第一講：開關電源技術與PC電源的介紹

1、第一講:開關電源技術與PC電源介紹緒論上世紀50年代末60年代初,出現了功率管BJT(Bipolar Junction Transistor和可控硅SCR (Semiconductor Controlled Rectifier等半導體功率器件,這些器件隨即被應用到電能變換領域,導致了電力電子學的建立。電力電子學由此產生并有了近60年的發(fā)展,至今,電力電子技術已經成為電子領域的三大支柱技術之一。開關電源技術則以電力電子學為理論基礎,結合磁學、熱學、自動控制等學科的知識內容,不斷發(fā)展起來。也隨電力電子技術的發(fā)展不斷進步,日益廣泛地被應用到各個領域。開關電源是一種采用開關式控制的直流穩(wěn)定電源,是一種

2、根據不同的需要將電能轉換的裝置,它以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備,是當今電子信息產業(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上還有較大問題有待解決,是當今電子程學中的一個攻克的大課題,深為廣大工程技術人員所關注。目前,中國從事開發(fā)、生產、服務的最著名的電源企業(yè)有華為、中興、洲際、珠江等,臺灣的有臺達、僑威、艾克貝爾、帝聞等,還有許多從事電源開發(fā)的委員會、研究機構,我們經?？梢詮挠嘘P電源的書籍和雜志上可以看到。目前還有許多大學、院校也開設了與開關電源有關的專業(yè)和課程,以便早期投入電源的教育和課題研究。PC電

3、源是開關電源的一個分支。PC電源從80年代初出現,電源部分的設計采用了當時新興的開關電源技術,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中獲取能量然后轉變?yōu)檫m合PC使用的低壓直流電能,同時完成必要的安全隔離功能。PC電源采用了PWM方式的開關變換技術,從電網獲取的能量要經過整流、濾波、斬波、降壓、再整流、濾波等轉換過程,并采用負反饋技術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。PC電源大體包括兩部分內容,其一是整機集中式的AC/DC電源,特點表現為技術成熟、多輸出、完善的保護功能、適合大批量生產和低成本。另一部分是主板上針對負載(CPU、RAM

4、等的DC/DC變換器部分(例如VRM。其特點則表現為高集成度、高效率和良好的動態(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,開關頻率約為20KHz(現在一般為2540KHz,采用雙極型晶體管,功率密度低于1W/in3。整個電源使用金屬外殼(鐵或鋁,采用風扇作強制風冷散熱。在PC電源發(fā)展過程中也出現過一些不同的類型和標準,由早期的AT類發(fā)展到ATX類,再發(fā)展到現在的ATX12V(P4類,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)電源總線結構密切相關的。對PC電源來說,IBM PC/AT/XT可能算是最早的工業(yè)標準,兼容機概念的流行使PC電源有一個相對統(tǒng)一的設計,也確立了+5V、+12V、-5V、-12V四組輸出電壓的電源總線架構。四組輸出電壓中,+5V無疑充當了最重要的角色,擔負了幾乎所有邏輯芯片的供電,以適應已經成為工業(yè)標準的+5V TTL邏輯電平要求,+12V則主要為機內的馬達供電。ATX的出現是PC電源的一次重大變化。當時適合工業(yè)生產的MOS IC工藝已經成熟,邏輯電平容差能力提高。出于解決功耗問題,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PC電源的規(guī)范也逐漸建立并完善起來,典型的被業(yè)界接受的是Intel 的ATX Power Supply Design Guide和SFX Power Supply Design Guide。到現在仍是PC電源設計中最主要的參照。Intel在推出其新一代Pentium4 CPU時,也相應提出了與系統(tǒng)變化相適應的電源標準,也就是ATX/ATX12V Power Supply Design Guide?！癆TX12V”被作為ATX系列電源中的“su

7、perset”(擴展。相比較ATX來看,ATX12V電源有以下兩個明顯變化(具體請看“P4電源基本知識介紹”: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來供給,隨著IC功率的上升,使用+12V來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系列電源的另一個變化是+5VSB輸出電流的增大,是因為要適應諸如“Instantly Ava

8、ilable PC”、“Suspend-to-RAM”等電源管理方案。PC電源的發(fā)展從一個側面反映了開關電源技術的進步和工業(yè)化程度,開關電源技術的發(fā)展則為PC電源的革新提供了新的思路與途徑。開關電源基本技術1.1、開關變換與線性變換為什么要采用開關電源呢?現在我們通過比較開關電源與線性電源來說明,開關電源技術的核心內容是DC/DC變換,實現DC/DC變換最簡單的方法 是采用分壓或分流的方式。線性變換器就是利 用了這個原理,通過調整分壓或分流的大小保 持輸出電壓的穩(wěn)定。下面給出一個典型的串聯穩(wěn)壓變換器的原理示意圖(如圖1所示,可 以看到,線路中調整電路與負載是串聯的關系,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。輸入電壓的變動范圍對效率有決定性的影響,變換器必須滿足低輸入電壓時能夠正常 運行,在高輸入電壓時就會因為效率的下降導致過多的熱量損耗。典型的+5V輸出線性電源的效率僅有50%左右。 開關變換的方式(如圖2所示則從根本上消除了輸入、輸出電壓對效率的必然限制關系,其基本思路類似斬波(Chop的概念,用開關器件進行輸入與輸出的連接,使輸入與輸出斷續(xù)接通,然后在輸出側利用濾波器使脈沖的電壓/電流轉化為連續(xù)穩(wěn)定的直流輸出。對于理想的開關,閉合時其壓降為零,斷開時電流為

