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日志

 
 

ATX开关电源的原理与组成  

2008-02-21 13:57:52|  分类: 电子技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                                     作者:HighDiy             来源:http://www.highdiy.com/

电源是电脑系统的动力基础,是电脑主机配件的动力源泉。电源输出的电流好坏,直接影响电脑主机各配件性能的发挥和使用寿命,随着近年各种硬件设备频率、速度和功耗的提高,电源对于整个系统稳定性的影响也越来越大。

ATX电源的工作原理

  ATX开关电源的运作基于类似如下的流程:市电经EMI滤波后变成较纯净的50HZ交流电,经全桥整流和滤波后输出约300V的直流电压,该300V直流电压作为电压源供给由开关三极管和高频变压器组成的开关功率变换电路,开关管由PWM(脉冲宽度调制)控制电路发出的驱动脉冲信号触发,通过开关管的导通与截止,将直流电压变换成较高频率的矩形波电压,经高频变压器将此电压降低到各档需要的电压值,然后经高频二极管整流以及L、C平滑滤波后送至负载。

ATX开关电源的工作原理

  PWM驱动电路在提供开关三极管B极驱动脉冲的同时,还要实现输出电压稳定的调节,以及对电源负载的保护。为此设有检测放大电路、PWM驱动、过流过压保护等环节,通过自动调节开关管导通时间的比例实现稳压,例如,当市电电压降低或负载电流增大使输出电压减小时,检测电路将取样到的电压与基准电压进行比较,比较后的差值经放大转换后使开关管的导通时间增加,直到使输出电压回升到接近原来的数值,从而达到了稳压的目的。

ATX开关电源的结构

  在选购任何一款产品时,我们首先看到的是其外观。对ATX电源而言,我们在挑选时首先要注意哪些呢?在外观方面,主要包括:

  电源铭牌:除极少数特殊外,在绝大多数ATX电源的金属外壳上都会贴有该电源的铭牌。电源铭牌主要标明各个输出端能够输出的最大电流,通过"功率=电压X电流"的公式就能换算出各项的输出功率,这些电压包括了+3.3V、+ 5V、+12V、+5V StandBy和-5V、-12V等,用户首先可以根据这个电流和功率进行选择,比如用户的硬盘、光驱较多时就要选择+12V输出端电流较大的电源。

电源铭牌示意

  金属外壳:电源的金属的壳体起屏蔽作用,防止电磁辐射,但必须预留进风和出风口以供电源自身和机箱的散热,在出风口上安装风扇能加强散热的效果,而通风口上安装的栅栏的间隙大小也会影响到通风的质量,所以大多采用钢网来做栅栏,或者将栅栏自己的宽度冲压的很窄。

电源的金属外壳

  电源外壳上安装了交流电输入插座,有的电源还安装一个交流输出插座供显示器使用,这个输出插座并联在输入插座上,与电源内部的电路没有任何关系,那些担心外接个显示器就要分担电源功率的想法完全没有必要。由于ATX电源内部的待机电路与外界电源总是连接着并为电源的主电路和主板的启动电路提供启动电压,因此即使关机后也要拔掉电源线才能拔插电脑内的板卡,有些电源设计有硬开关,可以完全切断外界的供电,使用更加方便。

ATX电源的主要组成部分

  EMI滤波电路:EMI滤波电路主要作用是滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰,同时也起到减少开关电源本身对外界的电磁干扰,在优质电源中一般都有两极EMI滤波电路。

  一级EMI电路:交流电源插座上焊接的是一级EMI电源滤波器电路,这是一块独立的电路板,是交流电输入后所经过的第一组电路,这个由扼流圈和电容组成的低通网络能滤除电源线上的高频杂波和同相干扰信号,同时也将电源内部的干扰信号屏蔽起来,构成了电源抗电磁干扰的第一道防线。

  二级EMI电路:市电进入电源板后先通过电源保险丝,然后再次经过由电感和电容组成的第二道EMI电路以充分滤除高频杂波,然后再经过限流电阻进入高压整流滤波电路。保险丝能在电源功率太大或元件出现短路时熔断以保护电源内部的元件,而限流电阻含有金属氧化物成分,能限制瞬间的大电流,减少电源对内部元件的电流冲击。

