什么是电源供应单元 (PSU)？

电源供应单元，通常称为 **PSU**，是一种电气设备，在大多数机器，尤其是计算机中非常重要。PSU 的主要功能是将外部电力转换为计算机不同部件所需的特定电压和电流。换句话说，它是系统的核心组件，可确保稳定可靠的供电，这对于整个计算基础设施的平稳运行至关重要。

PSU 组件

PSU 包含不同的组件，如下所示

变压器

在 PSU 内部，变压器负责将输入电源提供的电压转换为设备兼容的所需电压。它还充当输入和输出部分之间的屏障，并通过电气隔离来提高安全性。线性和开关模式电源都使用它来确保达到组件所需的电压水平。

整流器

整流器将交流电转换为直流电。这在大多数电子设备中都很常见，如实验所示。通常，它使用二极管来实现半波、全波或桥式整流。由于它只允许电流朝一个方向流动，因此整流器可提供稳定的直流输出，这对于电子组件的使用至关重要。

Filter

即使在整流之后，直流输出也存在脉动或波纹形式的波动。这些包括电容或电感滤波器，它们可以减小这些变化，从而提供稳定的直流电压。此过程对于微电路等精密元件的运行尤其重要，因为任何电压变化都可能干扰电路的工作。

稳压器

这些设备有助于确保在输入电压或负载发生变化时，都能向负载提供恒定的电压。它们也可以是两种类型，即线性稳压器或开关稳压器，它们的功能各不相同。另一方面，线性稳压器更简单便宜，但效率不如开关稳压器。

保护电路

保护电路可防止 PSU 或其他连接设备出现电气问题。一些常见的保护措施包括过压保护 (OVP)、过流保护 (OCP)、短路保护 (SCP) 和过温保护。它们能检测到不健康状况，然后关闭 PSU 或降低其提供的电力，以保护 PSU 和设备。

冷却机制

零件在运行过程中会发热，需要有效管理这些热量，以免其影响性能，并避免整体过热。这包括散热片、风扇，以及嵌入式系统现代版本中更有效的液冷系统。有效的冷却可以使 PSU 及其组件保持在适宜的温度范围内，以确保 PSU 在最佳温度下运行，从而降低故障率并延长 PSU 的使用寿命。

电源供应单元的类型

根据不同的电源调节方法，电源供应单元可分为两大类

1) 线性电源

线性电源通过变压器、整流器和滤波器工作，用于将交流电压直接转换为直流电压。变压器调节电压量，整流器将电流类型从交流转换为直流，滤波器则使转换更完善。

线性电源主要因其固有的基本电路设计和低输出纹波电压而受到青睐，这对于模拟电路来说非常理想。但它们通常比其他类型的电源慢，因为多余的电压会以热量的形式散失，需要更大的散热器，因此设备体积更大。当输入和输出电压的比例复合时，它们变得非常低效。

2) 开关模式电源 (SMPS)

SMPS 或开关模式电源因其比线性电源更高效的设计和相对紧凑的尺寸而被使用。它们通过全波整流，然后借助晶体管以高频率开关输出，从而解调交流电为直流电。这种高频开关也使得可以使用更小的变压器和电容器，从而减小了尺寸和重量。

3) 不间断电源 (UPS)

不间断电源在断电时为设备供电，目的是保持设备运行。它包含电池、逆变器和充电器。当市电可用时，UPS 会为电池充电；在断电的情况下，它会立即使用电池供电，并向负载提供交流电。

UPS 系统有三种形式，即离线式、在线互动式和在线式 UPS 系统；每种都提供不同级别的保护和电源调节。它们特别适用于对电源质量一致性要求极高的场所，例如计算机机房、医院。

4) 可编程电源

这些电源的特点是用户可以通过十六进制接口甚至程序来调节关键特性，包括电压和电流输出。它具有 USB、RS-232 或 GPIB 的连接接口，用于连接到其他自动化测试系统。这些电源在进行研发和生产测试时非常有用，因为在这些过程中，保持准确一致的供电条件至关重要。

模块化、半模块化和非模块化 PSU

• 模块化电源： 所有线缆都永久连接，但如果 PSU 配备了过多的线缆，则可以仅连接所需的线缆，从而增强了机箱内的空气流通并提供更整洁的外观。
• 半模块化 PSU： 部分线缆（如主板连接器）已永久安装在 PSU 中，而其他线缆则易于访问，以提供灵活性，而不会产生高昂的制造成本。
• 非模块化 PSU： 所有线缆均为非模块化，这意味着线缆已焊接且无法拔下，它们位于机箱内部，可能会交叉，从而影响冷空气的流通。
• 用户应根据其对外观、通风和机箱内部区域可访问性的偏好来选择特定的机箱类型。在定制装配中，由于其灵活性，模块化设计更受欢迎，而非模块化设计则限于预算或预装系统中的。

