第一讲：开关电源技术与PC电源的介绍

1、第一讲:开关电源技术与PC电源介绍绪论上世纪50年代末60年代初,出现了功率管BJT(Bipolar Junction Transistor和可控硅SCR (Semiconductor Controlled Rectifier等半导体功率器件,这些器件随即被应用到电能变换领域,导致了电力电子学的建立。电力电子学由此产生并有了近60年的发展,至今,电力电子技术已经成为电子领域的三大支柱技术之一。开关电源技术则以电力电子学为理论基础,结合磁学、热学、自动控制等学科的知识内容,不断发展起来。也随电力电子技术的发展不断进步,日益广泛地被应用到各个领域。开关电源是一种采用开关式控制的直流稳定电源,是一种

2、根据不同的需要将电能转换的装置,它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。另一方面,这种电源目前在技术上还有较大问题有待解决,是当今电子程学中的一个攻克的大课题,深为广大工程技术人员所关注。目前,中国从事开发、生产、服务的最著名的电源企业有华为、中兴、洲际、珠江等,台湾的有台达、侨威、艾克贝尔、帝闻等,还有许多从事电源开发的委员会、研究机构,我们经常可以从有关电源的书籍和杂志上可以看到。目前还有许多大学、院校也开设了与开关电源有关的专业和课程,以便早期投入电源的教育和课题研究。PC电

3、源是开关电源的一个分支。PC电源从80年代初出现,电源部分的设计采用了当时新兴的开关电源技术,伴随PC的演变而不断发展,约有20年的历史了,它的基本作用就是从供电电网中获取能量然后转变为适合PC使用的低压直流电能,同时完成必要的安全隔离功能。PC电源采用了PWM方式的开关变换技术,从电网获取的能量要经过整流、滤波、斩波、降压、再整流、滤波等转换过程,并采用负反馈技术使得输出电压保持稳定。相比较线性电源具有体积小、效率高的优点。PC电源大体包括两部分内容,其一是整机集中式的AC/DC电源,特点表现为技术成熟、多输出、完善的保护功能、适合大批量生产和低成本。另一部分是主板上针对负载(CPU、RAM

4、等的DC/DC变换器部分(例如VRM。其特点则表现为高集成度、高效率和良好的动态特性。最初的PC处理器大约工作在15MHz,总线速度在1MHz至5MHz之间。与之相配合的电源功率大约有200W,输出+5V、+12V、-5V、-12V,开关频率约为20KHz(现在一般为2540KHz,采用双极型晶体管,功率密度低于1W/in3。整个电源使用金属外壳(铁或铝,采用风扇作强制风冷散热。在PC电源发展过程中也出现过一些不同的类型和标准,由早期的AT类发展到ATX类,再发展到现在的ATX12V(P4类,输出电压由最初的4组增加到6组。这些演变是与PC逐渐发展起来的多样化的电源管理功能、多样化的配置以及P

5、C系统电源总线结构密切相关的。对PC电源来说,IBM PC/AT/XT可能算是最早的工业标准,兼容机概念的流行使PC电源有一个相对统一的设计,也确立了+5V、+12V、-5V、-12V四组输出电压的电源总线架构。四组输出电压中,+5V无疑充当了最重要的角色,担负了几乎所有逻辑芯片的供电,以适应已经成为工业标准的+5V TTL逻辑电平要求,+12V则主要为机内的马达供电。ATX的出现是PC电源的一次重大变化。当时适合工业生产的MOS IC工艺已经成熟,逻辑电平容差能力提高。出于解决功耗问题,部分高速和高度集成的IC逻辑电平首先降低并且定位在+3.3V,适应这种变化,ATX 电源中增加了+3.3V

6、的主输出。至于+5VSB输出和PS-ON信号的增加则是为了满足PC的“Remote On/Off”、“Keyboard On/Off”等新功能的需要。有关PC电源的规范也逐渐建立并完善起来,典型的被业界接受的是Intel 的ATX Power Supply Design Guide和SFX Power Supply Design Guide。到现在仍是PC电源设计中最主要的参照。Intel在推出其新一代Pentium4 CPU时,也相应提出了与系统变化相适应的电源标准,也就是ATX/ATX12V Power Supply Design Guide。“ATX12V”被作为ATX系列电源中的“su

