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基于磁放大器的ATX电源的设计

关键词:ATX电源

时间:2009-12-29 14:31:00      来源:C114中国通信网

PC开关电源的功率必须能满足整机需要并留有一定余量。目前,PC正朝着“绿色”节能环保型的方向发展,其电源功率并非越大越好。Intel新推出的Micro-ATX标准所规定的PC电源功率只有145W,甚至可降低到90W。ATX电源现已成为PC电源的主流产品。

1 ATX电源简介

早期PC中的开关电源AT电源的一统天下。AT电源的输出功率一般为150250W,共有四路输出(+5V-5V+12V-12V),另外还向主板提供一个电源正常(PGPower Good)信号。AT电源的缺点是采用切断交流电源的方式关机,不能实现软件关机。目前随着ATX电源的普及,AT电源已淡出市场。

Intel
1997年推出了流行的ATX201电源标准。和AT电源相比,ATX电源主要是增加了33V输出电压和一个PS-ON信号。其中,33V电源给使用低电压的CPU供电,大大降低了主板电路的功耗。5V电源亦称辅助电源,只要插上220V交流电就有5V电压输出。PS-ON信号是主板向电源提供的电平信号,用来控制电源其他各路电压的输出。利用5V电源和PS-ON信号,即可实现软件开机/关机、网络远程唤醒等功能。当主板向电源发送的PS-ON信号为低电平时将电源启动,PS-ON为高电平时关闭电源。ATX电源的主要技术指标是输出功率、安全标准(例如我国的C CEE认证)电磁干扰(EMI)特性、电源发生故障”(PF,即Power Fail)电源正常信号的延迟时间等。

PC
开关电源的功率必须能满足整机需要并留有一定余量。目前,PC正朝着绿色节能环保型的方向发展,其电源功率并非越大越好。Intel新推出的Micro-ATX标准所规定的PC电源功率只有145W,甚至可降低到90WATX电源现已成为PC电源的主流产品。

2 放大器稳压电路的基本原理

反激式开关电源中磁放大器稳压电路的基本原理如图1所示。输出电压UO经过取样电阻R1R2获得取样电压UQ,接误差放大器的反相输入端,误差放大器的同相输入端接基准电压UREFVDZ为稳压管,R3为偏流电阻。误差放大器将UQUREF进行比较后产生误差电压Ur,再经过二极管VD3接可控磁饱和电感器L1的右端。VD1为输出整流管,VD2为续流二极管。C为输出滤波电容器。L2为磁珠,用来抑制开关噪声。U1U2U3,分别代表L1左端、L1右端、VD1右端的电压。高频变压器一次侧的上端接直流输入高压U1,下端接功率开关管MOSFET的漏极。输出电压经过反馈电路获得的反馈信号,用来调节PWM调制器的脉冲占空比,通过改变MOSFET的通、断状态,即可实现稳压目的。



MOSFET导通时,能量储存在高频变压器中,此时VD1截止。当MOSFET关断时,储存在高频变压器中的能量传输到二次侧。此时VD1导通,磁复位电流IG从右向左流过L1,将L1磁复位。由于二次绕组电流I2方向与IG相反,因此I2必须先将IG抵消后才能流过L2。这表明二次侧电流是从负值变为正值,然后迅速增大,使L2进入磁饱和状态并呈现低阻抗。显然,磁复位时间就是VD1开始导通的延迟时间t1

磁放大器的时序波形如图2(a)(b)所示。二者所对应的磁复位时间分别为t1t2



由图可见,改变t1,即可调节U2的占空比:D=t1TT为开关周期。具体讲,当磁复位时间从t1减至t2时,D ↑→UO↑。反之,当磁复位时间从t2增加到t1时,D↓→UO↓。因磁放大器具有二次稳压”(一次稳压是由PWM调制器完成)的作用,故能对UO进行精确调节,获得高稳定度的输出电压。

3 3
3V磁放大器稳压电路的设计

PC
开关电源中的33V磁放大器稳压电路如图3所示。磁放大器由取样电路(R24R26)、可调式精密并联稳压器(TL43 1)、磁复位控制电路(3A40VPNP功率管TIP32)、可控磁饱和电感器(L4)等构成。33V电压经过R24R26分压后获得取样电压UO,接至TL431的输出电压设定端(UREF),与TL43 1中的25V带隙基准电压进行比较后获得误差电压Ur,经R27加到VT2的基极上,VT2的集电极电流经过超快恢复二极管VD9(UF4002)流到L4的右端。输出整流管和续流二极管公用一只由安森美公司生产的MBR204520A45V肖特基对管VD7,内含整流管VD7a和续流二极管VD7bC14为输出滤波电容器。由L6C15构成后置滤波器