电源供应单元的工作原理

交流电压作为输入

电源供应单元 (PSU) 通常从主电源获取交流电压，正常情况下范围在 110V 至 220V 之间，具体取决于所在国家/地区。这种输入的交流电源作为 PSU 的基本输入功率。上述 PSU 中的交流电压很高，与计算机组件不兼容，因此必须将其转换为直流电，其电压显著降低。这些为 PSU 的运行奠定了基础。

修复方法

当交流电压进入 PSU 时，会发生整流，产生脉动的直流电压。这是通过连接成桥式的一系列二极管来实现的，这被称为桥式整流器。整流的作用是只允许电流朝一个方向流动；这对于将双向流动的交流电转换为适合电子电路使用的单向电至关重要。

过滤

整流后，输出中存在纹波，称为生产中的不良变化。因此，在 PSU 的处理脉动直流电的部分，使用电容器和有时使用的电感器作为滤波器。这可以储存能量并在适当的时候释放，调节突然的变化，并将不规则的电压转换为稳定的类直流电压，这对精密电子零件或电子设备有益。

交换方式

在当今使用的许多电源供应单元中，SMPS 被应用于优化效率。在这里，直流电压通过晶体管等电子开关以高频率进行斩波，输出也是直流形式。这使得电压的有序转换和电压控制成为可能，从而最大限度地减少了过程中产生的热量，从而使 PSU 变得紧凑轻便。

变压和隔离

高频开关后，电压通过变压器进行变换。变压器根据需要升高或降低电压，并为 PSU 的输入和输出提供电气隔离，以确保安全。这提供了隔离，将计算机组件与高风险的市电电压分开，并辅助电压升降过程，以适应各种硬件。

再次整流和滤波

变压器部分由于开关操作，会产生最终的交流输出，这取决于电压控制。然后，该电压在 PSU 中经过再次整流和滤波，以获得计算机内部电路所需的稳定干净的直流电。这些阶段可确保为不同负载提供的电压恒定，以最大限度地减少电压波动，这可能导致接收设备故障甚至物理损坏。

电压调节

电压调节很重要，因为它可以确保输出电压稳定，无论输入或负载发生何种波动。PSU 还具有反馈机制来测量输出水平，如果输出不在可接受范围内，则会更改 PSU 内部的电路。这可以确保提供的电压始终稳定在小范围内，从而保护用户精心设计的精密的电气设备免受高低波动的影响。

输出

电源供应单元的最后一步是使用一个或多个输出导轨（+12V、+5V、+3.3V）为计算机组件提供正确的稳压电压。这些输出旨在提供足够的能量，与计算机的不同组件（如主板、处理器、存储设备和外部外围设备）兼容，使它们能够高效无故障地工作。

保护机制

现代 PSU 拥有多种保护功能，可保护计算机免受过压、欠压、过流和短路的影响。例如，这些保护功能可以关闭 PSU 或停止输出电流，以保护 PSU 或与之连接的设备，从而保证安全的供电环境。

冷却

由于脉动，任何电源供应单元都会产生热量，因此任何设计都必须包含一些冷却措施。大多数 PSU 都配有内部冷却风扇，有些甚至配有被动或高级冷却系统。有效的冷却可以延长 PSU 的寿命，并防止其过热，从而避免计算机内部发生故障或火灾等危险。

电源供应单元的应用

1) 消费电子产品

公共事业单元对于智能手机、笔记本电脑、平板电脑、游戏机和家用电器等消费电子产品的电源管理至关重要。这类模块的一个共同特点是，它们需要低电压、干净的直流电源和信号才能提供最佳性能。

这些设备由涉及将市电转换为正确直流电压的 PSU 供电，以确保安全高效运行。这会影响 PSU 的有效性和耐用性，从而影响消费电子产品整体。

2) 通信

在大多数行业中，PSU 都用于为网络设备、服务器和数据中心供电。它们能够提供稳定一致的电源，以支持和维持数据流和通信过程的连续性。

这类电源在该领域很常见，因为它有效且能响应负载变化。PSU 在通信领域的可靠性非常关键，因为任何电力中断都可能导致通信公司和客户的服务中断。

3) 工业设备

工业机械和控制系统需要可靠的电源供应单元，能够提供高功率并能抵抗气候条件。这些电源的优势在于其耐用性，因为它们可以提供可靠的电力，并具有过压保护和热管理等其他功能。例如，在制造或自动化领域，PSU 可以确保生产平稳运行，减少故障，从而减少频繁的维护需求。正因如此，它们通过耐用性和可靠性在工业中保持效率方面非常有用。

