電源結(jié)構(gòu)剖析三

1、電源結(jié)構(gòu)剖析三2009-12-05 21:53對(duì)于PC電源最常見(jiàn)的兩種組態(tài)是雙管正激拓?fù)浜桶霕蛲負(fù)洌ㄔ臑閜ush-pull，估計(jì)是有出入），它們都使用兩顆晶體管作為主開(kāi)關(guān)管。這些開(kāi)關(guān)管功率MOSFET管的形態(tài)可以在前一頁(yè)看到，它們固定在電源一次側(cè)的散熱片上。注：雙管正激式拓?fù)洌械牡胤阶g作“雙晶順向式”，一個(gè)比較正規(guī)的叫法是“對(duì)角半橋式正激變換器”，實(shí)際上是單端正激拓?fù)涞淖凅w，是現(xiàn)在常用的結(jié)構(gòu)。半橋式（Half-bridge）拓?fù)洌趯?shí)際產(chǎn)品中使用的都是BJT雙極型晶體管作為開(kāi)關(guān)元件。500W以下小功率PC電源用半橋式拓?fù)涑杀镜土冶容^方便，缺點(diǎn)是性能和效率很難再提升。全橋式（Full-br

2、idge）拓?fù)涠嘤糜?000W以上大功率型號(hào)。單端反激式，或稱反馳式變換器多用于小功率電源適配器或待機(jī)電源電路。下面我們給出以上五種組態(tài)每一種的原理圖。單端正激式拓?fù)潆p管正激式拓?fù)浒霕蚴酵負(fù)淙珮蚴酵負(fù)渫仆焓酵負(fù)渥儔浩骱蚉WM控制電路前面我們提到，一臺(tái)典型PC電源具有三個(gè)變壓器。最大的一個(gè)是我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)框圖和原理圖上畫出來(lái)的主變壓器，其一次側(cè)與開(kāi)關(guān)管相連，而二次側(cè)與次級(jí)整流與濾波電路相連，提供電源的各組直流輸出（+12V，+5V，+3.3V，-12V，-5V）。第二個(gè)變壓器用來(lái)產(chǎn)生+5Vsb輸出，一個(gè)獨(dú)立的稱作“待機(jī)電源”的電路產(chǎn)生這一路輸出。這么做的原因是這組輸出要一直開(kāi)著，即便你的主機(jī)電源“已

3、經(jīng)關(guān)閉”（也就是說(shuō)處于待機(jī)狀態(tài)）。第三個(gè)變壓器是隔離變壓器（在我們前面的框圖里稱為“隔離級(jí)”)，將PWM控制信號(hào)耦合到開(kāi)關(guān)管上。這個(gè)第三組變壓器可能不會(huì)存在，而是被一組或多組看起來(lái)像是集成電路的光耦取代。電源內(nèi)的變壓器這臺(tái)電源使用光耦而非變壓器來(lái)隔離開(kāi)關(guān)管與PWM控制電路PWM控制電路的核心是一顆集成電路。沒(méi)有有源PFC電路的電源通常使用一顆TL494集成電路（在圖26所示的電源中使用了一顆兼容的芯片，DBL494）。在具備有源PFC電路的電源當(dāng)中，有時(shí)會(huì)使用一顆集成了PWM和PFC控制功能的集成電路。CM6800是這種PWM/PFC Combo芯片的一個(gè)典型例子。電源上通常還會(huì)用另一顆集成電

4、路來(lái)產(chǎn)生PG信號(hào)，我們后面再討論這個(gè)電路。PWM控制電路二次側(cè)終于我們來(lái)到了二次側(cè)。在這一級(jí)電路，主變壓器的各組輸出被整流并濾波然后提供給PC。負(fù)電壓輸出（-5V和-12V）的各組的整流由普通二極管完成，因?yàn)樗鼈儾恍枰敵龊芨吖β屎碗娏?。但各組正電壓（+3.3V，+5V和+12V）的輸出就要由大功率肖特基整流管完成。這種管有三個(gè)腳，長(zhǎng)得像功率晶體管但實(shí)際上內(nèi)部封裝了兩個(gè)功率二極管。二次側(cè)整流工作的方式由電源電路結(jié)構(gòu)決定，可能有兩種整流電路結(jié)構(gòu)，見(jiàn)下圖。兩種不同的整流電路結(jié)構(gòu)注：上圖實(shí)際上就是全波整流和半波整流電路的分別。這里作者的說(shuō)法有點(diǎn)問(wèn)題。選擇全波整流還是半波整流是由逆變級(jí)的工作方式所決定

