基于磁放大器的PC電源——ATX電源的設計

1 ATX電源簡介

??? 早期PC中的開關電源是AT電源的一統天下。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機，不能實現軟件關機。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電源標準。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，即可實現軟件開機／關機、網絡遠程喚醒等功能。當主板向電源發送的PS-ON信號為低電平時將電源啟動，PS-ON為高電平時關閉電源。ATX電源的主要技術指標是輸出功率、安全標準(例如我國的C CEE認證)、電磁干擾(EMI)特性、 “電源發生故障”(PF，即Power Fail)及“電源正常”信號的延遲時間等。

??? PC開關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”節能環保型的方向發展，其電源功率并非越大越好。Intel新推出的Micro-ATX標準所規定的PC電源功率只有145W，甚至可降低到90W。ATX電源現已成為PC電源的主流產品。

2 磁放大器穩壓電路的基本原理

??? 反激式開關電源中磁放大器穩壓電路的基本原理如圖1所示。輸出電壓UO經過取樣電阻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電壓UREF，VDZ為穩壓管，R3為偏流電阻。誤差放大器將UQ與UREF進行比較后產生誤差電壓Ur，再經過二極管VD3接可控磁飽和電感器L1的右端。VD1為輸出整流管，VD2為續流二極管。C為輸出濾波電容器。L2為磁珠，用來抑制開關噪聲。U1、U2、U3，分別代表L1左端、L1右端、VD1右端的電壓。高頻變壓器一次側的上端接直流輸入高壓U1，下端接功率開關管MOSFET的漏極。輸出電壓經過反饋電路獲得的反饋信號，用來調節PWM調制器的脈沖占空比，通過改變MOSFET的通、斷狀態，即可實現穩壓目的。

??? 當MOSFET導通時，能量儲存在高頻變壓器中，此時VD1截止。當MOSFET關斷時，儲存在高頻變壓器中的能量傳輸到二次側。此時VD1導通，磁復位電流IG從右向左流過L1，將L1磁復位。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。這表明二次側電流是從負值變為正值，然后迅速增大，使L2進入磁飽和狀態并呈現低阻抗。顯然，磁復位時間就是VD1開始導通的延遲時間t1。

??? 磁放大器的時序波形如圖2(a)、(b)所示。二者所對應的磁復位時間分別為t1、t2。

??? 由圖可見，改變t1，即可調節U2的占空比：D=t1／T，T為開關周期。具體講，當磁復位時間從t1減至t2時，D ↑→UO↑。反之，當磁復位時間從t2增加到t1時，D↓→UO↓。因磁放大器具有“二次穩壓”(一次穩壓是由PWM調制器完成)的作用，故能對UO進行精確調節，獲得高穩定度的輸出電壓。

3? 3．3V磁放大器穩壓電路的設計

??? PC開關電源中的3．3V磁放大器穩壓電路如圖3所示。磁放大器由取樣電路(R24和R26)、可調式精密并聯穩壓器(TL43 1)、磁復位控制電路(3A／40V的PNP功率管TIP32)、可控磁飽和電感器(L4)等構成。3．3V電壓經過R24和R26分壓后獲得取樣電壓UO，接至TL431的輸出電壓設定端(UREF)，與TL43 1中的2．5V帶隙基準電壓進行比較后獲得誤差電壓Ur，經R27加到VT2的基極上，VT2的集電極電流經過超快恢復二極管VD9(UF4002)流到L4的右端。輸出整流管和續流二極管公用一只由安森美公司生產的MBR2045型20A／45V肖特基對管VD7，內含整流管VD7a和續流二極管VD7b。C14為輸出濾波電容器。由L6、C15構成后置濾波器。

