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1、,開關電源的基本知識介紹,SPS- Switching Power Supply,G.B. Ren-2003/3/17,一.开关电源同线性电源比較 二.開關電源的分類 三.開關電源的原理介紹 四.電腦電源的主要電性能參數指標 五.電腦電源的EMC電磁兼容要求 六.電腦電源的Safety安規要求 七.Label/Marking 八.Environmental,簡介主要內容,一.开关电源同线性电源比較,穩壓電源的目的: 提供穩定的低壓直流, 即從市電110/220Vac 3.3V/5V/12Vdc,一.开关电源同线性电源比較,开关电源 簡單示意圖,开关管,PWM-Pulse Width Modul
2、ation 脈沖寬度調制,取樣比較電路,110/220Vac 整流濾波高壓直流(300Vdc) DC-DC調整穩壓部分穩定低壓直流輸出,100kHz變壓,开关电源: 開關晶體管在截止和導通兩種轉換狀態下通常只有很小的損耗功率。 開關晶體管在轉換过程中產生的損耗功率最大。,一.开关电源同线性电源比較,开关管的关斷損耗,开关管的开通損耗,電壓波形,電流波形,一.开关电源同线性电源比較,开关电源的新技術: 軟開關技術-減小開關晶體管在轉換过程中產生的損耗功率。,零電流开关,零電壓开关,零電流开关:1)在开关管開通時使其電流保持在零或限制電流上昇率 2)在开关管關斷前使其電流減小到零,零電壓开关: 1
3、)在开关管開通前 使其電壓下降到零 2)在开关管關斷時使其電壓保持在零或限制電壓上昇率,二.開關電源的分類,Power Supply Development 電源供應器發展史,PC機電源在286到早期的586是AT電源。AT電源共有四路輸出（+5V、-5V、+12V、-12V），另外還向主板提供一個P.G信號,Intel 在1997年推出的ATX電源標準，它主要增加了3.3V和+5VSB兩路輸出電壓和一個PS-ON信號。利用+5VSB和PS-ON信號，就可以實現軟件關機、鍵盤開機、網絡遠程喚醒等功能。,為了滿足大功率CPU的要求,ATX 12V對CPU供電的4PIN +12V電壓提高至+12.
4、8V(+/-12%) 降低了MAIN CONNECT的+12V電流強度.,在ATX/ATX 12V的電源的基礎上重新定義Main Connect 的Pin腳由20Pin 增加到24Pin，增加了對風扇的控制(FAN CMD、FAN OFF、FAN SINK、3.3V R/S），不與以前的ATX電源兼容。,AT: 6Pin+6Pin,ATX: 20Pin,ATX 12V: 20Pin+4Pin,ATX 12V LN(Low Noise):24Pin+4Pin,二.開關電源的分類,AT ATX ATX 12V ATX 12V LN 根據PC主板架构變化,電腦電源的工作原理,開關電源:1)首先對市電
5、進行整流和濾波而輸出高壓直流電，2)然後用開關電路將直流電轉換為高頻率的脈動直流電並送到高頻開關變壓器上，此時可以選擇體積小巧的鐵氧體變壓器來完成高壓到低壓的轉換，3)然後再對輸出的低壓電進行整流和濾波並最後輸出.,實際電路中選用大功率的三極管或場效應管來做為開關，根據控制電路的信號導通和截止，工作頻率達到數十KHz或數百KHz，然後與開關變壓器、高、低壓整流濾波電路就構成了一個簡易的開關電源。當需要提升輸出電壓時就增加開關需管導通的時間，反之則增加截止的時間，控制十分靈活,三.開關電源的原理介紹,ATX電源的工作原理方塊圖,它主要包括:輸入電網濾波電路、主變換電路、整流濾波輸出電路、控制電路
6、、保護電路、輔助電源等。,三.開關電源的原理介紹,EMI FILTER,全波整流 倍壓整流,變壓器 能量轉換,輸出電路,功率切換 元件,保護線路,回授與 控制線路,起動電壓 OFF=230Vac,S1,三.開關電源的原理介紹,主變換電路,开关电源顾名思义其核心就是 开关二字，实际电路中,使用两 个大功率的开关管轮流导通和 截止,将直流电转换为高频率的 脉动直流电,并送到高频开关变 压器上进行降压，这样就完成 了高电压直流-高频率高电压 脉冲-高频率低电压脉冲-低电 压直流的转换过程，当然，这 里真正的核心还是PWM集成 电路，它产生固定的频率来控 制两个开关管的导通和截止， 并根据输出电压的大
7、小,自动调 整开关管导通和截止的时间,将 输出电压固定在指定的幅度上， 此外还能负责整个电路的保护 工作。,三.開關電源的原理介紹,主變換電路是開關電源的主要部分，它把直流電壓變換成高頻交流電壓，並且起著將輸出部分與輸入電網隔離作用。,主變換電路,ATX開關電源幾乎都是採用半 橋式功率轉換的經典電路,開關 管輪流導通,便通過兩個電容的 連接處向變壓器輸出脈衝電壓， 變壓器另外一端則採用全波整 流的電路進行整流和濾波。這 種電路的好處是工作電壓低， 具有抗不平衡能力，還可以方 便的實現110/220V輸入的切換， 但開關管通過的電流較大,由於 開關電源的開關管只工作在開“ 和“關”兩種狀態，關的
8、時幾乎不 消耗功率，而開的時候由於自身 壓降很小，所以自身的損耗也很 小，這就是開關電源發熱量低的 原因。,三.開關電源的原理介紹,主變換電路,高頻開關變壓器同樣是整個 電路中的核心部件,高頻開關 變壓器能夠提供我們所需要 的幾組直流電壓。驅動變壓 器將PWM積體電路輸出的 控制信號進行放大以驅動開 關管進行工作，同時還可以 將開關管工作的高壓區和積 體電路工作的低壓區進行物 理隔離 。待機電源是一套獨 立的小型開關電源，這就是 我們所說的待機電路，其輸 出的電壓為電源的主電路供 電，同時通過+5VSB端輸出 到主板來實現喚醒功能。,三.開關電源的原理介紹,輸出整流濾波電路,經過高頻開關變壓器
