1、開關電源原理簡介 -零件篇-2005/12/22傳統的線性穩壓電源傳統的線性穩壓電源現代的開關穩壓電源現代的開關穩壓電源優點優點電磁輻射和干擾會比較小, 紋波小. 瞬態響應較好控制電路要簡單。其具有功耗小效率高(可達7095%)，穩壓范圍寬，可靠安全，體積小、重量輕、轉換效率高、自身發熱量小缺點缺點承受過載短路能力差效率低(3560%),體積龐大，不具有保護功能等特點電磁輻射和干擾會比較大,紋波比較大. 瞬態響應較差控制電路要復雜的多。調整管工作狀態調整管工作狀態調整管工作于放大區(損耗功率大采用大功率調整管及大的散熱器), 連續控制的.調整管工作在截止區和飽和區,即開關狀態。它截止時，相當機

2、械開關的斷開，飽和時，相當于機械開關的閉合。變壓器工作頻率和變壓器工作頻率和材料材料市電的頻率固定在50hz/60hz上，采用硅鋼片做為變壓器的磁性材料，因此變壓器的轉換效率低。提高工作頻率(達到數十khz或數百khz)來減少變壓器的體積和重量，采用鐵氧體做為變壓器的磁性材料。特點原因特點原因調整管損耗功率大,尤其是大功率的線性電源往往是重量重, 體積大，不適合計算機工業化的輕便設計原則 .調整管功耗小,機內溫升低, 輸出多路的低電壓大電流的直流電要具備各種保護功能。一一. .開關電源同線性電源比較開關電源同線性電源比較穩壓電源的目的穩壓電源的目的: 提供穩定的低壓直流提供穩定的低壓直流, 即

3、從市電即從市電110/220vac 到到3.3v/5v/12v/-12vdc技術術語技術術語 (desktop power supply)技術術語技術術語(adapter)分類方法類別按激勵方式劃分他激式(開關器件控制信號由專門的控制電路產生)自激式(借助于變換器本身的正反饋信號實現開關管自持周期性開關的變換器)按dc/dc變換器的工作方式劃分隔離型: 正激式(forward converter)反激式(fly-back converter)推挽式(push-pull converter) 半橋式(half-bridge converter)全橋式(full-bridge converter)

4、非隔離型: 降壓式(buck converter)升壓式(boost converter) 升降壓式(buck/boost converter) cuk converter zeta converter sepic converter按控制信號的隔離方式劃分采用變壓器的隔離方式采用光電耦合的隔離方式按過流保護方式劃分開關電流檢測方式輸出電流檢測方式二二. .開關電源的開關電源的toptop結構結構 非隔離式電源模型非隔離式電源模型:buck 降壓式boost 升壓式buck-boost 升降壓cuk (buck-boost的變形)zeta (buck-boost的變形)sepic (buck-

5、boost的變形)隔離式電源模式隔離式電源模式: fly-back 反激式forward 正激式 push-pull 推挽式 half-bridge 半橋式full-bridge 全橋式power supply developmentpower supply development電源供應器發展史電源供應器發展史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

6、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/s），不與以前的atx電源兼容。at: 6pin+6pinatx: 20pinatx 12v: 20pin+4pinatx 12v ln (low noise):24pin+4pin三三. .開關

7、電源的分類開關電源的分類atatx atx 12v atx 12v ln 根據根據pc主板架構變化主板架構變化四四.開關電源的原理介紹開關電源的原理介紹atxatx電源的工作原理方塊圖電源的工作原理方塊圖它主要包括它主要包括: :輸入電網濾波電路、主變換電路、整流濾波輸出輸入電網濾波電路、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。電路、控制電路、保護電路、輔助電源等。emi濾波電路濾波電路active pfc電路電路全波整流全波整流pwm+pfc driver ic(ml4800) 5v standby 電路電路保護保護ic(wt7515)輸出整流輸出整流+濾波電路濾波電路

8、風扇控制電路及風扇控制電路及ic(tl594)五五.pfc (power factor correction)之意義之意義p.f.=p.f.= 實際功率實際功率/ /視在功率視在功率 ( v( v* *idt)idt) /(vrms/(vrms* *irmsirms) ) pfc 的作用，可以這樣理解：的作用，可以這樣理解： 假如現在有一臺發電機，它最大能輸出假如現在有一臺發電機，它最大能輸出120vac，15a的電流，即它的電流，即它的輸出功率最大是的輸出功率最大是12015=1800w,現在如果有一臺現在如果有一臺pf (power factor)很低的電源接到發電機上很低的電源接到發電機

9、上,該電源的效率是該電源的效率是98%，pf是是55%,那么該電源的輸出端能提供的最大功率是：那么該電源的輸出端能提供的最大功率是：18000.980.55=970w, 如果如果pf提高到提高到99%，電源的輸出端，電源的輸出端能提供的最大功率就會提升能提供的最大功率就會提升18000.980.99=1746w這樣，對這樣，對于同一個電源輸出功率，于同一個電源輸出功率， 高的高的pf電源，對發電機的容量要求就會降低；電源，對發電機的容量要求就會降低；同樣，對于同一個發電機，它用有限的功率同樣，對于同一個發電機，它用有限的功率,能同時供電給更多的電源；能同時供電給更多的電源；這樣，由于無謂地往返