5、的，而較少考慮到這兩種方式本身的“高檔”與“低檔”差別。單端式的正激和反激電路是非對(duì)稱工作，因?yàn)樽儞Q器只有半個(gè)周期內(nèi)輸出能量，所以只能用半波整流電路。而對(duì)稱工作的半橋、橋式和推挽式電路，因?yàn)槟孀兤髟趦蓚€(gè)半周中都輸出能量，所以整流電路應(yīng)該用全波整流或橋式整流。結(jié)構(gòu)“A”多用于低端電源?？梢钥吹剑@種組態(tài)需要從變壓器次級(jí)引出三根針腳。結(jié)構(gòu)“B”多用于高端電源。這種組態(tài)只要用兩根變壓器針腳，但輸出線圈需要更大尺寸因而更貴，而這是低端電源不用這一組態(tài)的一個(gè)主要原因。另外，在高端電源上，為了提高電源的最大輸出電流，輸出整流管可能采取兩個(gè)并聯(lián)為一組的方式，使得電路可以承受的電流翻倍。注：通過(guò)并聯(lián)整流管還可

6、以降低導(dǎo)通內(nèi)阻，提高效率并降低溫度。所有的電源的+12V和+5V電路都有完整的整流和濾波電路，因而所有電源至少有兩組圖27所示的整流濾波電路。但對(duì)于+3.3V輸出就有三種方案供選擇：從+5V輸出接一個(gè)+3.3V線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生+3.3V電壓，這是低端電源最常見(jiàn)的一種方案；注：線性穩(wěn)壓，這是“最最落后”的+3.3V產(chǎn)生方案，+3.3V線路上的損耗較大且與輸出電流成正比。如果電源用這種方案那一定是非常非常省錢的。在這種方案中12V和5V有完整的變壓器繞組和整流濾波，+5V整流后再通過(guò)線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生+3.3V電壓。+3.3V輸出的電流全部通過(guò)+5V整流管，因而+5V和+3.3V輸出的電流之和是受限的。

7、為+3.3V做一組如上圖一樣完整的整流與輸出電路，但與+5V共享一個(gè)變壓器繞組輸出。這是高端電源最常見(jiàn)的方案。為3.3V做一組完全獨(dú)立的整流與輸出電路，也包括獨(dú)立的變壓器繞組。這種方案極其罕見(jiàn)，僅在非常高端且昂貴的電源上才能見(jiàn)到。目前為止我們只見(jiàn)到一款電源使用這一方案（Enermax Galaxy 1000W榜上有名）。Enermax Galaxy DXX 1000W的做法是從輸入整流濾波后完全獨(dú)立的雙變壓器設(shè)計(jì)，兩部分電路分別有自己的開(kāi)關(guān)管、變壓器和二次側(cè)整流濾波電路，一個(gè)變壓器負(fù)責(zé)+12V和+5V的輸出，另一個(gè)變壓器負(fù)責(zé)另一組+12V和+3.3V的輸出，而+5V和+3.3V分別由各自所屬變

8、壓器的12V繞組通過(guò)前面提到的磁放大整流產(chǎn)生。這種做法真正做到了各路分開(kāi)，同時(shí)還獲得了兩組完全獨(dú)立的+12V輸出。Enermax Galaxy DXX 1000W其實(shí)高端電源上還有一些特別的設(shè)計(jì)，比如PC P&C Turbo Cool系列一個(gè)高瓦數(shù)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于多個(gè)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)電源裝進(jìn)一個(gè)外殼里，從高壓側(cè)PFC電路開(kāi)始完全獨(dú)立的變壓器、次級(jí)整流、濾波輸出，提供絕對(duì)優(yōu)秀的交叉調(diào)節(jié)特性。PC P&C Turbo Cool系列CWT的千瓦以上PUC方案、億泰興ET850和臺(tái)達(dá)給Antec OEM的Signature系列等諸多高端方案都使用一個(gè)或多個(gè)變壓器上12V繞組、+5V和+3.3V通過(guò)+12V進(jìn)行DC

9、-DC VRM變換產(chǎn)生，達(dá)到高效和獨(dú)立穩(wěn)定的輸出，DC-DC VRM似乎要成為200708年高端電源的基本配置了。這是億泰興ET850雙PCB中安放變壓器和二次側(cè)電路的一張，注意靠近輸出線豎立放置的兩張有電感、電容和散熱片的小PCB，就是DC-DC VRM模塊，將12V直流轉(zhuǎn)換為5V和3.3V輸出。帶有DC-DC轉(zhuǎn)換器的電源因?yàn)?3.3V輸出通常完全（在低端電源上）或部分地（在高端電源上）使用+5V輸出，+3.3V輸出電流是受到+5V輸出電流值限制的。這也就是為什么PC電源的標(biāo)稱不止有+5V和+3.3V每路的輸出能力，還有“聯(lián)合輸出功率”來(lái)標(biāo)明這兩路總的最大輸出功率（聯(lián)合輸出功率比+3.3V和

10、+5V功率的總和要低）。在下圖當(dāng)中你可以看到一個(gè)低端電源二次側(cè)電路的大概面貌?？梢钥吹截?fù)責(zé)產(chǎn)生PG信號(hào)的集成電路。通常低端電源使用LM339或等價(jià)的電路實(shí)現(xiàn)這一功能。你可以找到幾顆電解電容（比倍壓器或有源PFC電路的那些要小很多） 和幾個(gè)線圈。它們負(fù)責(zé)濾波級(jí)電路。電源的二次側(cè)為拍得更仔細(xì)我們?nèi)サ袅怂械妮敵鼋泳€和兩個(gè)大號(hào)濾波線圈。在圖29當(dāng)中你可以看到-12V和-5V整流用的小號(hào)二極管，這些二極管的電流（也即輸出功率）指標(biāo)更低（對(duì)這臺(tái)電源而言是每根管子0.5A電流）。其它各路輸出需要遠(yuǎn)超過(guò)1A的電流，要用到功率二極管來(lái)進(jìn)行整流。-12V和-5V用的整流二極管二次側(cè)（續(xù)）下圖當(dāng)中我們來(lái)看看一臺(tái)低

