1 ATX電源簡介
早期PC中的開關(guān)電源是AT電源的一統(tǒng)天下,。AT電源的輸出功率一般為150～250W,，共有四路輸出(+5V,、-5V、+12V,、-12V),，另外還向主板提供一個電源正常(PG，Power Good)信號,。AT電源的缺點是采用切斷交流電源的方式關(guān)機,，不能實現(xiàn)軟件關(guān)機。目前隨著ATX電源的普及,，AT電源已淡出市場,。
Intel在1997年推出了流行的ATX2．01電源標(biāo)準(zhǔn),。和AT電源相比，ATX電源主要是增加了3．3V輸出電壓和一個PS-ON信號,。其中,，3．3V電源給使用低電壓的CPU供電，大大降低了主板電路的功耗,。5V電源亦稱輔助電源,，只要插上220V交流電就有5V電壓輸出。PS-ON信號是主板向電源提供的電平信號,，用來控制電源其他各路電壓的輸出,。利用5V電源和PS-ON信號，即可實現(xiàn)軟件開機／關(guān)機,、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程喚醒等功能,。當(dāng)主板向電源發(fā)送的PS-ON信號為低電平時將電源啟動，PS-ON為高電平時關(guān)閉電源,。ATX電源的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率,、安全標(biāo)準(zhǔn)(例如我國的C CEE認(rèn)證)、電磁干擾(EMI)特性,、 “電源發(fā)生故障”(PF,，即Power Fail)及“電源正常”信號的延遲時間等。
PC開關(guān)電源的功率必須能滿足整機需要并留有一定余量,。目前,，PC正朝著“綠色”節(jié)能環(huán)保型的方向發(fā)展，其電源功率并非越大越好,。Intel新推出的Micro-ATX標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的PC電源功率只有145W,，甚至可降低到90W。ATX電源現(xiàn)已成為PC電源的主流產(chǎn)品,。
反激式開關(guān)電源中磁放大器穩(wěn)壓電路的基本原理如圖1所示,。輸出電壓UO經(jīng)過取樣電阻R1和R2獲得取樣電壓UQ，接誤差放大器的反相輸入端,，誤差放大器的同相輸入端接基準(zhǔn)電壓UREF,，VDZ為穩(wěn)壓管，R3為偏流電阻,。誤差放大器將UQ與UREF進行比較后產(chǎn)生誤差電壓Ur,，再經(jīng)過二極管VD3接可控磁飽和電感器L1的右端。VD1為輸出整流管,，VD2為續(xù)流二極管,。C為輸出濾波電容器。L2為磁珠,，用來抑制開關(guān)噪聲,。U1,、U2、U3,，分別代表L1左端,、L1右端、VD1右端的電壓,。高頻變壓器一次側(cè)的上端接直流輸入高壓U1,，下端接功率開關(guān)管MOSFET的漏極。輸出電壓經(jīng)過反饋電路獲得的反饋信號,，用來調(diào)節(jié)PWM調(diào)制器的脈沖占空比,，通過改變MOSFET的通、斷狀態(tài),，即可實現(xiàn)穩(wěn)壓目的,。
當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，能量儲存在高頻變壓器中,，此時VD1截止,。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，儲存在高頻變壓器中的能量傳輸?shù)蕉蝹?cè),。此時VD1導(dǎo)通,，磁復(fù)位電流IG從右向左流過L1，將L1磁復(fù)位,。由于二次繞組電流I2方向與IG相反,，因此I2必須先將IG抵消后才能流過L2。這表明二次側(cè)電流是從負(fù)值變?yōu)檎?，然后迅速增大,，使L2進入磁飽和狀態(tài)并呈現(xiàn)低阻抗。顯然,，磁復(fù)位時間就是VD1開始導(dǎo)通的延遲時間t1,。
磁放大器的時序波形如圖2(a)、(b)所示,。二者所對應(yīng)的磁復(fù)位時間分別為t1、t2,。
由圖可見,，改變t1，即可調(diào)節(jié)U2的占空比：D=t1／T,，T為開關(guān)周期,。具體講，當(dāng)磁復(fù)位時間從t1減至t2時,，D ↑→UO↑,。反之,，當(dāng)磁復(fù)位時間從t2增加到t1時，D↓→UO↓,。因磁放大器具有“二次穩(wěn)壓”(一次穩(wěn)壓是由PWM調(diào)制器完成)的作用,，故能對UO進行精確調(diào)節(jié)，獲得高穩(wěn)定度的輸出電壓,。
