Bộ nguồn (PSU) là một trong những linh kiện cơ bản nhưng cũng quan trọng nhất trong một chiếc PC. Nó chịu trách nhiệm cung cấp điện cho toàn bộ các thành phần khác, nên gọi nó là “trái tim” của hệ thống cũng không sai. Tuy vậy, nhiều người lại nghĩ nó chỉ đơn giản như một bộ adapter cấp điện thông thường, nhưng trên thực tế, cấu trúc của nó phức tạp hơn rất nhiều.
Trong PC, các mức điện áp thường dùng là +12V, +5V và +3.3V. Nếu chỉ xét về mặt điện áp đầu ra, các adapter thông thường cũng có thể đáp ứng được. Về nguyên lý, những bộ nguồn kiểu này sử dụng biến áp truyền thống (lõi thép silic hoặc ferrite) để hạ áp, sau đó chỉnh lưu và lọc để tạo ra dòng điện một chiều. Đây được gọi là nguồn tuyến tính (linear power supply).
Hình ảnh trên là sơ đồ mạch nguồn tuyến tính đơn giản nhất, nhưng chỉ có một đường điện áp đầu ra. Nếu muốn thực hiện nhiều đường điện áp đầu ra cũng rất đơn giản, chỉ cần lấy thêm một vài đầu ra từ cuộn thứ cấp của biến áp, và điện áp đầu ra cũng tuân theo công thức quy đổi số vòng dây của biến áp.
Tuy đơn giản, nhưng nguồn tuyến tính có nhược điểm lớn là hiệu suất thấp và mật độ công suất kém. Để tăng công suất, bắt buộc phải dùng biến áp lớn và nặng. Ví dụ như trong các ampli âm thanh, biến áp có thể nặng tới vài kg, kích thước cồng kềnh như một “cục gạch”, đồng thời sinh nhiệt lớn. Vì vậy, loại nguồn này gần như đã bị thay thế, và hiện nay đa số thiết bị đều sử dụng nguồn xung (switching power supply) — trong đó có PSU của PC.
Nếu nguồn tuyến tính hoạt động theo quy trình “biến áp → chỉnh lưu → ổn áp → lọc”, thì nguồn xung lại đi theo một quy trình hoàn toàn khác:
“chỉnh lưu → nghịch lưu → biến áp → chỉnh lưu → ổn áp → lọc”.
Cụ thể, dòng điện xoay chiều 220V/110V 50/60Hz trước tiên được chỉnh lưu thành điện một chiều cao áp. Sau đó, thông qua mạch chuyển mạch, dòng điện này được biến đổi thành dòng xoay chiều tần số rất cao (dạng sóng vuông). Tiếp theo, dòng điện này đi qua biến áp để hạ áp, rồi lại được chỉnh lưu, ổn áp và lọc để tạo ra điện một chiều đầu ra.
Điểm mấu chốt ở đây là: làm thế nào để biến dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều tần số cao? Nguyên lý này đã được đề cập trong vật lý phổ thông: nếu dòng điện ở cuộn sơ cấp của biến áp được đóng/ngắt nhanh chóng, cuộn thứ cấp sẽ cảm ứng ra dòng điện xoay chiều (dạng sóng vuông).
Trong nguồn xung, việc đóng/ngắt này được thực hiện bởi các linh kiện bán dẫn, thường là MOSFET công suất. Tần số chuyển mạch có thể đạt từ vài kHz đến hàng MHz, cao hơn rất nhiều so với điện lưới 50Hz.
Chính nguyên lý này khiến mạch nguồn xung trở nên phức tạp hơn đáng kể, nhưng đổi lại, biến áp có thể nhỏ gọn hơn nhiều mà vẫn đảm bảo công suất. Đồng thời, tần số chuyển mạch càng cao thì hiệu suất nguồn càng tốt.
Tuy nhiên, MOSFET silicon truyền thống đã dần chạm tới giới hạn, nên các vật liệu mới như GaN (Gallium Nitride – nitrua gali) đang trở thành thế hệ linh kiện công suất tiếp theo. Hiện nay GaN đã phổ biến trên các củ sạc điện thoại và cũng bắt đầu được ứng dụng trong nguồn máy tính.
Dù PSU của PC cũng là một dạng nguồn xung, nhưng do yêu cầu công suất cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và độ ổn định điện áp khắt khe hơn, cộng với các tính năng như chịu tải cao, bảo vệ quá tải, chế độ chờ theo chuẩn ATX…, nên thiết kế bên trong của nó còn phức tạp hơn rất nhiều so với các bộ nguồn thông thường.
Tuy đơn giản, nhưng nguồn tuyến tính có nhược điểm lớn là hiệu suất thấp và mật độ công suất kém. Để tăng công suất, bắt buộc phải dùng biến áp lớn và nặng. Ví dụ như trong các ampli âm thanh, biến áp có thể nặng tới vài kg, kích thước cồng kềnh như một “cục gạch”, đồng thời sinh nhiệt lớn. Vì vậy, loại nguồn này gần như đã bị thay thế, và hiện nay đa số thiết bị đều sử dụng nguồn xung (switching power supply) — trong đó có PSU của PC.
Nếu nguồn tuyến tính hoạt động theo quy trình “biến áp → chỉnh lưu → ổn áp → lọc”, thì nguồn xung lại đi theo một quy trình hoàn toàn khác:
“chỉnh lưu → nghịch lưu → biến áp → chỉnh lưu → ổn áp → lọc”.
Cụ thể, dòng điện xoay chiều 220V/110V 50/60Hz trước tiên được chỉnh lưu thành điện một chiều cao áp. Sau đó, thông qua mạch chuyển mạch, dòng điện này được biến đổi thành dòng xoay chiều tần số rất cao (dạng sóng vuông). Tiếp theo, dòng điện này đi qua biến áp để hạ áp, rồi lại được chỉnh lưu, ổn áp và lọc để tạo ra điện một chiều đầu ra.
Trong nguồn xung, việc đóng/ngắt này được thực hiện bởi các linh kiện bán dẫn, thường là MOSFET công suất. Tần số chuyển mạch có thể đạt từ vài kHz đến hàng MHz, cao hơn rất nhiều so với điện lưới 50Hz.
Chính nguyên lý này khiến mạch nguồn xung trở nên phức tạp hơn đáng kể, nhưng đổi lại, biến áp có thể nhỏ gọn hơn nhiều mà vẫn đảm bảo công suất. Đồng thời, tần số chuyển mạch càng cao thì hiệu suất nguồn càng tốt.
Tuy nhiên, MOSFET silicon truyền thống đã dần chạm tới giới hạn, nên các vật liệu mới như GaN (Gallium Nitride – nitrua gali) đang trở thành thế hệ linh kiện công suất tiếp theo. Hiện nay GaN đã phổ biến trên các củ sạc điện thoại và cũng bắt đầu được ứng dụng trong nguồn máy tính.
Dù PSU của PC cũng là một dạng nguồn xung, nhưng do yêu cầu công suất cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và độ ổn định điện áp khắt khe hơn, cộng với các tính năng như chịu tải cao, bảo vệ quá tải, chế độ chờ theo chuẩn ATX…, nên thiết kế bên trong của nó còn phức tạp hơn rất nhiều so với các bộ nguồn thông thường.