现对磁放大器的工作原理分析如下:当单片开关电源内部的MOSFET导通时,输出整流管VD7a截止,VD7b导通,由储存在C14C15上的电能继续给负载供电。此时L4对高频开关电流呈高阻抗。当MOSFET关断时,VD7a并不立即导通,而是经过一段延迟时间才能导通。由于磁复位电流的存在,二次绕组的正向电流必须先将磁复位电流抵消掉,L2上才能流过正向电流,使L2进入磁饱和状态并呈现低阻抗,进而VD7a导通。磁复位的持续时间即阻断输出的延迟时间。此后输出被接通,除给负载供电之外,还有一部分能量储存在输出滤波电容器C14C15中,以便在VD7a截止时能维持输出电压不变。

举例说明,当负载突然变轻而导致UO1(33V)输出电压升高时,取样电压UQ也随之升高,进而使误差电压Ur升高。Ur经过VT2VD9输出的磁复位电流增大,使磁复位时间延长,输出脉冲宽度减小,使UO1又降至33V。反之亦然。因此,磁放大器可等效于一个脉宽调制器,通过精细调节脉冲宽度,可达到精密稳压目的。这就是磁放大器的稳压原理。

传统的铁氧体磁心采用晶态结构的材料,其原子在三维空间内做有序排列而形成点阵结构。而非晶态合金是指物质从液态(或气态)急速冷却时,因来不及结晶而在常温下原子呈无序排列状态。非晶态合金的制造工序简单,节能效果显著,它属于新型绿色环保材料。非晶态合金具有高磁导率、高矩形比、磁心损耗低、高温稳定性好等优点,这种材料适合制作可控磁饱和电感器,用于计算机ATX电源中。

L4
采用美国Metglas公司生产的MP1305P4AS型高性能非晶态合金磁环,用φ010mm漆包线均匀绕制7匝。常用非晶态磁环典型产品的主要参数见附表。MP1 305P4AS型号中的13”代表外径为1 3mm(标称值)5”代表高度为5mm(标称值)。其磁路长度为346cm,有效横截面积为0057cm2,质量为150g,饱和磁通密度为057T,矩形比为086,电阻率为0142μΩ·cm,磁心损耗为318mW,长期工作温度<120,居里点温度为225(超过此温度时磁滞现象会消失)

MP1 305P4AS
B-H曲线(亦称磁滞回线)如图4所示,B代表磁通密度(单位是T)H代表磁场强度(单位是Am),图中的实线和虚线分别对应于100kHz200kHz开关频率。



4 145W
多路输出式PC开关电源的主电路设计

由单片开关电源集成电路TOP247Y构成145W多路输出式PC开关电源的主电路如图5所示。交流输入电压范围是901 30V(典型值为110V)180265V(典型值为220V)3路输出分别为UO1(+1 2V475A)UO2(+5V1 1A)UO3(+33V10A)。为了能与AT电源兼容,高频变压器并没有专门的+33V绕组,而是利用5V绕组电压,通过外部磁放大器电路获得+33V输出,这样可简化高频变压器的设计。利用磁放大器还能进一步提高了稳压性能。总输出功率为145W,峰值输出功率可达160W。增加了遥控通/断电路,能远程控制开关电源的通、断状态。其电源效率η≥71%。当输入功率仅为091W时,输出功率可达05W,其功耗仅为041W,符合在这种情况下电源功耗不得超过1W的规定。S110V220V交流输入电压选择开关。利用晶体管VT2VT3、电阻R1R2R3R5R6来代替均衡电阻,构成滤波电容C2C3的均压电路。

该电路能降低电阻损耗。在设计电路时,VT2采用MPSA42型高压NPN晶体管,VT3采用MPSA92型高压PNP晶体管,二者为互补对管,主要参数如下:U(BR)CEO=300VIC=05A 声明:本网站原创内容,如需转载,请注明出处;本网站转载的内容(文章、图片、视频)等资料版权归原网站所有。如我们采用了您不宜公开的文章或图片,未能及时和您确认,避免给双方造成不必要的经济损失,请电邮联系我们,以便迅速采取适当处理措施;欢迎投稿,邮[email protected]

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