第一講：開(kāi)關(guān)電源技術(shù)與PC電源的介紹

1、第一講:開(kāi)關(guān)電源技術(shù)與PC電源介紹緒論上世紀(jì)50年代末60年代初,出現(xiàn)了功率管BJT(Bipolar Junction Transistor和可控硅SCR (Semiconductor Controlled Rectifier等半導(dǎo)體功率器件,這些器件隨即被應(yīng)用到電能變換領(lǐng)域,導(dǎo)致了電力電子學(xué)的建立。電力電子學(xué)由此產(chǎn)生并有了近60年的發(fā)展,至今,電力電子技術(shù)已經(jīng)成為電子領(lǐng)域的三大支柱技術(shù)之一。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)則以電力電子學(xué)為理論基礎(chǔ),結(jié)合磁學(xué)、熱學(xué)、自動(dòng)控制等學(xué)科的知識(shí)內(nèi)容,不斷發(fā)展起來(lái)。也隨電力電子技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)步,日益廣泛地被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源是一種采用開(kāi)關(guān)式控制的直流穩(wěn)定電源,是一種

2、根據(jù)不同的需要將電能轉(zhuǎn)換的裝置,它以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。另一方面,這種電源目前在技術(shù)上還有較大問(wèn)題有待解決,是當(dāng)今電子程學(xué)中的一個(gè)攻克的大課題,深為廣大工程技術(shù)人員所關(guān)注。目前,中國(guó)從事開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)的最著名的電源企業(yè)有華為、中興、洲際、珠江等,臺(tái)灣的有臺(tái)達(dá)、僑威、艾克貝爾、帝聞等,還有許多從事電源開(kāi)發(fā)的委員會(huì)、研究機(jī)構(gòu),我們經(jīng)常可以從有關(guān)電源的書(shū)籍和雜志上可以看到。目前還有許多大學(xué)、院校也開(kāi)設(shè)了與開(kāi)關(guān)電源有關(guān)的專(zhuān)業(yè)和課程,以便早期投入電源的教育和課題研究。PC電

3、源是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)分支。PC電源從80年代初出現(xiàn),電源部分的設(shè)計(jì)采用了當(dāng)時(shí)新興的開(kāi)關(guān)電源技術(shù),伴隨PC的演變而不斷發(fā)展,約有20年的歷史了,它的基本作用就是從供電電網(wǎng)中獲取能量然后轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合PC使用的低壓直流電能,同時(shí)完成必要的安全隔離功能。PC電源采用了PWM方式的開(kāi)關(guān)變換技術(shù),從電網(wǎng)獲取的能量要經(jīng)過(guò)整流、濾波、斬波、降壓、再整流、濾波等轉(zhuǎn)換過(guò)程,并采用負(fù)反饋技術(shù)使得輸出電壓保持穩(wěn)定。相比較線性電源具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。PC電源大體包括兩部分內(nèi)容,其一是整機(jī)集中式的AC/DC電源,特點(diǎn)表現(xiàn)為技術(shù)成熟、多輸出、完善的保護(hù)功能、適合大批量生產(chǎn)和低成本。另一部分是主板上針對(duì)負(fù)載(CPU、RAM

4、等的DC/DC變換器部分(例如VRM。其特點(diǎn)則表現(xiàn)為高集成度、高效率和良好的動(dòng)態(tài)特性。最初的PC處理器大約工作在15MHz,總線速度在1MHz至5MHz之間。與之相配合的電源功率大約有200W,輸出+5V、+12V、-5V、-12V,開(kāi)關(guān)頻率約為20KHz(現(xiàn)在一般為2540KHz,采用雙極型晶體管,功率密度低于1W/in3。整個(gè)電源使用金屬外殼(鐵或鋁,采用風(fēng)扇作強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。在PC電源發(fā)展過(guò)程中也出現(xiàn)過(guò)一些不同的類(lèi)型和標(biāo)準(zhǔn),由早期的AT類(lèi)發(fā)展到ATX類(lèi),再發(fā)展到現(xiàn)在的ATX12V(P4類(lèi),輸出電壓由最初的4組增加到6組。這些演變是與PC逐漸發(fā)展起來(lái)的多樣化的電源管理功能、多樣化的配置以及P