11、端電源二次側(cè)散熱片上固定的元件都有哪些。一臺(tái)低端電源二次側(cè)散熱片上的元件從左到右你會(huì)找到：一個(gè)集成三端穩(wěn)壓器電路雖然它有三個(gè)引腳且長(zhǎng)得像三極管，它是個(gè)實(shí)實(shí)在在的集成電路。在這個(gè)例子當(dāng)中它是一塊7805集成電路（5V三端穩(wěn)壓器），負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)+5Vsb輸出。我們前面提到，這組輸出使用一組與標(biāo)準(zhǔn)+5V線路完全獨(dú)立開(kāi)來(lái)的電路，由于它即便在PC“斷電（待機(jī)模式）”時(shí)仍然要向+5Vsb提供+5V的輸出。這就是為何這組輸出也被稱作“待機(jī)電源”。7805集成穩(wěn)壓器能供應(yīng)最高1A的電流。注：這并不代表PC電源的待機(jī)電路都要由線性電源組成。事實(shí)上PC電源高效率待機(jī)電源的常見(jiàn)方案是小功率的單端反激式拓?fù)洌⊿ingle

12、-ended Flyback）。一顆負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)+3.3V輸出的大功率MOSFET。我們這臺(tái)電源使用的型號(hào)是PHP45N03LT，可以提供45A的輸出。在前一頁(yè)中我們提到，只有低端電源使用穩(wěn)壓器電路產(chǎn)生+3.3V輸出取自+5V線路。（不過(guò)這個(gè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當(dāng)老舊，目前大都采用磁放大。）一顆大功率肖特基整流管，其實(shí)就是兩顆功率二極管裝進(jìn)了一個(gè)封裝里。我們這臺(tái)電源里面的型號(hào)是STPR1620CT，內(nèi)部每顆二極管可以提供8A電流輸出（總共16A）。這顆整流管用于+12V整流。另一顆大功率肖特基整流管。我們這臺(tái)電源里面的型號(hào)是E83-004，可以提供60A輸出。這顆整流管用于+5V和+3.3V線路的輸出。由于

13、+5V和+3.3V使用同一顆整流管，它們的輸出電流之和不能超過(guò)整流管的最大電流。這一概念稱作聯(lián)合輸出功率。換句話說(shuō)，+3.3V輸出是從+5V輸出中產(chǎn)生的；變壓器并沒(méi)有3.3V繞組，這與電源其他各路輸出都不一樣。這種情況只出現(xiàn)在低端電源上。高端電源為+3.3V和+5V使用分開(kāi)的整流管。注：這里開(kāi)始我認(rèn)為作者犯了個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤，他錯(cuò)誤地計(jì)算了整流管的指標(biāo)。一顆整流管內(nèi)封裝有兩顆二極管，這兩顆二極管以全波整流或半波整流的組態(tài)接入電路。對(duì)于全波整流而言兩顆二極管是一顆導(dǎo)通時(shí)另一顆反向關(guān)斷，輸出電流是單顆二極管上流經(jīng)的電流；而對(duì)于半波整流而言只有一顆二極管是整流管，而另一顆二極管是續(xù)流管，兩顆輪番導(dǎo)通，輸

14、出電流仍然等于單顆二極管上流經(jīng)的電流。因此計(jì)算該路理論輸出值的方法應(yīng)該是看整流管內(nèi)單顆二極管的額定電流，而不是兩顆之和。作者提到整流管指標(biāo)的地方恐怕都犯了這一相同的錯(cuò)誤。然后讓我們來(lái)看看一臺(tái)高端電源的二次側(cè)會(huì)使用什么元件一臺(tái)高端電源二次側(cè)散熱片上的元件，rectifier就是整流管這里你會(huì)發(fā)現(xiàn)：并聯(lián)的兩顆用于+12V輸出的大功率肖特基整流管，而不是低端電源中的一顆。這種方案使得+12V輸出的最大總電流（也即總功率）得以翻倍。我們這臺(tái)電源使用兩顆STPS6045CW肖特基整流管，每顆可以提供最高60A電流。一顆用于+5V輸出的大功率肖特基整流管。在這臺(tái)電源上使用了一顆STPS60L30CW，可以提供最高60A電流。一顆用于+3.3V輸出的大功率肖特基整流管，這是高端與低端電源的主要區(qū)別（前面已經(jīng)看過(guò)低端電源的+3.3V輸出從+5V輸出產(chǎn)生）。在這臺(tái)電源上使用的整流管是STP