专家看电源 鑫谷GP600G黑金版电源改造——测试篇

　　测试平台

　　输入调压：1000VA自耦变压器

　　输入监控：远方PF9811智能电量测量仪

　　输出电子负载：Chroma 63113A负载模块两台+Chroma 63030负载模块一台+6312A主控（总计最大负载12V60A）

　　波形获取：安捷伦MSOX-3054-500MHz带宽、4通道混合域示波器，电压探头带宽500MHz，电流探头带宽50MHz，高压探头带宽250MHz

　　万用表：安捷伦34401六位半高精度台式万用表，FLUKE15B手持式万用表

　　（在接下来的测试中，如无特别标注，满载均指+12V负载电流40A。）

　　鑫谷打出金牌电源不足300元的性价比招牌后，迅速吸引了不少玩家对高性价比金牌电源的关注度。俗话说外行看热闹，内行看门道。我想不少玩家在关注低价格的同时，也会有兴趣知道这些产品的品质在专家眼中看起来究竟如何。从本期开始，就让我们在电源设计工程师的带领下，一窥高性价比金牌电源的方方面面，从深度测试到专业DIY应有尽有，让你一次看个够……

　　额定输出功率超过500W，通过了80PLUS金牌认证，且价格还在300以内。鑫谷GP600G黑金版电源凭借相当出色的性价比优势，成为近期卖得非常火爆的PC电源。比照这样的要求选电源，你会发现相应的产品堪称凤毛麟角，只有鑫谷和先马各有一款相应的产品。在没有做非常深入了解的前提下，笔者也决定购买鑫谷GP600G黑金版电源作为组建新电脑的电源。一来敬重它300元内做出500W金牌的成果，就算是用料巨省，其底子也必然很扎实；二来自信能凭借自己的专业知识通过DIY修正这台电源所有的瑕疵，自己把它改到满意；三来也能写出此文，让更多的GP600G黑金版用户能够更加了解、玩转自己手里的电源。本篇虽以“测评”为题，但却是从电源工程师的眼光，深度地告诉你这款电源的方方面面。

　　结构概述

　　拆解看来，这款电源采用的是CM6802A主控。这款主控在ATX电源中非常常见，以它为主控的产品毫无疑问是连续型平均电流模式PFC+双管正激的架构。副边的整流采用了变压器绕组自驱动式同步整流，得到+12V后再通过DC-DC模块产生+5V与+3.3V电压输出。

　　输入端测试

　　测试项目：输入电压范围、PF等

　　初次上电后，笔者先测量它的PFC输出电压（即母线电容电压、母线电压）为358V左右，看来设计值应是360V。那么估算下来允许的最大输入电压为360V÷1.414×0.95=242Vac。我们在接下来的测试中，就需要确保AC调压器的交流输出电压不大于242V以免造成电源损坏。母线电容用的是耐压400V的型号，刚好留出了10%的余量。此外，由于该电源标称不支持265V，所以在支持范围的限制下，升压比越低效率越高。这是因为升压器的特性决定的，升压电路啥也不用干的时候，效率当然会比费力干活的时候高。

　　从0V缓慢往上调节调压器的输出。电源在82V电压下开始能够正常工作带载。此时的PF值为0.999，效率比较低，总体比220V下低约4%。至于正常的220V网压下，其PF值为0.975并不算高，输入电流THD（总谐波失真）也达到了14%。电网侧的输入电压和电流波形，可见其相似度并不高。电网电压波形并不是完全正弦，尤其是峰值处有些畸变。这就是办公室中其它低PF用电器造成的污染。

　　接下来测量母线电容上的纹波，工频纹波峰峰值为18.1V，其中夹杂着大量毛茸茸的高频毛刺。将波形展开后，开关频率下的纹波。如此多的毛刺是由于母线的ESR、ESL较大，无法提供足够的高频滤波性能造成的。

　　输出端测试

　　测试项目：输出纹波、负载阶跃上电后测量输出，发现板上输出电压稳定在12.3V而非12V，多余的0.3V是为导线预留出了电压降。满载后输出电压的开关纹波并不明显。频纹波相对大一些，峰峰值30mv。输出中的高频杂波非常多，以至于需要使用带宽限制才能勉强测量。这是输出端缺乏高频滤波与EMI抑制措施，以及使用的电解电容高频阻抗偏大的共同结果。这些杂波会进入到负载中。如果依然没有被有效的抑制，那么将可能影响计算机工作。