5、C系統(tǒng)電源總線結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的。對(duì)PC電源來(lái)說(shuō),IBM PC/AT/XT可能算是最早的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),兼容機(jī)概念的流行使PC電源有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的設(shè)計(jì),也確立了+5V、+12V、-5V、-12V四組輸出電壓的電源總線架構(gòu)。四組輸出電壓中,+5V無(wú)疑充當(dāng)了最重要的角色,擔(dān)負(fù)了幾乎所有邏輯芯片的供電,以適應(yīng)已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的+5V TTL邏輯電平要求,+12V則主要為機(jī)內(nèi)的馬達(dá)供電。ATX的出現(xiàn)是PC電源的一次重大變化。當(dāng)時(shí)適合工業(yè)生產(chǎn)的MOS IC工藝已經(jīng)成熟,邏輯電平容差能力提高。出于解決功耗問(wèn)題,部分高速和高度集成的IC邏輯電平首先降低并且定位在+3.3V,適應(yīng)這種變化,ATX 電源中增加了+3.3V

6、的主輸出。至于+5VSB輸出和PS-ON信號(hào)的增加則是為了滿足PC的“Remote On/Off”、“Keyboard On/Off”等新功能的需要。有關(guān)PC電源的規(guī)范也逐漸建立并完善起來(lái),典型的被業(yè)界接受的是Intel 的ATX Power Supply Design Guide和SFX Power Supply Design Guide。到現(xiàn)在仍是PC電源設(shè)計(jì)中最主要的參照。Intel在推出其新一代Pentium4 CPU時(shí),也相應(yīng)提出了與系統(tǒng)變化相適應(yīng)的電源標(biāo)準(zhǔn),也就是ATX/ATX12V Power Supply Design Guide。“ATX12V”被作為ATX系列電源中的“su

7、perset”(擴(kuò)展。相比較ATX來(lái)看,ATX12V電源有以下兩個(gè)明顯變化(具體請(qǐng)看“P4電源基本知識(shí)介紹”:1.增大的+12V輸出能力。主板上的CPU、Chipset等有自身特定的工作電壓,需要依賴VRM或是本地DC/DC來(lái)供給,隨著IC功率的上升,使用+12V來(lái)為這些部分供電要比使用+5V或+3.3V易于傳遞更大功率并有更高的傳輸效率。2.增加了+12V輸出線和接插件。為了使+12V的電流良好傳輸,增加了一只4芯的+12V接插頭,該插頭也成為ATX12V電源的外觀特征。除此之外,ATX/ATX12V系列電源的另一個(gè)變化是+5VSB輸出電流的增大,是因?yàn)橐m應(yīng)諸如“Instantly Ava

8、ilable PC”、“Suspend-to-RAM”等電源管理方案。PC電源的發(fā)展從一個(gè)側(cè)面反映了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)化程度,開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展則為PC電源的革新提供了新的思路與途徑。開(kāi)關(guān)電源基本技術(shù)1.1、開(kāi)關(guān)變換與線性變換為什么要采用開(kāi)關(guān)電源呢?現(xiàn)在我們通過(guò)比較開(kāi)關(guān)電源與線性電源來(lái)說(shuō)明,開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的核心內(nèi)容是DC/DC變換,實(shí)現(xiàn)DC/DC變換最簡(jiǎn)單的方法 是采用分壓或分流的方式。線性變換器就是利 用了這個(gè)原理,通過(guò)調(diào)整分壓或分流的大小保 持輸出電壓的穩(wěn)定。下面給出一個(gè)典型的串聯(lián)穩(wěn)壓變換器的原理示意圖(如圖1所示,可 以看到,線路中調(diào)整電路與負(fù)載是串聯(lián)的關(guān)系,由環(huán)路定理可知:Vi=V

9、d+Vo又,在該方式下,輸入電流等于輸出電流,所以不難得出該變換器的轉(zhuǎn)換效率為:=Vo/Vi 即變換器的效率為輸出電壓與輸入電壓 的比值。輸入電壓的變動(dòng)范圍對(duì)效率有決定性的影響,變換器必須滿足低輸入電壓時(shí)能夠正常 運(yùn)行,在高輸入電壓時(shí)就會(huì)因?yàn)樾实南陆祵?dǎo)致過(guò)多的熱量損耗。典型的+5V輸出線性電源的效率僅有50%左右。 開(kāi)關(guān)變換的方式(如圖2所示則從根本上消除了輸入、輸出電壓對(duì)效率的必然限制關(guān)系,其基本思路類(lèi)似斬波(Chop的概念,用開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行輸入與輸出的連接,使輸入與輸出斷續(xù)接通,然后在輸出側(cè)利用濾波器使脈沖的電壓/電流轉(zhuǎn)化為連續(xù)穩(wěn)定的直流輸出。對(duì)于理想的開(kāi)關(guān),閉合時(shí)其壓降為零,斷開(kāi)時(shí)電流為

