就越高,例如内燃机是将燃料的化学能转换为机械能的设备,而转换过程中还存在着化学能转换热能、热能转换机械能的步骤,因此内燃机的转换效率一般都不会太高,能达到60%就已经属于比较高的水平了;而电热棒则是将电能直接转换为热能的装置,转换过程中不存在其它步骤,因此电热棒的转换效率一般比较高,普遍都可以达到70%-80%的水平。
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PC电源的内部结构

PC电源则是一个由变压器、交流/直流转换器以及稳压电路所组成的综合变电器,通常是输入交流市电,然后输出+12V、+5V、+3.3V、+5Vsb、-12V等多种直流电供PC硬件使用,在转换的过程中也必然存在能量的损耗,损耗越少就意味着电源的转换效率就越高。目前在PC电源的评价标准中,转换效率已经是一个很重要的评价因素,虽然说高转换效率的电源不一定是优秀的电源,但优秀的电源必须要有较高的转换效率。
什么是PC电源的转换

按照英特尔给出的电源设计指南,目前符合相关规范的PC电源在115V交流输入下,20%轻度负载时转换效率应不低于65%,在50%典型负载时转换效率应不低于72%,在100%满载的情况下转换效率则应不低于70%。不过这个要求对于现在的PC电源来说早已不是什么困难事,基本上只要是正规的PC电源产品,其平均转换效率一般都能达到80%以上,高端产品甚至可以达到90%以上的水准。
玩家想要知道一款电源的转换效率大概处在什么水平也不是已经很困难的事情,除了可以查找相关的评测之外,我们也可以直接通过电源的80Plus的认证级别来进行判断。目前80Plus认证级别可以分为白牌、铜牌、银牌、金牌、铂金和钛金共计六种,地位是逐步提高,对应的电源转换效率也会逐渐提高。目前在售的多数电源都有进行80Plus级别认证,没有进行认证的多数是入门级产品,一般是“价格敏感型”,对于这种产品,转换效率的高低并不是重点考虑的因素。

PC电源的转换效率有什么特性?

转换效率的计算是强调“实时”的,这是因为不同工作状态下设备表现出来的转换效率都会不一样。PC电源也是如此,因此在电源设计指南中不同负载状态下转换效率的要求也会不一样。而从我们的电源评测可以看出,对于大多数电源来说,其转换效率会随着输出功率的变化而变化,大多数是轻载时转换效率最低,半载或典型负载下转换效率最高,满载时的转换效率则略低于典型负载,另外交流输入的电压高低也会影响PC电源的转换效率,一般来说在允许的输入范围内,输入电压越高电源的转换效率也会越高,多数情况下,同款电源在230V输入电压下的平均转换效率会比115V输入电压下高2%到3%的水平,具体的转换效率曲线可参考下图:


一般来说,PC电源在30%到80%负载区间的转换效率是比较高的,因此如果你想让自己的PC能够实现省电或者是省电费的效果,那么就应该尽量让PC电源工作在这个负载区间当中。而且这个区间往往也是PC电源综合性能表现最好的区间,对于整机的工作稳定性也有很好的帮助。

PC电源中什么组成对转换效率有影响?

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即便是标称80Plus铜牌认证的产品,其LLC谐振拓扑也能带来接近于80Plus金牌的效率

在PC电源中影响转换效率的因素有很多,其中影响最大的就是电源的拓扑结构。关于电源的拓扑结构是什么,大家可以参考我们此前的课堂文章《超能课堂(196):决定电源性能的双管正激和LLC谐振是什么?》。就以上面提到的两种主流拓扑来说,采用LLC谐振拓扑的PC电源在转换效率的表现上一般都优于双管正激拓扑,而且两者在转换效率之间差异一般很难通过元件调整的手段来修正,简单来说就是“天生的差别”,因此前者常见于80Plus金牌或以上认证级别的电源上,而后者则常见于80Plus铜牌认证产品,只有少部分产品能达到80Plus金牌的水准。
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低内阻型元件有利于提升转换效率,降低电源的发热

PC电源的元件对于转换效率的高低也有着举足轻重的作用,电源内部的元件很多,其中对转换效率影响比较大的是各式的开关管以及电源的变压器,其中开关管涉及到的参数中,内阻直接影响到开关管的工作损耗,一般来说内阻越高,工作时带来的损耗会越大;变压器在转换电压时也同样会带来能量的损耗,因此在这些元件的选择上,高端电源多使用低内阻型开关管元件来提升转换效率,变压器也一直有在进行改良以提升转换效率并降低发热。
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NTC旁边的继电器有利于提升转换效率