　　接下来我们看看负载阶跃，也就是动态特性。使用电子负载仪做20A的负载切换瞬变，也就是满载跳切到半载，半载跳切到满载。得到的输出波形，波形中上冲与下冲的幅度都很小，而且回正的过程中没有出现震荡的情况。进一步分析发现，测量中的上冲下冲压差主要是输出的导线的压降导致，所以综合来看这个表现是非常不错的。

　　接着上下调节交流输入电压，输出也没有出现任何的波动。这并不意外，响应速度快，输出稳定从来都是正激类电源的主要优势。另由于DC-DC模块的引入，+5V与+3.3V的输出能力及稳定度已经没什么看点，因此笔者选择了将其忽略。

　　效率与最大输出功率测试

　　由于达到一定的输出电流时，导线上的压降及损耗已变得不可忽略，再加上板上输出的12.3V电压很稳定的缘故，我们只用输出电流大小来决定负载而非电子负载仪上显示的输出功率。在不同的负载下记录下输入功率，后期用公式（负载电流×12.3÷输入功率）计算得到效率。记录的数据如表1，得到的效率曲线。实际应用中由于导线损耗，重载下的效率应该再低0.5%左右。

　　纵然有同步整流加持，硬开关电源做到这个效率确实是需要费一番力气的，更别说还有300元不到的卖价了。为了测量GP600G的最大输出功率，笔者用了三台电子负载仪。测量得到的输出电流约为51.3A，即输出功率为631W时机器开始进入限功率状态，此时再往上加载，输出电压开始无法维持在12.3V。电压会根据电流大小变化，大概数值根据公式为631W÷负载电流进行变化，而不是直接进入过功率保护（重启或关机锁死）。这种保护模式对于应付瞬态甚至是短时间过功率是非常合理的。

　　在最大功率值工作时，输入功率达到718W，机内热损达到近100W！此外，最大输出功率的情况下，机器会呈现一种“热失控”的状态。纵然室温只有17℃且有暴力风扇进行强制风冷散热，输入的功率（同时包含机器内热损）还是会持续的往上增加且没有稳定下来的趋势。断电后分析应该是由变压器造成的，热量使得变压器的绕线电阻加大（尤其是副边的12V大电流绕组），而电阻加大后又产生更多的热量，如此恶性循环。这样的情况比较危险。所以GP600G虽然有带631W的能力，但不要长期工作在500W以上，此时原机配备的风扇散热将彻底不敷使用。

　　当效率达到90%以上后，变压器将成为主要的热源。GP600G也不例外，在高负载工作时，线圈的导线电阻尤其是副边导线电阻上的损耗会把变压器烤得非常热。由于I2R的规律，变压器在30A、40A和51A下的发热表现有明显区别。

　　笔者令GP600G黑金版电源无风冷满载工作15分钟后，用热成像仪取得的结果。可以看到散热片的温度并不高，热也主要堆积在变压器及同步整流MOS附近。

　　所以有人也嘲笑GP600G的名字“虚标”，其实并非如此。散热OK时，它能稳定带动600W负载。为什么降级只当500W卖，笔者认为除了散热以外应该还和80Plus有关，因为600W时的效率已经不达标了。

　　电路分析

　　分析内容：BOOSTPFC+双管正激+变压器绕组自驱动同步整流

　　很多读者好奇PFC电路上面的波形到底是怎么样，220V满载状态下的电感电流及开关控制信号随电网电压变化的情形。正是通过控制电感上的电流波形去跟随输入电压波形，才使得主动式PFC能够获得高PF值。可见只要控制做得得当，主动式PFC获得0.999的PF并不是难题。

　　放大波形中可以发现，开关切换动作进行的时候，无论是电压波形还是电流波形上都会出现一些尖峰及次生振荡。这些就是传说中的EMI了。开关电源是一台计算机中最恶劣的EMI源，没有之一，从这些波形中可见一斑。看见过EMI的形状后就会知道，追求低价而购买EMI滤波器缩水的电源实在是不可取的做法。还只是线上传导的EMI，我们再来看对比，不对探头进行带宽限制时，多出来的那些杂讯，大部分是探头拾取到的辐射型EMI。