10、零,所以 也就沒有損耗產生。這樣,開關變換器的理論效率極限可提高到100%,表1-1是開關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。 以上整理主要優(yōu)缺點如下:線性變換基本原理圖. 優(yōu)點.線路簡單.噪聲低缺點.效率低.體積大開關變換基本原理圖優(yōu)點 .高效率.體積小缺點.線路復雜.噪聲大 方框圖概述:1、首先AC交流電壓經整流濾波,得到DC直流電壓,再經由開關轉換器件如2SC4106、2SC2625、E13007、E13009等,切割成高頻高壓的方波信號(如2540KHz,此方波信號再經降壓式隔離變壓器初級進入,而由次級感應出脈沖電壓,經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載電流有無變化,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端將輸出信號回授至PWM(見1.1.3說明控制電路如IC TL494、KA7500B等作PWM CONTROL將輸出電壓與此PWM IC內部的參考電壓做比較,以調整轉換開關器件的脈沖寬度(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換開關器件于高頻轉換在開(RISE TIME和關(FAIL TIME時所產生的強制干擾頻率(HARMONIC FREQUENCIES,因此信號可能會干擾到其它與之相連或相近的機

12、器設備的正常運作,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穩(wěn)定的工作電壓給系統(tǒng)使用,以節(jié)省能源,若要啟動電源,則必須由外部(如系統(tǒng)送一個“L”低的“TTL”信號,使REMOTE ON/OFF控制電路輸出低電位給PWM控制電路。5、OVP(過壓保護、UVP(欠壓保護和OPP(過功率保護是保護電源輸出端若有異常電壓產生或發(fā)生短路現象能迅速將電源關機(SHUTDOWN,保護使用者機器設備之安全。6、+5VSB電路:此電路是ATX類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、風扇控制電路:風扇有兩種控制連接方式;7.1 一種是風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,風扇就開始工作,風扇的轉速一直是接近風扇的額定轉速,始終是沒有多大變化的,風扇產生的噪音較大,也對風扇的使用壽命有直接影響,質量要求也很高,這種風扇對電源來講,基本沒有什么控制作用。7.2 另一種風扇控制方式不同,現在電源為適應環(huán)保的要求,考慮到風扇運行時的噪音及其使用壽命等因素,現在電源最新設計中均增加有風扇溫控調速電路,其特點為:開機時風扇能以最高的轉速啟動,確保在低溫環(huán)境下,風扇能順利啟動;可較

14、為容易的設置風扇的最低轉速;在溫控部分電路失效的情況下,風扇還能最低轉速運轉;該電路有較好的溫度調節(jié)曲線;如此反復調整,只要電路合理,一般地講,風扇控制轉速不會很高,產生的噪音不會很大,基本能達到了環(huán)保的效果,另一方面風扇沒有長期處于滿負荷狀態(tài)工作,相應延長了風扇的使用壽命。1.3 、PWM與PFM控制技術要使輸出電壓保持穩(wěn)定,必須對開關的動作進行有規(guī)律的控制。有兩種基本的控制方法,即脈寬調制PWM(Pulse Width Modulation和脈頻調制PFM(Pulse Frequency Modulation。PWM的方法因為有利于對紋波、EMI、反饋環(huán)路等進行控制和優(yōu)化。因而得到廣泛的接

15、受和應用,PC電源也是應用此控制方式,常見的PWM IC有美國德州生產的TL494、韓國三星生產的KA7500B、美國TI公司生產的UC38XX(如UC3842、UC3843、UC3844等系列、美國托普公司生產的TOPXXX(TOP220、TOP223、TOP234等系列等。 脈寬調制PWM開關頻率固定,改變脈沖寬度利于EMI濾波器設計反饋控制環(huán)路可優(yōu)化器件易于設計與選擇易于多電源同步運行脈頻調制PFM脈沖寬度固定,改變開關頻率14、線路拓撲 開關器件與輸入輸出線路連接的方式稱為線路的拓撲 （Topology） 開關變換器共有 6 種非隔離的基本 ， 拓撲，最常用的是 Buck 與 Boos

16、t 拓撲。輸入、輸出進行隔離的常見拓撲有單端正激（Forward） 、沖擊線圈 式（RCC） 、單端反激（Flyback） 、推挽(Push-Pull、半橋（Half-Bridge）等形式，現在將最常用的線路分 別介紹如下。 單端正激式（Forward） ：單端正激（Forward）電路是比較簡單的一種變換器，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 器小型經濟，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。 ：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，結構也簡單。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，開關管（如功率管或 MOS 管）和整流二極管多一倍，即兩個功率管或兩個 MOS 管，兩個 整流二極管，但其設計技術復雜得多。 ：此電路是目前 PC 電源的普遍線路，可以說是很成熟和