原創(chuàng)]200W ATX開關(guān)電源工作原理淺析
原創(chuàng)]200W ATX開關(guān)電源工作原理淺析
[watermark]200W ATX開關(guān)電源工作原理淺析
首先說明本文只是我個人對200W ATX開關(guān)電源的粗淺認識。由于ATX開關(guān)電源品牌繁多，電路各有千秋，但基本原理還是一致的，大同小異。只要弄明白其中的一種，就可觸類旁通，舉一反三，使問題迎刃而解。
ATX開關(guān)電源整機電路，由220V交流輸入回路、整流濾波電路、PWM脈寬調(diào)制控制電路、推挽驅(qū)動電路、半橋開關(guān)變換電路、輔助開關(guān)電源、PS-ON和PW-OK產(chǎn)生電路、+3.3V電壓穩(wěn)壓控制電路、多路直流輸出電路和穩(wěn)壓保護電路組成。如圖所示。
一、220V交流輸入電路
220V交流輸入電路主要包括保護電路和抗干擾電路。保護電路由F1、NTCR1、Z1、Z2組成，主要起到過流、過壓保護和限流作用；抗干擾電路由C1、C4、R1、扼流圈T1、差模扼流圈T5組成，主要對由電網(wǎng)進入的干擾信號和由開關(guān)電源返出的干擾信號進行抑制。共模高壓瓷片濾波電容C2、C3通過中點接地，消除靜電干擾。
二、整流濾波電路
整流濾波電路由整流二極管D21~D24、高壓濾波電容C5、C6組成。220V交流電經(jīng)整流濾波后，為輔助開關(guān)電源和半橋開關(guān)變換電路，提供波紋較小的300V左右的直流電壓。R2、R3為均壓電阻。T為PFC功率因數(shù)校正線圈，用于提高電能利用率。
三、輔助開關(guān)電源
輔助開關(guān)電源為變壓器耦合、并聯(lián)型開關(guān)電路。只要一上電，它就開始工作。分析如下：
從整流濾波電路引來的300V左右直流電壓，一路經(jīng)R55、R56至開關(guān)管Q12基極，另一路經(jīng)T6開關(guān)變壓器初級繞組加到Q12集電極，使Q12導(dǎo)通。
開關(guān)管Q12導(dǎo)通后，其集電極電流在T6初級繞組上產(chǎn)生上正下負的感應(yīng)電動勢，正反饋繞組也相應(yīng)產(chǎn)生上正下負的感應(yīng)電動勢。于是，T6反饋繞組的感應(yīng)電動勢通過反饋支路C3、R56加到Q12的基極，使其迅速飽和導(dǎo)通。
在開關(guān)管Q12飽和導(dǎo)通期間，T6次級繞組所接的整流濾波電路因感應(yīng)電動勢反相而截止，電能以磁能的方式存儲在繞組內(nèi)。同時，T6正反饋繞組的感應(yīng)電壓，通過R56、Q12的be結(jié)對電容C31（圖中錯標為C3）充電。隨著C3充電過程的不斷進行，其兩端電位差升高，流經(jīng)Q12基極電流不斷減小，使Q12退出飽和狀態(tài)，其內(nèi)阻不斷加大，導(dǎo)致集電極電流進一步下降，從而使T6各繞組的感應(yīng)電動勢反相（上負下正），正反饋繞組負的脈沖電壓與定時電容C31所充電壓疊加，經(jīng)R56加至Q12基極，使其迅速截止。同時，正反饋繞組通過D28給C19充電，C19負端得負電位，通過ZD2使Q12基極被箝位在比C19負電位高約9V的負電位上。C19充電結(jié)束后，又通過R57放電，把電能以熱能的方式釋放出去。
在開關(guān)管Q12截止期間，C3的充電電壓經(jīng)T6反饋繞組、Q12的be結(jié)、R56形成放電回路，以便為下一個正反饋電壓脈沖提供通道，保證開關(guān)管Q12能夠再次進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。隨著C19放電電流的不斷減小，Q12基極電位不斷上升，當上升到Q12的be結(jié)開啟電壓時，Q12再次導(dǎo)通，進入了自激振蕩狀態(tài)。電路中的D31、C32和R58構(gòu)成反峰電壓吸收電路，以保護開關(guān)管的安全。