3 3．3V磁放大器穩(wěn)壓電路的設(shè)計
PC開關(guān)電源中的3．3V磁放大器穩(wěn)壓電路如圖3所示,。磁放大器由取樣電路(R24和R26)、可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器(TL43 1),、磁復(fù)位控制電路(3A／40V的PNP功率管TIP32),、可控磁飽和電感器(L4)等構(gòu)成。3．3V電壓經(jīng)過R24和R26分壓后獲得取樣電壓UO,，接至TL431的輸出電壓設(shè)定端(UREF),，與TL43 1中的2．5V帶隙基準(zhǔn)電壓進行比較后獲得誤差電壓Ur，經(jīng)R27加到VT2的基極上,，VT2的集電極電流經(jīng)過超快恢復(fù)二極管VD9(UF4002)流到L4的右端,。輸出整流管和續(xù)流二極管公用一只由安森美公司生產(chǎn)的MBR2045型20A／45V肖特基對管VD7，內(nèi)含整流管VD7a和續(xù)流二極管VD7b,。C14為輸出濾波電容器,。由L6、C15構(gòu)成后置濾波器,。
現(xiàn)對磁放大器的工作原理分析如下：當(dāng)單片開關(guān)電源內(nèi)部的MOSFET導(dǎo)通時,，輸出整流管VD7a截止，VD7b導(dǎo)通,，由儲存在C14,、C15上的電能繼續(xù)給負(fù)載供電。此時L4對高頻開關(guān)電流呈高阻抗,。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時,，VD7a并不立即導(dǎo)通，而是經(jīng)過一段延遲時間才能導(dǎo)通,。由于磁復(fù)位電流的存在,，二次繞組的正向電流必須先將磁復(fù)位電流抵消掉，L2上才能流過正向電流,，使L2進入磁飽和狀態(tài)并呈現(xiàn)低阻抗,，進而VD7a導(dǎo)通。磁復(fù)位的持續(xù)時間即阻斷輸出的延遲時間,。此后輸出被接通,，除給負(fù)載供電之外，還有一部分能量儲存在輸出濾波電容器C14、C15中,，以便在VD7a截止時能維持輸出電壓不變,。
舉例說明，當(dāng)負(fù)載突然變輕而導(dǎo)致UO1(3．3V)輸出電壓升高時,，取樣電壓UQ也隨之升高,，進而使誤差電壓Ur升高。Ur經(jīng)過VT2,、VD9輸出的磁復(fù)位電流增大,，使磁復(fù)位時間延長，輸出脈沖寬度減小,，使UO1又降至3．3V,。反之亦然。因此,，磁放大器可等效于一個脈寬調(diào)制器,，通過精細(xì)調(diào)節(jié)脈沖寬度，可達到精密穩(wěn)壓目的,。這就是磁放大器的穩(wěn)壓原理,。
傳統(tǒng)的鐵氧體磁心采用晶態(tài)結(jié)構(gòu)的材料，其原子在三維空間內(nèi)做有序排列而形成點陣結(jié)構(gòu),。而非晶態(tài)合金是指物質(zhì)從液態(tài)(或氣態(tài))急速冷卻時,，因來不及結(jié)晶而在常溫下原子呈無序排列狀態(tài)。非晶態(tài)合金的制造工序簡單,，節(jié)能效果顯著,，它屬于新型綠色環(huán)保材料。非晶態(tài)合金具有高磁導(dǎo)率,、高矩形比,、磁心損耗低、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點,，這種材料適合制作可控磁飽和電感器,，用于計算機的ATX電源中。
L4采用美國Metglas公司生產(chǎn)的MP1305P4AS型高性能非晶態(tài)合金磁環(huán),，用φ0．10mm漆包線均勻繞制7匝,。常用非晶態(tài)磁環(huán)典型產(chǎn)品的主要參數(shù)見附表。MP1 305P4AS型號中的“13”代表外徑為1 3mm(標(biāo)稱值),， “5”代表高度為5mm(標(biāo)稱值),。其磁路長度為3．46cm，有效橫截面積為0．057cm2,，質(zhì)量為1．50g，飽和磁通密度為0．57T，矩形比為0．86,，電阻率為0．142μΩ·cm,，磁心損耗為318mW，長期工作溫度<120℃,，居里點溫度為225℃(超過此溫度時磁滯現(xiàn)象會消失),。
MP1 305P4AS的B-H曲線(亦稱磁滯回線)如圖4所示，B代表磁通密度(單位是T),，H代表磁場強度(單位是A／m),，圖中的實線和虛線分別對應(yīng)于100kHz、200kHz開關(guān)頻率,。
