基于磁放大器的PC電源——ATX電源的設(shè)計(jì)

1 ATX電源簡(jiǎn)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(gè)電源正常(PG，Power Good)信號(hào)。AT電源的缺點(diǎn)是采用切斷交流電源的方式關(guān)機(jī)，不能實(shí)現(xiàn)軟件關(guān)機(jī)。目前隨著ATX電源的普及，AT電源已淡出市場(chǎng)。

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(gè)PS-ON信號(hào)。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(hào)是主板向電源提供的電平信號(hào)，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(hào)，即可實(shí)現(xiàn)軟件開機(jī)／關(guān)機(jī)、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(hào)為低電平時(shí)將電源啟動(dòng)，PS-ON為高電平時(shí)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(guó)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?！毙盘?hào)的延遲時(shí)間等。

PC開關(guān)電源的功率必須能滿足整機(jī)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。

2 磁放大器穩(wěn)壓電路的基本原理

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(jìn)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(hào)，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(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。

當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，能量?jī)?chǔ)存在高頻變壓器中，此時(shí)VD1截止。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在高頻變壓器中的能量傳輸?shù)蕉蝹?cè)。此時(shí)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(jìn)入磁飽和狀態(tài)并呈現(xiàn)低阻抗。顯然，磁復(fù)位時(shí)間就是VD1開始導(dǎo)通的延遲時(shí)間t1。

磁放大器的時(shí)序波形如圖2(a)、(b)所示。二者所對(duì)應(yīng)的磁復(fù)位時(shí)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(shí)間從t1減至t2時(shí)，D ↑→UO↑。反之，當(dāng)磁復(fù)位時(shí)間從t2增加到t1時(shí)，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(duì)UO進(jìn)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(jì)

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(jìn)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(duì)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(duì)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(shí)，輸出整流管VD7a截止，VD7b導(dǎo)通，由儲(chǔ)存在C14、C15上的電能繼續(xù)給負(fù)載供電。此時(shí)L4對(duì)高頻開關(guān)電流呈高阻抗。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，VD7a并不立即導(dǎo)通，而是經(jīng)過一段延遲時(shí)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(jìn)入磁飽和狀態(tài)并呈現(xiàn)低阻抗，進(jìn)而VD7a導(dǎo)通。磁復(fù)位的持續(xù)時(shí)間即阻斷輸出的延遲時(shí)間。此后輸出被接通，除給負(fù)載供電之外，還有一部分能量?jī)?chǔ)存在輸出濾波電容器C14、C15中，以便在VD7a截止時(shí)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(shí)，取樣電壓UQ也隨之升高，進(jìn)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(shí)間延長(zhǎng)，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(gè)脈寬調(diào)制器，通過精細(xì)調(diào)節(jié)脈沖寬度，可達(dá)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(diǎn)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(shí)，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(jiǎn)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(diǎn)，這種材料適合制作可控磁飽和電感器，用于計(jì)算機(jī)的ATX電源中。

L4采用美國(guó)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(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)期工作溫度120℃，居里點(diǎn)溫度為225℃(超過此溫度時(shí)磁滯現(xiàn)象會(huì)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(chǎng)強(qiáng)度(單位是A／m)，圖中的實(shí)線和虛線分別對(duì)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(jì)

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(jiǎn)化高頻變壓器的設(shè)計(jì)。利用磁放大器還能進(jìn)一步提高了穩(wěn)壓性能?？傒敵龉β蕿?45W，峰值輸出功率可達(dá)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(shí)，輸出功率可達(dá)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(jì)電路時(shí)，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(bǔ)對(duì)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(shí)就選擇220V交流電。此時(shí)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(shí)RV迅速被擊穿，能起到鉗位保護(hù)作用。RT為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，在上電時(shí)起到限流保護(hù)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(shí)可將電容上所積累的電荷泄放掉。電源啟動(dòng)時(shí)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(shí)禁止啟動(dòng)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(gè)獨(dú)立的欠電壓保護(hù)電路，電源被啟動(dòng)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(hù)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(dòng)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(shí)損壞電路。能自動(dòng)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(hào)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(jī)電源，使TOP247進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。+12V待機(jī)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。