4) 医疗设备

一些医疗设备需要可靠且安全的电源供应，以确保设备能够准确工作，尤其是在治疗患者时。呼吸机、成像系统和手术设备等设备需要来自 PSU 的干净电源，该电源必须通过严格的监管标准，并且尽可能避免中断。

任何波动和供电中断在医疗设施中的后果都非常危险。因此，医疗环境中所用 PSU 的电路设计了备用和安全功能，以确保连续运行。

5) 汽车应用

当今的汽车配备了各种电子组件，从娱乐系统到 ADAS。汽车中的多个电源供应单元确保这些系统获得所需的电源并以正确的方式进行调节。要在汽车应用中使用，它们需要能够承受这些环境中常见的温度和电压变化。可以肯定地说，可靠的 PSU 对于确保汽车其他重要电子设备的正确运行至关重要，从而影响安全和用户体验。

常见问题与故障排除

1) 过热

过热是 PSU 的主要问题之一，主要原因是通风不足、灰尘堆积和冷却风扇故障。当 PSU 的运行温度高于其最佳水平时，可能导致计算机关机甚至完全停止工作。为此，请确保 PSU 通风良好，清洁设备上的灰尘，并检查冷却风扇是否工作正常。但是，如果无效，可能需要额外的冷却解决方案，或者可能需要更换 PSU。

2) 电源供应不足

PSU 的低功率供应会对计算机产生不利影响，导致系统不稳定、系统崩溃，甚至计算机启动缓慢。这通常发生在升级了笔记本电脑中的其他组件时，这会增加系统所需的功率，而 PSU 无法满足。

一些表明存在故障的迹象是计算机频繁自动关机、自动重启或完全无法启动。有必要确定整个系统的功耗，并检查所示的 PSU 容量是否允许未来性能提升所需的额外功率。用户还可能需要升级到更高容量的 PSU，以维持其按需运行。

3) 电气噪声和干扰

PSU 的电磁干扰 (EMI) 会干扰其他电信号，这可能导致数据损坏或电气系统不稳定。EMI 的主要原因包括屏蔽不良、组件故障或 PSU 过滤不当。

要解决此问题，请确保 PSU 接地充分，提供 EMI 干扰滤波器，并用专为消除电气干扰而设计的更高质量的单元替换 PSU。还可能需要防止电源线与数据线相互连接，以最大程度地减少干扰的可能性。

4) 电容故障

PSU 中使用的电容器会随着时间而劣化，从而导致电压不稳定或完全失效。故障电容器的迹象包括顶部膨胀、泄漏或 PSU 发出烧焦的气味。这种衰减会导致系统随机关机或根本无法开机。如果怀疑电容器有故障，建议更换 PSU，因为维修它们涉及处理高压元件，在没有专业培训的情况下可能很危险。

5) 电缆松动或损坏

松动或损坏的电源线会导致内部电力中断，在需要时导致供电减少或根本不供电。常见原因可能是物理磨损、设备安装不当或意外断开。

此外，一个可能的解决方案是检查所有电源线是否出现磨损等故障，并在必要时正确连接它们。它们还可以用于预防未来问题，因为它们减少了连接器部分的张力。

6) 连接器松动或故障

在检查电源供应单元的众多事项中，应检查已知会松动或有故障的电缆连接。这些连接器的连接不良可能导致供电不稳定，从而导致随机关机、无法启动或无法识别某些硬件设备。

这尤其适用于用户侧连接电缆的模块化 PSU。为此，请确保主板的所有连接器都连接良好，包括 24 针主板、8 针 CPU、PCIe 和 SATA，检查是否有弯曲的引脚、磨损甚至引脚损坏。这一点不言而喻；建议更换磨损的电缆，并使用扎带将连接牢固固定。

7) 短路和电涌

如果电路或电涌短路，可能会对 PSU 造成巨大损害，并可能导致完全故障。这种情况可能源于电路缺陷、连接错误或电力供应波动。

例如，这包括 PSU 不开机、冒烟甚至散发出烧焦的气味。为避免此类情况，请始终使用电涌保护器，遵循正确的接线程序，并经常检查 PSU 是否有损坏。万一发生短路，请关闭 PSU 并将设备的所有权移交给合格的技术人员。

结论

电源供应单元是计算机系统中非常重要的组成部分，它为计算机的各个部分提供电力供应。优质的 PSU 可以提高系统性能，节约能源，并保护外围设备免受与电力相关的损坏。