7、perset”(扩展。相比较ATX来看,ATX12V电源有以下两个明显变化(具体请看“P4电源基本知识介绍”:1.增大的+12V输出能力。主板上的CPU、Chipset等有自身特定的工作电压,需要依赖VRM或是本地DC/DC来供给,随着IC功率的上升,使用+12V来为这些部分供电要比使用+5V或+3.3V易于传递更大功率并有更高的传输效率。2.增加了+12V输出线和接插件。为了使+12V的电流良好传输,增加了一只4芯的+12V接插头,该插头也成为ATX12V电源的外观特征。除此之外,ATX/ATX12V系列电源的另一个变化是+5VSB输出电流的增大,是因为要适应诸如“Instantly Ava

8、ilable PC”、“Suspend-to-RAM”等电源管理方案。PC电源的发展从一个侧面反映了开关电源技术的进步和工业化程度,开关电源技术的发展则为PC电源的革新提供了新的思路与途径。开关电源基本技术1.1、开关变换与线性变换为什么要采用开关电源呢?现在我们通过比较开关电源与线性电源来说明,开关电源技术的核心内容是DC/DC变换,实现DC/DC变换最简单的方法 是采用分压或分流的方式。线性变换器就是利 用了这个原理,通过调整分压或分流的大小保 持输出电压的稳定。下面给出一个典型的串联稳压变换器的原理示意图(如图1所示,可 以看到,线路中调整电路与负载是串联的关系,由环路定理可知:Vi=V

9、d+Vo又,在该方式下,输入电流等于输出电流,所以不难得出该变换器的转换效率为:=Vo/Vi 即变换器的效率为输出电压与输入电压 的比值。输入电压的变动范围对效率有决定性的影响,变换器必须满足低输入电压时能够正常 运行,在高输入电压时就会因为效率的下降导致过多的热量损耗。典型的+5V输出线性电源的效率仅有50%左右。 开关变换的方式(如图2所示则从根本上消除了输入、输出电压对效率的必然限制关系,其基本思路类似斩波(Chop的概念,用开关器件进行输入与输出的连接,使输入与输出断续接通,然后在输出侧利用滤波器使脉冲的电压/电流转化为连续稳定的直流输出。对于理想的开关,闭合时其压降为零,断开时电流为

10、零,所以 也就没有损耗产生。这样,开关变换器的理论效率极限可提高到100%,表1-1是开关变换器电源与线性变换器电源的比较,我们可以看出两种变换器电源的优缺点。 以上整理主要优缺点如下:线性变换基本原理图. 优点.线路简单.噪声低缺点.效率低.体积大开关变换基本原理图优点 .高效率.体积小缺点.线路复杂.噪声大 方框图概述:1、首先AC交流电压经整流滤波,得到DC直流电压,再经由开关转换器件如2SC4106、2SC2625、E13007、E13009等,切割成高频高压的方波信号(如2540KHz,此方波信号再经降压式隔离变压器初级进入,而由次级感应出脉冲电压,经低压整流方可得到低的DC O/P

11、为Vout电压输出。2、不论是AC输入电压或是输出负载电流有无变化,电源(POWER SUPPLY都必须保待输出直流电压的稳定,因此就必须从DC O/P端将输出信号回授至PWM(见1.1.3说明控制电路如IC TL494、KA7500B等作PWM CONTROL将输出电压与此PWM IC内部的参考电压做比较,以调整转换开关器件的脉冲宽度(DUTY CYCLE,使输出电压端得到一稳定DC电压。3、RFI滤波器主要是抑制由转换开关器件于高频转换在开(RISE TIME和关(FAIL TIME时所产生的强制干扰频率(HARMONIC FREQUENCIES,因此信号可能会干扰到其它与之相连或相近的机

12、器设备的正常运作,通常置于AC输入端,是EMI的重要保证部分。4、REMOTE ON/OFF控制电路:主要是控制电源是否在正常输出一个稳定的工作电压给系统使用,以节省能源,若要启动电源,则必须由外部(如系统送一个“L”低的“TTL”信号,使REMOTE ON/OFF控制电路输出低电位给PWM控制电路。5、OVP(过压保护、UVP(欠压保护和OPP(过功率保护是保护电源输出端若有异常电压产生或发生短路现象能迅速将电源关机(SHUTDOWN,保护使用者机器设备之安全。6、+5VSB电路:此电路是ATX类电源特用的一组电压,主要是给系统提供+5V电压信息与PS-ON作“REMOTE ON/OFF”、