  桥式整流器和高压滤波:经过EMI滤波后的市电,再经过全桥整流和电容滤波后就变成了高压的直流电。将输入端的交流电转变为脉冲直流电,目前有两种形式,一种是全桥就是把四个二极管封装在一起,一种是用4个分立的二极管组成桥式整流电路,作用相同,效果也一样。

  一般说来,在全桥附近应该有两个或更多的高大桶状元件,即高压电解电容,其作用是将脉动的直流电滤除交流成分而输出比较平稳的直流电。高压电解电容的使用与开关电路的设计有密切关系,其容量往往是以往电源评测时的焦点,但实际上它的容量和电源的功率毫无关系,不过增大它的容量会减小电源的纹波干扰,提高电源的电流输出质量。

  PFC电路:PFC电路称为功率因素校正或补偿电路,功率因素越高,电能利用率就越大。

  目前PFC电路有两种方式,一种是无源式PFC,又称被动式PFC,一种是有源式PFC,又称主动式PFC。无源式PFC是通过一个工频电感来补偿交流输入的基波电流与电压的相位差,迫使电流与电压相位一致,无源PFC效率较低,一般只有65%-70%,且所用的工频电感又大又笨重,但由于成本低,仍有许多 ATX电源采用这种方式。有源PFC是由电子元器件组成的,体积小,重量轻,通过专用的IC去调整电流波形的相位,效率大大提高,达95%以上,但由于成本较高,通常只能在高级应用场合才能看到。

  开关三极管与开关变压器:开关电源顾名思义其核心就是开关二字。开关三极管和开关变压器是开关电源的核心部件,通过自激式或他激式使开关管工作在饱和、截止(即开、关)状态,从而在开关变压器的副绕组上感应出高频电压,再经过整流、滤波和稳压后输出各种直流电压。开关三极管和开关变压器是ATX电源的核心部件,其质量直接影响电源的好坏和使用寿命,尤其是开关三极管,工作在高反压状态下,没有足够的保护电路,很容易击穿烧毁。开关管的品质直接决定了电源的稳定性,它也是电源中主要的发热元件,拆开电源后看到的主散热片上的两个晶体管就是开关管。

  影响高频开关变压器性能的因素包括铁氧体的效率、磁芯截面积的大小和磁隙的宽度,截面积过小的变压器容易产生磁饱和而无法输出较大的功率,各个绕组的匝数直接影响输出的电压,通常我们无法具体的掌握这些参数,所以无法准确的判断变压器到底能输出多大的功率,只有通过电子负载机测量才能知道,另外,开关变压器的输出端虽然很多,但其中的某些输出端使用的却是相同的绕组,比如+3.3VDC和+5VDC就是这样,所以当+3.3VDC输出最大电流时+ 5VDC就无法输出很大的电流了,所以我们不能将电源各个输出端的功率进行简单的累加。

  除主变压器外,一般电源内还应有两个小变压器,其中一个将开关电路控制信号进行放大以驱动开关管进行工作,同时还可以将开关管工作的高压区和集成电路工作的低压区进行物理隔离。另外一个完全是一套独立的小型开关电源,这就是我们所说的待机电路,其输出的电压为电源的主电路供电,同时通过+5V StandBy端输出到主板来实现唤醒功能。

  低压整流滤波电路: 经过高频开头变压器降压后的脉动电压同样要使用二极管和电容进行整流和滤波,只是此时整流时的工作频率很高,必须使用具有快速恢复功能的肖特基整流二极管,普通的整流二极管难当此任,而整流部分使用的电容也不能有太大的交流阻抗,否则就无法滤除其中的高频交流成分,因此选择的电容不但容量要大,还要有较低的交流电阻才行,此外还能见到1、2个体积硕大的带磁心的电感线圈,与滤波电容一起滤除高频的交流成分,保证输出纯净的直流电。

  由于低压整流端需要输出很大的电流,所以整流二极管同样会产生大量的热量,这些二极管与前面的开关管都需要单独的散热片进行散热,电源中另一个散热片上所固定的就是这些元件。从这些元件输出的就是各种不同电压的输出电流了。

  稳压和保护电路:稳压电路通常是从电源输出端的输出电压取样出部分电压与标准电压作比较,比较出的差值经过放大后去驱动开关三极管,调节开关管的占空比,从而达到电压的稳定。保护电路的作用是通过检测各端输出电压或电流的变化,当输出端发生短路、过压、过流、过载、欠压等到现象时,保护电路动作,切断开关管的激励信号,使开关管停振,输出电压和电流为零,起到保护作用。

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