10、發電機與電源之間電線上的諧波電流這樣，由于無謂地往返發電機與電源之間電線上的諧波電流 的造成損的造成損耗也相應會減少；耗也相應會減少； 二端網絡的功率二端網絡的功率(單相電路單相電路)視在功率視在功率 s=v*i (伏安伏安va)有功功率有功功率 p=vr*i=v*cos *i=s *cos (瓦瓦w) 實部實部無功功率無功功率 q=vx*i=v*sin *i=s *sin (乏乏var) 虛部虛部q0時時電路呈感性電路呈感性 q0時時電路呈容性。電路呈容性。功率因子功率因子 =pf= cos, 角為功率因子角角為功率因子角s2=p2+q2角為功率因子角角為功率因子角, , 是電壓與是電壓與電

11、流的相位差電流的相位差, ,開關電源中容開關電源中容性負載重性負載重,q0,q0電路呈容性電路呈容性, ,電壓電壓v v落后于電流落后于電流i.i.所以可串所以可串聯電感以中和容性聯電感以中和容性, ,減小減小角角, ,以提高功率因子以提高功率因子 pf.pf.pfc (power factor correction)之意義之意義-passive pfcpfc (power factor correction)之意義之意義-passive pfcpfc choke apfc是利用boost 升壓式對輸之voltage和current不同步而產生的功率因數進行矯正.此方式輸入ac電壓范圍為:95

12、v264v-即全幅輸入.由boost電路的duty對其進行調整. output driver for pfc out driver for pwmpfc (power factor correction)之意義之意義-active pfcboost升壓電路電路升壓電路電路.由由ic (pfc+pwm芯片芯片ml4800或或mc6800)控制其控制其duty的變化的變化pc電源零件簡介電源零件簡介(主要靜電敏感元件主要靜電敏感元件)六六.電腦電源的電腦電源的emc電磁兼容要求電磁兼容要求5.55.5開關電源內噪聲源開關電源內噪聲源(1)開關晶體管開關工作產生的噪聲 開關晶體管中流過較大的脈沖電流

13、是矩形波,其中含有多種高次諧波,開關接通時由于變壓器漏感和輸出整流二極管的恢復特性形成電流震蕩,二極管上產生浪涌電壓.開關關斷時變壓器漏感也產生浪涌電壓.(2)二極管反向恢復特性產生的噪聲 用pn結硅二極管進行高頻整流時正向電流所積累電荷在加反向電壓時不能馬上消失,由于載流子的積蓄效應,二極管流經反向電流.這段時間稱為反向恢復時間.若反向電流恢復時的上升率di/dt較大時，由于電感作用要產生較大的尖峰電壓這就是恢復噪聲肖特級二極管原理上沒有載流子的積蓄效應固恢復噪聲非常小(3)變壓器產生的噪聲 流經變壓器繞組的電流形成磁通其中較大部分通過磁導率較高的磁芯,但小部分經過繞組與間隙輻射出去,即稱為

14、漏磁通.這漏磁通在回路中會形成電磁感應噪聲.(4)電容產生的噪聲 由于交流輸入的開關電源在輸入側接有整流與平滑回路.這就是電容輸入型回路.這回路有導通角的充電電流流通.這電流變化要產生噪聲.另外電容的等效串聯電感影響也較大. 電腦電源的電腦電源的emc電磁兼容要求電磁兼容要求(5) 共模噪聲: 開關晶體管與輸出整流二極管通常內部損耗較大需要通過絕緣片接到 散熱器上散熱。因此,晶體管的集電極與二極管的陰極與散熱器間有較大 的分布電容由于開關工作時電壓達到幾百伏因此產生共模噪聲。5.6 5.6 噪聲抑制方法及對策噪聲抑制方法及對策 (1) (1)采用開關速度不太快的開關以及軟恢復特性的二極管可以改

15、善波形 (即 降低 dv/dt;di/dt)。 (2)使用吸收電路(rc/rcd/lc) 與 開關晶體管和輸出整流二極管并聯 可以降低浪涌電壓。 (3)濾波器: 輸入濾波器 x-cap/y-cap/cm choke/dm choke (4)屏蔽: a.靜電屏蔽:在初,次側之間接入相當于分布電容電極的導體(如變壓 器鐵心)進行接地就可以使噪聲旁路到地。 b.磁屏蔽:在干擾者與被干擾者之間如變壓器與線圈之間,插入高磁 導率的金屬板可把漏磁通集中于金屬板中。 (5) 把輸出扼流線圈接在電源負回在線可抑制共模噪聲的產生。timing/housekeeping/ control(電源的時序電源的時序)t

16、1: power-on time (t1500ms) t2 : rise time (t220ms) t3: p.g delay time (100mst3500ms) t4: p.g rise time (t410ms) t5: hold up time(t516ms) t6: power-down warning (t61ms) 七七. .電腦電源的電腦電源的主要電性能參數指標主要電性能參數指標開關電源中的磁性元件開關電源中的磁性元件磁性元件是整個電源中零件技術的核心磁性元件是整個電源中零件技術的核心一些概念一些概念: 1.磁感應強度(b磁通密度):單位長度導線放在均勻磁場中通過單位電 流時所受力的大小(單位t(特斯拉)b=f/il) 2.磁通():垂直通過一個截面的磁力線