13、“KEYBOARD ON/OFF”等功能使用。7、风扇控制电路:风扇有两种控制连接方式;7.1 一种是风扇的红线直接连接在电源输出的+12V端,黑线连接在电源的地线(黑线,这种方式只要电源有输出,风扇就开始工作,风扇的转速一直是接近风扇的额定转速,始终是没有多大变化的,风扇产生的噪音较大,也对风扇的使用寿命有直接影响,质量要求也很高,这种风扇对电源来讲,基本没有什么控制作用。7.2 另一种风扇控制方式不同,现在电源为适应环保的要求,考虑到风扇运行时的噪音及其使用寿命等因素,现在电源最新设计中均增加有风扇温控调速电路,其特点为:开机时风扇能以最高的转速启动,确保在低温环境下,风扇能顺利启动;可较

14、为容易的设置风扇的最低转速;在温控部分电路失效的情况下,风扇还能最低转速运转;该电路有较好的温度调节曲线;如此反复调整,只要电路合理,一般地讲,风扇控制转速不会很高,产生的噪音不会很大,基本能达到了环保的效果,另一方面风扇没有长期处于满负荷状态工作,相应延长了风扇的使用寿命。1.3 、PWM与PFM控制技术要使输出电压保持稳定,必须对开关的动作进行有规律的控制。有两种基本的控制方法,即脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation和脉频调制PFM(Pulse Frequency Modulation。PWM的方法因为有利于对纹波、EMI、反馈环路等进行控制和优化。因而得到广泛的接

15、受和应用,PC电源也是应用此控制方式,常见的PWM IC有美国德州生产的TL494、韩国三星生产的KA7500B、美国TI公司生产的UC38XX(如UC3842、UC3843、UC3844等系列、美国托普公司生产的TOPXXX(TOP220、TOP223、TOP234等系列等。 脉宽调制PWM开关频率固定,改变脉冲宽度利于EMI滤波器设计反馈控制环路可优化器件易于设计与选择易于多电源同步运行脉频调制PFM脉冲宽度固定,改变开关频率14、线路拓扑 开关器件与输入输出线路连接的方式称为线路的拓扑 （Topology） 开关变换器共有 6 种非隔离的基本 ， 拓扑，最常用的是 Buck 与 Boos

16、t 拓扑。输入、输出进行隔离的常见拓扑有单端正激（Forward） 、冲击线圈 式（RCC） 、单端反激（Flyback） 、推挽(Push-Pull、半桥（Half-Bridge）等形式，现在将最常用的线路分 别介绍如下。 单端正激式（Forward） ：单端正激（Forward）电路是比较简单的一种变换器，不仅是中等 1 4。1、单端正激式（Forward） ： 功率电源，也是从小功率到大功率电源中最常用的方式之一，频率在 100KHz 200KHz 正向式变换 器小型经济，是目前 PC 电源潮流将广泛使用的电路，大有取代半桥式变换电路的趋势。 ：RCC 是输出容量 50W 以下的电源常用

17、的一种方式。因采用自激式，不需 142、冲击线圈式（RCC） 冲击线圈式（RCC） ： 振荡电路，结构也简单。跟其它方式不同，频率按输入电压和输出电流变化，ATX 电源5VSB 电路采用的就是 RCC 电路。 1.4 单端反激式（Flyback） ：这是一种适应于输出 50W 200W 的多输出电源的电路方式。主电路 1.43 、单端反激式（Flyback） ： 跟 RCC 大致相同，只是使用的材料不同而已（功率管和 MOS 管的区别） 。 144、推挽式(Push-Pull：它适用于中等功率与大功率的电源，原理与正单端正激（Forward）有些 推挽式(Push-Pull： (Push 相似，开关管（如功率管或 MOS 管）和整流二极管多一倍，即两个功率管或两个 MOS 管，两个 整流二极管，但其设计技术复杂得多。 ：此电路是目前 PC 电源的普遍线路，可以说是很成熟和