??? 現對磁放大器的工作原理分析如下：當單片開關電源內部的MOSFET導通時，輸出整流管VD7a截止，VD7b導通，由儲存在C14、C15上的電能繼續給負載供電。此時L4對高頻開關電流呈高阻抗。當MOSFET關斷時，VD7a并不立即導通，而是經過一段延遲時間才能導通。由于磁復位電流的存在，二次繞組的正向電流必須先將磁復位電流抵消掉，L2上才能流過正向電流，使L2進入磁飽和狀態并呈現低阻抗，進而VD7a導通。磁復位的持續時間即阻斷輸出的延遲時間。此后輸出被接通，除給負載供電之外，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，當負載突然變輕而導致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經過VT2、VD9輸出的磁復位電流增大，使磁復位時間延長，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制器，通過精細調節脈沖寬度，可達到精密穩壓目的。這就是磁放大器的穩壓原理。

??? 傳統的鐵氧體磁心采用晶態結構的材料，其原子在三維空間內做有序排列而形成點陣結構。而非晶態合金是指物質從液態(或氣態)急速冷卻時，因來不及結晶而在常溫下原子呈無序排列狀態。非晶態合金的制造工序簡單，節能效果顯著，它屬于新型綠色環保材料。非晶態合金具有高磁導率、高矩形比、磁心損耗低、高溫穩定性好等優點，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公司生產的MP1305P4AS型高性能非晶態合金磁環，用φ0．10mm漆包線均勻繞制7匝。常用非晶態磁環典型產品的主要參數見附表。MP1 305P4AS型號中的“13”代表外徑為1 3mm(標稱值)， “5”代表高度為5mm(標稱值)。其磁路長度為3．46cm，有效橫截面積為0．057cm2，質量為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于100kHz、200kHz開關頻率。

4 145W多路輸出式PC開關電源的主電路設計

??? 由單片開關電源集成電路TOP247Y構成145W多路輸出式PC開關電源的主電路如圖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計。利用磁放大器還能進一步提高了穩壓性能。總輸出功率為145W，峰值輸出功率可達160W。增加了遙控通／斷電路，能遠程控制開關電源的通、斷狀態。其電源效率η≥71％。當輸入功率僅為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的規定。S為110V／220V交流輸入電壓選擇開關。利用晶體管VT2、VT3、電阻R1、R2、R3、R5和R6來代替均衡電阻，構成濾波電容C2、C3的均壓電路。

????? 該電路能降低電阻損耗。在設計電路時，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，主要參數如下：U(BR)CEO=300V，IC=0．5A，PD=0．625W，hPE=25倍。當S斷開時就選擇220V交流電。此時C2與C3相串聯，總電容量變成6601μF。

??? RV是壓敏電阻，當電網上的浪涌電壓超過275V時RV迅速被擊穿，能起到鉗位保護作用。RT為負溫度系數的熱敏電阻，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的總串聯電阻值來決定的，當交流電源電壓低于180V時禁止啟動開關電源。另外，電阻R4、R14、R23和晶體管VT1還在X引腳構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工作。R7為延遲電阻。

??? 由二極管VD1、穩壓管VDz1～VDz3、C4以及二次側電路中的R22和C9組成“穩壓管／電容復位／鉗位”保護電路。該電路能提供復位電壓，無論在何種情況下都能將漏極電壓鉗制在安全范圍以內(低于600V)。高頻變壓器的最大磁通密度應小于0．25T。復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磁飽和現象并且避免負載短路時損壞電路。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。在開啟狀態下，IC4的輸出信號使VT4導通，X引腳就通過電阻R12、VD6和R11接控制端C。在關閉狀態下，IC4和VT4處于截止狀態，X引腳經過R12和R24接外部+12V待機電源，使TOP247進入關閉狀態。+12V待機電源通過R24和VD6給TOP247的控制端提供電流，使開關電源的功耗降至2mW。R11為偏置電阻。

??? 精密光耦反饋電路由光耦合器IC2(SFH615A)、可調式精密并聯穩壓器IC3(TL431)組成。該開關電源以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。

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