1 ATX電源簡(jiǎn)介
早期PC中的開(kāi)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(chēng)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(lái)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(kāi)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“電源正常”信號(hào)的延遲時(shí)間等。
PC開(kāi)關(guān)電源的功率必須能滿(mǎn)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(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)抑制開(kāi)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(kāi)關(guān)管MOSFET的漏極。輸出電壓經(jīng)過(guò)反饋電路獲得的反饋信號(hào),用來(lái)調(diào)節(jié)PWM調(diào)制器的脈沖占空比,通過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(jiàn),改變t1,即可調(diào)節(jié)U2的占空比:D=t1/T,T為開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)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(lái)不及結(jié)晶而在常溫下原子呈無(wú)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(xiàn)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(jiàn)附表。MP1 305P4AS型號(hào)中的“13”代表外徑為1 3mm(標(biāo)稱(chēng)值), “5”代表高度為5mm(標(biāo)稱(chēng)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(guò)此溫度時(shí)磁滯現(xiàn)象會(huì)消失)。
MP1 305P4AS的B-H曲線(xiàn)(亦稱(chēng)磁滯回線(xiàn))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(xiàn)和虛線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)于100kHz、200kHz開(kāi)關(guān)頻率。
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