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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,輸出電壓的穩定性由UZ和UBE的恆定性決定:UL=UZ-UBERC限制Q1的耗散功率:UCE =U0- UL -IC
2、*RC限制短路電流:ICmax=U0/RC,線性電源Q1工作在放大區,一.开关电源同线性电源比較,DC-DC調整穩壓部分,110/220Vac 50Hz變壓 整流濾波 低壓直流 DC-DC調整穩壓部分穩定低壓直流輸出,線性电源簡單示意圖,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 Modulation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
3、。,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)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、-1
4、2V），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+12.8V(+/-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/
5、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
6、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、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 & +5Vsb,一次側,二次側,三.開關電源的原理介紹,PG電路,+3.3V穩壓電路,輸入電網濾波電路,交
7、流電源插座上焊接的是EMI電源濾波器，這個由扼流圈和電容組成的低通網路能濾除電源線上的高頻雜波和同相干擾信號，同時也將電源內部的干擾信號遮罩起來，構成了電源抗電磁干擾的第一道防線,三.開關電源的原理介紹,輸入電網濾波電路,市電進入電源板後, 先通過電源保險絲，然後再次經過由電感(DM/CM choke)和電容(X-Cap/Y-Cap)組成的第2道高頻濾波電路以充分濾除高頻雜波，有的還接有壓敏電阻以防止雷電感應而引起的高電壓，然後再經過限流熱敏電阻進入高壓整流濾波電路, 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， 而限流熱敏電阻含有金属氧化物成分，能限制瞬间的大电流，减少电
8、源对内部元件的电流冲击。,(X-Cap/Y-Cap),(DM/CM choke),三.開關電源的原理介紹,輸入電網濾波電路圖,1. R1為470千毆(1/2W),當AC拔掉時,AC電須1秒內歸0 (安規要求)2. Lx為differential mode noise 專抑制低頻部份3. FL2,FL1為common mode noise 專抑制高頻部份4. CX1CX3之電容是來抑制低頻noise,設計值約(0.1uf1uf)5. CY1CY6之電容是來抑制高頻noise,設計值約(4700PF1000PF)6. CY1CY6 電容加大會增leakage current,在安規里有一定洩漏 電
9、流值.,三.開關電源的原理介紹,PFC(Power Factor Correction)之意義,P.F.=實際功率/視在功率 ( v*Idt)/(Vrms*Irms) 假設有A,B兩台機台A的PF等于1 B的PF等于0.8如果A,B機台的輸出功率都是100W且效率均為100%若兩者皆須輸出100W則電力公司必須供應給機台B 120W多余的20W跑到那里去了? Ok它又還給了電力公司了然而電力公司卻以無法將其回收所以B機台實際上只消耗100W(因為效率為100%)而20W就在P.F.值只有0.8的情況下消耗了。,三.開關電源的原理介紹,二端網絡的功率(單相電路)視在功率 S=V*I (伏安VA)
10、有功功率 P=VR*I=V*Cos *I=S *Cos (瓦W) 實部無功功率 Q=VX*I=V*Sin *I=S *Sin (乏Var) 虛部 Q0時電路呈感性 Q0時電路呈容性。功率因數 =PF= Cos, 角為功率因數角S2=P2+Q2,角為功率因數角, 是電壓與電流的相位差,開關電源中容性負載重,Q0電路呈容性,電壓V落後於電流I.所以可串聯電感以中和容性,減小角,以提高功率因數 PF.,三.開關電源的原理介紹,PFC(Power Factor Correction)之意義,PFC(Power Factor Correction)之意義,三.開關電源的原理介紹,PFC Choke,1.
11、 交流電源進行整流濾波，為主變換電路提供波紋較小的直流電壓。主要由全橋整流器、濾波電容(高壓電解電容)、平衡電阻組成。2. 整流電路:主要有半波整流、全波整流及橋式整流電路.3. 經共模濾波器淨化後無干擾的 220V市電經過全波整流，高壓濾波電容濾波後，在高壓濾波電容上形成約300V（空載）的直流電壓，給電源開關功率管供電。,輸入整流濾波電路,三.開關電源的原理介紹,此為上面電路中S1=ON=115Vac時簡化的二倍倍壓電路用于將115Vac 倍壓到 相當於230Vac整流濾波後的約300V（空載）的直流電壓。,S1為Input Voltage Range Selecting Switchin
12、g(輸入電壓選擇開關)ON=115Vac; 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
13、，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
14、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，
15、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。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。,