　　由于双管正激没有什么看点，测量电流需要拆变压器也是异常麻烦，因此笔者在此选择略去。最大功率输出下双管正激的MOS管Vgs。测量其开关频率约为83kHz，占空比也还没有达到50%，由于CM6802的双管正激与PFC是同频率，所以PFC的开关频率也是83kHz。

　　还值得一提的是它的同步整流电路。GP600G采用的是变压器绕组自驱动式同步整流，从变压器中做一个绕组来感应出控制电压，去驱动同步整流MOS管。同步整流MOS管的控制电压Vgs与同步整流管两端的电压Vds和控制信号的图，以及续流管的对应波形这里就不再放出了，笔者从图形分析整流管的控制波形很标准。将续流管的纵轴放大后，发现续流管则没有那么好看了，以至于在它工作到后半段时已经没有足够的电平维持它完全导通了，这折损了它一部分应有的效率。不过作为一个低成本的控制方式而言，这里采用同步整流的表现还是不错的。

　　用料分析

　　分析内容：FCMOSD、2SF MOS、同步整流MOS、母线电容、输出电容。

　　为了对这台电源进行改装，笔者在它到手前先在互联网上找了找资料。得到的拆解信息是：PFC与双管正激的主MOS管均为英飞凌SPW20N60C3，PFC的二极管是Cree的碳化硅二极管CSD06060，同步整流MOS管为英飞凌IPP057N08N3G。这一套组合属于非常豪华的阵容，以至于笔者一度都难以寻到更好的料件来替代优化它们。电解电容方面则清一色地使用了台湾的TEAPO（至宝），母线电容规格为400V 390μF，105℃/2000小时寿命。

　　但是拿到手后发现机器大幅度缩水了。PFC与双管正激的MOS管均换成了MagnaChip的MDF18N50B。这枚MOS管在规格书上的性能与英飞凌的那颗倒是相仿，但是体积小了一大截而且确实是便宜了不少。值得一提的是，笔者所在的公司曾做过可靠性对比试验，8家常见的功率MOS管品牌（Faichild、ST、IR、AOS、Infineon、TOSHIBA、UTC、MagnaChip共8个品牌）中挑选一系列相似的型号，只有MagnaChip的样品全数阵亡，笔者推测是内芯尺寸偏小或者是制作工艺方面的原因。还是应了那句话，便宜都是某些代价换来的。

　　而PFC二极管则从高贵的碳化硅换成了ST的STTH8R06D，这是一枚属性平常的超快恢复二极管。不过话虽如此，这个位置上除了碳化硅以外，也确实很难找到价格合适的优化料件了。而且ST的二极管可靠性也是不错的。

　　同步整流MOS管则换成了SM6008NF，几经搜索才得知它的生产厂家是日本一家名为“大中积体（SinoPower）”的公司。当然官方给出的规格数据来看，导通电阻只有2.6～3.4mΩ也比较优秀。后起之秀想要和大腕竞争，总是要先提供一些价格优势。而且由于是一家日本公司，我们姑且相信它的可靠性是过得去的（日本器件的品质在产业界还是很有名气的，就像德国的汽车一样）。

　　电容则全数更换成了台湾的CapXon（方宾），母线电容的规格也降低到了400V270μF105℃/2000h。经查询系列规格书，发现这些电容都属于低端的“常规品”，即没有任何特点与针对性优化。好在输出端的电容还是使用了105℃规格，要不然真是难以接受了。而且，虽然同属台系电容，CapXon的定位比TEAPO更低一点点。拆下来测量后，发现它们在120Hz下容量能够达标，但是80kHz频率下容量缩减到标称值的10%以下，而且损耗因数也比较大。输出电解电容在80kHz下容量更是从2200μF大幅下降到70μF，损耗因数达到0.63。

　　综合来说，虽然我们都知道卖价300元不到，做成500W金牌的机器不容易，也并不排斥便宜料件，但是送测评时用上好的料，卖给消费者时再缩水这种做法依然是不诚实的。此外，从这些料件的属性上估测，整机效率将比缩水前低0.8%~1.5%，这样一来，还能否通过80Plus金牌也要先打一个问号了。