10、零,所以 也就沒(méi)有損耗產(chǎn)生。這樣,開(kāi)關(guān)變換器的理論效率極限可提高到100%,表1-1是開(kāi)關(guān)變換器電源與線性變換器電源的比較,我們可以看出兩種變換器電源的優(yōu)缺點(diǎn)。 以上整理主要優(yōu)缺點(diǎn)如下:線性變換基本原理圖. 優(yōu)點(diǎn).線路簡(jiǎn)單.噪聲低缺點(diǎn).效率低.體積大開(kāi)關(guān)變換基本原理圖優(yōu)點(diǎn) .高效率.體積小缺點(diǎn).線路復(fù)雜.噪聲大 方框圖概述:1、首先AC交流電壓經(jīng)整流濾波,得到DC直流電壓,再經(jīng)由開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器件如2SC4106、2SC2625、E13007、E13009等,切割成高頻高壓的方波信號(hào)(如2540KHz,此方波信號(hào)再經(jīng)降壓式隔離變壓器初級(jí)進(jìn)入,而由次級(jí)感應(yīng)出脈沖電壓,經(jīng)低壓整流方可得到低的DC O/P

11、為Vout電壓輸出。2、不論是AC輸入電壓或是輸出負(fù)載電流有無(wú)變化,電源(POWER SUPPLY都必須保待輸出直流電壓的穩(wěn)定,因此就必須從DC O/P端將輸出信號(hào)回授至PWM(見(jiàn)1.1.3說(shuō)明控制電路如IC TL494、KA7500B等作PWM CONTROL將輸出電壓與此PWM IC內(nèi)部的參考電壓做比較,以調(diào)整轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)器件的脈沖寬度(DUTY CYCLE,使輸出電壓端得到一穩(wěn)定DC電壓。3、RFI濾波器主要是抑制由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)器件于高頻轉(zhuǎn)換在開(kāi)(RISE TIME和關(guān)(FAIL TIME時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)制干擾頻率(HARMONIC FREQUENCIES,因此信號(hào)可能會(huì)干擾到其它與之相連或相近的機(jī)

12、器設(shè)備的正常運(yùn)作,通常置于AC輸入端,是EMI的重要保證部分。4、REMOTE ON/OFF控制電路:主要是控制電源是否在正常輸出一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓給系統(tǒng)使用,以節(jié)省能源,若要啟動(dòng)電源,則必須由外部(如系統(tǒng)送一個(gè)“L”低的“TTL”信號(hào),使REMOTE ON/OFF控制電路輸出低電位給PWM控制電路。5、OVP(過(guò)壓保護(hù)、UVP(欠壓保護(hù)和OPP(過(guò)功率保護(hù)是保護(hù)電源輸出端若有異常電壓產(chǎn)生或發(fā)生短路現(xiàn)象能迅速將電源關(guān)機(jī)(SHUTDOWN,保護(hù)使用者機(jī)器設(shè)備之安全。6、+5VSB電路:此電路是ATX類(lèi)電源特用的一組電壓,主要是給系統(tǒng)提供+5V電壓信息與PS-ON作“REMOTE ON/OFF”、

13、“KEYBOARD ON/OFF”等功能使用。7、風(fēng)扇控制電路:風(fēng)扇有兩種控制連接方式;7.1 一種是風(fēng)扇的紅線直接連接在電源輸出的+12V端,黑線連接在電源的地線(黑線,這種方式只要電源有輸出,風(fēng)扇就開(kāi)始工作,風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速一直是接近風(fēng)扇的額定轉(zhuǎn)速,始終是沒(méi)有多大變化的,風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音較大,也對(duì)風(fēng)扇的使用壽命有直接影響,質(zhì)量要求也很高,這種風(fēng)扇對(duì)電源來(lái)講,基本沒(méi)有什么控制作用。7.2 另一種風(fēng)扇控制方式不同,現(xiàn)在電源為適應(yīng)環(huán)保的要求,考慮到風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)的噪音及其使用壽命等因素,現(xiàn)在電源最新設(shè)計(jì)中均增加有風(fēng)扇溫控調(diào)速電路,其特點(diǎn)為:開(kāi)機(jī)時(shí)風(fēng)扇能以最高的轉(zhuǎn)速啟動(dòng),確保在低溫環(huán)境下,風(fēng)扇能順利啟動(dòng);可較