4 145W多路輸出式PC開關(guān)電源的主電路設(shè)計
由單片開關(guān)電源集成電路TOP247Y構(gòu)成145W多路輸出式PC開關(guān)電源的主電路如圖5所示,。交流輸入電壓范圍是90～1 30V(典型值為110V)或180～265V(典型值為220V)。3路輸出分別為UO1(+1 2V,，4．75A),；UO2(+5V，1 1A),，UO3(+3．3V,，10A)。為了能與AT電源兼容,，高頻變壓器并沒有專門的+3．3V繞組,，而是利用5V繞組電壓，通過外部磁放大器電路獲得+3．3V輸出,，這樣可簡化高頻變壓器的設(shè)計,。利用磁放大器還能進一步提高了穩(wěn)壓性能?？傒敵龉β蕿?45W,，峰值輸出功率可達160W。增加了遙控通／斷電路,，能遠(yuǎn)程控制開關(guān)電源的通,、斷狀態(tài)。其電源效率η≥71％,。當(dāng)輸入功率僅為0．91W時,，輸出功率可達0．5W，其功耗僅為0．41W,，符合在這種情況下電源功耗不得超過1W的規(guī)定,。S為110V／220V交流輸入電壓選擇開關(guān)。利用晶體管VT2,、VT3,、電阻R1、R2、R3,、R5和R6來代替均衡電阻,，構(gòu)成濾波電容C2、C3的均壓電路,。
該電路能降低電阻損耗,。在設(shè)計電路時，VT2采用MPSA42型高壓NPN晶體管,，VT3采用MPSA92型高壓PNP晶體管,，二者為互補對管，主要參數(shù)如下：U(BR)CEO=300V,，IC=0．5A,，PD=0．625W，hPE=25倍,。當(dāng)S斷開時就選擇220V交流電,。此時C2與C3相串聯(lián)，總電容量變成6601μF,。
RV是壓敏電阻,，當(dāng)電網(wǎng)上的浪涌電壓超過275V時RV迅速被擊穿，能起到鉗位保護作用,。RT為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,，在上電時起到限流保護作用。交流輸入端的EMI濾波器由C18,、 C19,、C1，共模扼流圈L3,、C20,、C22、C23和R10組成,。其中C1,、C22和C23均為安全電容(X電容)。R10為泄放電阻,，斷電時可將電容上所積累的電荷泄放掉,。電源啟動時的欠電壓值是由R3、R5和R6的總串聯(lián)電阻值來決定的,，當(dāng)交流電源電壓低于180V時禁止啟動開關(guān)電源,。另外，電阻R4,、R14,、R23和晶體管VT1還在X引腳構(gòu)成一個獨立的欠電壓保護電路,，電源被啟動后允許在低于140V直流電壓的情況下繼續(xù)工作。R7為延遲電阻,。
由二極管VD1,、穩(wěn)壓管VDz1～VDz3,、C4以及二次側(cè)電路中的R22和C9組成“穩(wěn)壓管／電容復(fù)位／鉗位”保護電路,。該電路能提供復(fù)位電壓，無論在何種情況下都能將漏極電壓鉗制在安全范圍以內(nèi)(低于600V),。高頻變壓器的最大磁通密度應(yīng)小于0．25T,。復(fù)位電路還與自動降低最大占空比(Dmax)的電路配合工作，防止高頻變壓器出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象并且避免負(fù)載短路時損壞電路,。能自動降低最大占空比的電路由R8,、R13，C22,，VDz4和VD5構(gòu)成,。
遙控通／斷電路由R12、C7,、R24,、VT4、C15,、R25,、R26、光耦合器IC4和VD6組成,。在開啟狀態(tài)下,，IC4的輸出信號使VT4導(dǎo)通，X引腳就通過電阻R12,、VD6和R11接控制端C,。在關(guān)閉狀態(tài)下，IC4和VT4處于截止?fàn)顟B(tài),，X引腳經(jīng)過R12和R24接外部+12V待機電源,，使TOP247進入關(guān)閉狀態(tài)。+12V待機電源通過R24和VD6給TOP247的控制端提供電流,，使開關(guān)電源的功耗降至2mW,。R11為偏置電阻。
精密光耦反饋電路由光耦合器IC2(SFH615A),、可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器IC3(TL431)組成,。該開關(guān)電源以5V作為主輸出，12V為輔助輸出,。3．3V則是5V繞組電壓通過外部磁放大器電路后獲得的,。