　　其他

　　分析项目：EMI、安规设计与虚焊问题

　　EMI毫无疑问是所有电源工程师共同的大敌。对于一款全硬开关的电源而言，其EMI想必非常顽固。有的测评中说到该机器EMI滤波电路“豪华”，笔者更认为是实在不得已而为之。齐全的X容、Y容、共模、差摸电感没有缩水固然是好，但EMI这个问题，往往是勉强能通过就万事大吉，用料并不太说明问题。

　　经查询机壳上提供的3C认证编号，发现认证有效、信息正确。而且样机测试满足了GB4943.1-2011安全规范（即漏电流、边角锐利度、损坏时不起明火等等可能对使用者造成健康及生命、财产安全的国标规范），GB9254-2008电磁兼容规范（即EMI与RFI限制国标规范），GB17625.1-2012谐波电流发射限制（也即PF与输入电流THD的国标规范）。这几个国标规范实际上与欧美发达国家的规范是接轨的，所以对于该机器的电磁兼容及使用安全度可以放心。从上面几个规范的简要介绍，读者们也就明白了3C认证对于选购电源来说很重要。这样可以筛掉不少看似“用料足”然而EMI依然一塌糊涂，及其它标榜“静音”、“性价比”，实际上完全没有选购价值的电源。

　　在进一步拆解的过程中发现。PFC与双管正激的MOS管上，G脚与S脚都套上了磁珠。PFC二极管的A脚与K脚，也均套上了磁珠。二极管的两只脚套磁珠属于常见情况，MOS管的G脚套磁珠也勉强能够接受。但是MOS管的S脚套磁珠，则是一种“犯忌”的做法了，这种做法从物理原理上就被公认为是不合适的。所以只能说，对于设计师对策EMI时的苦恼与绝望，笔者看到这些磁珠时真是感同身受。当然，这一切的做法均是为了减缓开关速度，抑制EMI，尤其是抑制由二极管的反向恢复造成的EMI。更进一步改造的过程中笔者尝试过拿掉这些磁珠，结果导致了无法开机、工作不稳定甚至MOS管击穿的恶劣结果。看来这两枚并联二极管的反向恢复效应是很恶劣的。

　　此外，在改机的过程中，也出现了莫名其妙的无法开机现象。仔细检查，竟发现PCB上有四五个器件存在明显的虚焊。这几个器件是用在保护电路上（如输出过压、短路等），所以出厂检测时可能没检出。究其原因，应该是安装贴片元件使用了回流焊工艺，然而焊盘却使用了红胶-波峰焊的焊盘。（波峰焊与回流焊属于电子工业中两个最典型的量产制造技术。有兴趣的读者可以自行了解相关内容。）波峰焊的焊盘比较大一些，所以印刷在焊盘上的焊料不是那么够（其它贴片器件焊点的状况也不是很饱满）。加上元件一端焊盘上可能散热较快，所以过炉后一端先冷凝，把器件拉翘了起来，造成另一端虚焊不良。补焊过程中，笔者还发现这台机器采用的应该是有铅焊料而非目前越来越普遍的无铅工艺。所以读者们报废它的时候也请勿随意处理，避免污染。

　　这台GP600G黑金版电源流落到了笔者的手上可以说既是鑫谷的幸运也是不幸，幸运的是笔者可以自己修好它。不幸的是，因为此文的缘故，更多的人了解到了这个虚焊的问题。作为一个随机的消费者，笔者拿到的这台电源中有4个器件虚焊，那么更多的消费者呢？所以希望鑫谷在工艺及出厂检测上还要再加强。即便是保护功能，也要作出检测步骤，以免不良品留出。

　　总结

　　由于笔者主要从事高可靠性电源的研发，因此在拆解评测中的要求颇为严苛。当然，没什么产品是完美的，这台电源总的来说也是瑕不掩瑜。本文中列出的缺点，除了虚焊以外基本上都可以靠提高成本来解决，所以大家也请勿对它太过苛责。在把玩这台电源半个多月后，笔者更发现它确实是一台底子扎实、优化到位、性价比极高，值得敬佩的电源。在下一期的改造中，笔者将介绍如何对该机器进行用料、效率与可靠性优化、杂波抑制、电路改造、散热加强、以及长期的维护等内容，欢迎关注。

　　文 郭建