9、降壓後 的脈動電壓,同樣要使用二極 體和電容進行整流和濾波， 只是此時整流時的工作頻率 很高，必須使用具有快速恢 復功能的肖特基整流二極體， 而整流部分使用的電容也不 能有太大的交流阻抗，選擇 的電容不但容量要大，還要 有較低的交流電阻，還能見 到1、2個體積碩大的帶磁心 的電感線圈，與濾波電容一 起濾除高頻的交流成分，保 證輸出純淨的直流電.,三.開關電源的原理介紹,濾波電路: 主要有電容(低頻濾波)、電感(高頻濾波)及复式濾波電路三種. 將變換器輸出的高頻交流電壓進行整流濾波，得到需要的直流電壓，同時防止高頻噪聲對負載的干擾。在電源中，+5V、+3.3V、+12V的整流管採用的是肖特基對管
10、。在輸出濾波電容方面，因開關變壓器工作在較高的頻率下，輸出的交變諧波成分特別豐富，因此電源中設置了多級LC濾波器對 其過濾。,三.開關電源的原理介紹,輸出整流濾波電路圖,控制電路,電源的控制中心，這裏關鍵的部件是PWM電源管理積體電路，輔助的電路還包括基準電壓電路、取樣電路、比較電路和保護電路等等 ，其中PWM管理集成塊驅動開關管工作輸出電壓，該積體電路的型號往往是TL494或相同功能的KA7500B，UC3843等, 4路精密電壓比較器的LM339和2路比較器的LM393，而TL431則用來產生基準電壓.,三.開關電源的原理介紹,檢測輸出直流電壓，與基準電壓比較，進行放大，控制振蕩器的脈衝寬
11、度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩定。 當開關電源發生過電壓、過電流後，保護電路啟動，使開關電源停止工作以保護負載和電源本身。其中，開關變壓器負責高、低壓能量的轉換，其質量好壞和功率的大小，直接關係到電源的整體質量。,控制過程,有的電源還設計了溫控 電路，採用熱敏電阻探 測電源內部的溫度, 並自 動調整散熱風扇的轉速， 讓電源內部保持均衡的 溫度.,三.開關電源的原理介紹,控制電路,Standby待機電源,待機電源本身也是一個完整的開關電源，Standby線路(AC Source存在時它就必須存在)輸出+5VSB電源,主要是提供電腦進入省電階段時提供省電IC之電源使用。只要ATX電源一上電，
12、輔助電源便開始工作，輸出的電壓一路用來向電源板提供工作電壓，另一路作為+5VSB電壓向主機相關電路供電，以便在待機狀態內主要設備停止工作的情況下維持設備工作，實現遠程遙控和網絡喚醒功能。,三.開關電源的原理介紹,4.1 AC Input 4.1.1 Input Voltage (輸入電壓範圍) 4.1.2 Frequency(輸入電壓頻率範圍) The supply shall operate with an input frequency of 47Hz to 63Hz AC. 4.1.3 Range Switching(輸入電壓選擇開關) The nominal input voltage
13、 range can be selected by using a voltage selector switch provided on the power supply. 4.1.4 Power Factor(功率因數) For test purposes, the power factor, when measured at 120Vac and maximum load, shall be greater than 0.50(for no PFC)/0.90(for PFC).,注: 電源的基本性能參數以Intel ATX 12V Ver 1.2為例,四.電腦電源的主要電性能參數指標(
14、Electrical),4.1 AC Input 4.1.5 Input Current輸入電流 Maximum steady state input current shall be less than 5.5A RMS at 90Vac and maximum load. 4.1.8 Input Over-current protection 輸入過流保護 The power supply shall incorporate primary fusing for input over-current protection to prevent damage to the power sup
15、ply and meet product safety requirements. 4.1.6 Input Under-Voltage Protection輸入欠壓保護 The power supply shall contain protection circuitry such that the application of an input voltage below the minimum (90Vac) shall not cause damage to the power supply. 4.1.7 Transient Protection 瞬態保護 The power suppl
16、y shall operate within specifications under transients as defined in IEC 61000-4-4 (EFT-Electrical Fast Transient) and IEC 61000-4-5 (Surge Test).,四.電腦電源的主要電性能參數指標,4.1 AC Input 4.1.8 In-Rush Current Limiting protection衝擊電流限制保護 Maximum inrush current from Power-on shall be limited to a level below the surge rating of the input line cord, AC switch if present, bridge rectifier, fuse, and EMI filter components.