另外减少PC电源的元件数量也是一种有效降低电能损耗的方式,理论上说去除EMI电路是有利于提升电源转换效率的。只是EMI电路所带来的保护作用远比去除其之后带来的转换效率提升要更为重要,因此正规的PC电源产品是不会为了些许的转换效率而去除EMI电路,毕竟安全才是需要首先考虑的。当然为了降低EMI电路对于转换效率的影响,厂商也不是没有做过努力,在NTC元件旁边配置继电器就是一个很常见的方法。
NTC元件本质上是一个热敏电阻,当其处于低温状态时属于高电阻状态,因此在开机的时候才能够起到抑制电流冲击的作用。而电源工作状态后,NTC就没有别的作用了,虽然其会因为电流的通过而发热并逐渐降低电阻,但对于此时电源来说其已经是一个不必要的额外损耗,这时NTC旁边的继电器就会短接NTC的两端,这样电流就不再经过NTC,NTC不再发热,重新进入高电阻状态,为下一次的开机做好保护的准备,同时电流不再经过这个额外的电阻,损耗自然就降低了,转换效率自然得到提升。
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直插式PCB也是一种降低损耗的有效手段

此外缩短电流的行程,增加电流的通过面积,对于提升PC电源的转换效率也是一个合理的方式。我们都知道线路的电阻与线路的长度和截面积有关,简单来说就是线路越短、截面积越大,通过电流时的电阻就会越低,损耗和发热自然也会越低。因此有不少电源中会通过铺锡的方式来增加电流的通过面积,并通过直插PCB的方式来缩短电流的路程,以此降低电流在传输过程中的损耗,达到提升转换效率的效果。
另外在电源拓扑和用料基本一致的情况下,原生线材的产品一般在转换效率上会略高于模组线材产品,因为模组线材会有接插件,线材的电阻会略高于直插在PCB上原生线材,电能的损耗会更高一些。当然这两者之间转换效差异实际上并不高,如今基本上都能控制在1%以内,基本也就忽略不计了。
总而言之影响PC电源转换效率的因素有很多,但如何提升转换效率是需要从整体出发进行考虑,并不是简单地改变一两个部分就可以解决的。因此对于消费者而言,我们只需要直接看最终结果来进行选择就可以了。

我们怎么做才能提高PC电源的转换效率?

可能会有同学会问,我该怎么做才能提升电源的转换效率?事实上如果你不对电源进行硬件上的改变,那么其转换效率表现其实从出厂的那一刻开始就已经确定,很难再通过后天的手段进行大幅度的提升。当然如果你要纠结那1%甚至不到1%的变化,那么你可以选择购买一个功率匹配的稳压器,让PC电源的输入电压维持在较高的水准,理论上会有利于PC电源的转换效率表现。对于模组化接线的PC电源,你也可以选择定制低电阻的模组线材替换原装线材,一来可以达到美观、个性化的效果,二来也可以降低线材传输电能时的损耗,同样有利于提升PC电源的转换效率。
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定制低电阻模组线可以降低损耗,但效果可能没你预想中的明显

然而这些措施并不一定能带来省电或者省钱的效果,稳压器确实可以提升PC电源的转换效率,但是其本身也存在能量损耗,因此综合下来会不会更省电,这恐怕得好好思考一下;定制低电阻的模组线材在理论上也确实可以减少损耗,但这种低电阻的定制线材往往价格不菲,而减少的电能损耗则需要花很长的时间才能抵上定制线材的价钱,如果你是为了省电费而定制线材,这显然是一笔非常不划算的买卖,“我为环保作贡献”的理由可能还更充分一些。
因此“提高电源转换效率”这个想法并非不可以实现,但实现的代价并不一定符合我们的最终目标。相比之下在选购电源的时候,选购一款额定功率合适且转换效率表现比较好的产品可能会更加有效,另外不使用电脑时进行关机并切断电源的输入也不失为一个好办法,与其通过华而不实的手段来提升电源的转换效率,良好的用电习惯才是节能省电的最佳方式。
来源:超能网

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