14、為容易的設(shè)置風(fēng)扇的最低轉(zhuǎn)速;在溫控部分電路失效的情況下,風(fēng)扇還能最低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn);該電路有較好的溫度調(diào)節(jié)曲線;如此反復(fù)調(diào)整,只要電路合理,一般地講,風(fēng)扇控制轉(zhuǎn)速不會(huì)很高,產(chǎn)生的噪音不會(huì)很大,基本能達(dá)到了環(huán)保的效果,另一方面風(fēng)扇沒(méi)有長(zhǎng)期處于滿負(fù)荷狀態(tài)工作,相應(yīng)延長(zhǎng)了風(fēng)扇的使用壽命。1.3 、PWM與PFM控制技術(shù)要使輸出電壓保持穩(wěn)定,必須對(duì)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作進(jìn)行有規(guī)律的控制。有兩種基本的控制方法,即脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation和脈頻調(diào)制PFM(Pulse Frequency Modulation。PWM的方法因?yàn)橛欣趯?duì)紋波、EMI、反饋環(huán)路等進(jìn)行控制和優(yōu)化。因而得到廣泛的接

15、受和應(yīng)用,PC電源也是應(yīng)用此控制方式,常見(jiàn)的PWM IC有美國(guó)德州生產(chǎn)的TL494、韓國(guó)三星生產(chǎn)的KA7500B、美國(guó)TI公司生產(chǎn)的UC38XX(如UC3842、UC3843、UC3844等系列、美國(guó)托普公司生產(chǎn)的TOPXXX(TOP220、TOP223、TOP234等系列等。 脈寬調(diào)制PWM開(kāi)關(guān)頻率固定,改變脈沖寬度利于EMI濾波器設(shè)計(jì)反饋控制環(huán)路可優(yōu)化器件易于設(shè)計(jì)與選擇易于多電源同步運(yùn)行脈頻調(diào)制PFM脈沖寬度固定,改變開(kāi)關(guān)頻率14、線路拓?fù)?開(kāi)關(guān)器件與輸入輸出線路連接的方式稱(chēng)為線路的拓?fù)?（Topology） 開(kāi)關(guān)變換器共有 6 種非隔離的基本 ， 拓?fù)?，最常用的?Buck 與 Boos

16、t 拓?fù)?。輸入、輸出進(jìn)行隔離的常見(jiàn)拓?fù)溆袉味苏ぃ‵orward） 、沖擊線圈 式（RCC） 、單端反激（Flyback） 、推挽(Push-Pull、半橋（Half-Bridge）等形式，現(xiàn)在將最常用的線路分 別介紹如下。 單端正激式（Forward） ：?jiǎn)味苏ぃ‵orward）電路是比較簡(jiǎn)單的一種變換器，不僅是中等 1 4。1、單端正激式（Forward） ： 功率電源，也是從小功率到大功率電源中最常用的方式之一，頻率在 100KHz 200KHz 正向式變換 器小型經(jīng)濟(jì)，是目前 PC 電源潮流將廣泛使用的電路，大有取代半橋式變換電路的趨勢(shì)。 ：RCC 是輸出容量 50W 以下的電源常用

17、的一種方式。因采用自激式，不需 142、沖擊線圈式（RCC） 沖擊線圈式（RCC） ： 振蕩電路，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單。跟其它方式不同，頻率按輸入電壓和輸出電流變化，ATX 電源5VSB 電路采用的就是 RCC 電路。 1.4 單端反激式（Flyback） ：這是一種適應(yīng)于輸出 50W 200W 的多輸出電源的電路方式。主電路 1.43 、單端反激式（Flyback） ： 跟 RCC 大致相同，只是使用的材料不同而已（功率管和 MOS 管的區(qū)別） 。 144、推挽式(Push-Pull：它適用于中等功率與大功率的電源，原理與正單端正激（Forward）有些 推挽式(Push-Pull： (Push 相似，開(kāi)關(guān)管（如功率管或 MOS 管）和整流二極管多一倍，即兩個(gè)功率管或兩個(gè) MOS 管，兩個(gè) 整流二極管，但其設(shè)計(jì)技術(shù)復(fù)雜得多。 ：此電路是目前 PC 電源的普遍線路，可以說(shuō)是很成熟和