當Q12由飽和轉(zhuǎn)向截止時，T6次級繞組的感應(yīng)電動勢反相，存儲在繞組中的磁能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)D28、D30整流輸出。其中D30整流輸出電壓供給脈寬調(diào)制控制TL494的12腳電源端和驅(qū)動電路，作為IC1的啟動電壓和驅(qū)動電路的工作電壓。TL494啟動后，14腳輸出穩(wěn)定的+5V基準電壓，供給外圍電路、過壓保護電路、PS-ON和PW-OK電路。D28整流濾波電壓經(jīng)IC3三端穩(wěn)壓，輸出+5VSB，并為PS-ON電路提供停機高電平，為PW-OK電路提供比較電壓。+5VSB供給ATX主板內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信接、電源監(jiān)控管理電路、系統(tǒng)時鐘等芯片，在正常關(guān)機后仍保持工作。
四、PWM脈寬調(diào)制控制電路、PS-ON控制電路和PW-OK產(chǎn)生電路
1、PWM脈寬調(diào)制控制電路和驅(qū)動電路
主要由IC1 集成電路TL494及周圍元件組成。1腳為誤差放大器I的同相端，由電源輸出電壓+12V、+5V的反饋電阻R25、R26與R20、R21的并聯(lián)電阻分壓后送入1腳，用于自動穩(wěn)壓控制。2腳為誤差放大器I的反相端，由14腳輸出5V基準電壓經(jīng)R24、R19分壓，得到約4V的電壓輸入2腳，在IC內(nèi)與1腳電壓進行比較。3腳為誤差放大器I的輸出引出端，外接C10（圖中錯標為C1）和R18組成的校正網(wǎng)絡(luò)，防止自激的產(chǎn)生。4腳為死區(qū)控制端，改變4腳電壓，可改變死區(qū)時間。4腳為高電平時，封鎖8、11腳的調(diào)制脈沖輸出，使驅(qū)動電路、半橋開關(guān)變換電路停振而無輸出；4腳為低電平時，允許8、11腳輸出脈寬調(diào)制信號。由于13腳接5V基準電壓，脈寬調(diào)制為并聯(lián)推挽式輸出，8、11腳輸出相位差180度的脈寬調(diào)制信號，頻率由5、6腳外接的阻容元件決定。同時，4腳電壓從0~5V變化時，死區(qū)時間成比例增大，因此，利用此功能，4腳又被設(shè)置成開關(guān)電源輸出電壓過壓保護端。5腳外接定時電容C11，6腳外接定時電阻R16，其RC值決定TL494輸出脈沖的頻率。7腳為接地端。8、11腳為兩路輸出放大管的集電極，其輸出脈沖送入驅(qū)動電路的Q3、Q4基極。Q3、Q4以推挽方式工作，它們集電極所接T2初級繞組產(chǎn)生的激勵振蕩電流，使T2次繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，推動半橋開關(guān)變換器的兩只開關(guān)管工作。驅(qū)動管Q3、Q4發(fā)射極所接的D7、D8和C11用于抬高Q3、Q4發(fā)射極電平，使Q3、Q4基極在低電平脈沖時就可靠截止。C22使驅(qū)動脈沖送入零電位。D5、D6和R13、R14為Q3、Q4的保護二極管和基極電阻。9、10腳為IC內(nèi)兩路放大器的發(fā)射極，接地。12腳為電源輸入端，范圍較寬，允許輸入8~40V的電壓，因此，由輔助電源D30整流、C21濾波得到的約10V電壓無需穩(wěn)壓，直接為12腳提供啟動電壓。開關(guān)電源啟動穩(wěn)定后，12V電壓經(jīng)D、R46、D14、D15向12腳供電。由于D30整流輸出電壓低于12V，D30截止，啟動電壓退出電路。13腳為輸出控制端，接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳5V時為推挽輸出方式。14腳為+5V基準電壓端，輸出電流可達10毫安。15、16腳為誤差放大器II的反相端和同相端，由于15腳接5V基準電壓，16腳接地，誤差放大器II輸出低電平，對脈寬控制不產(chǎn)生作用。
2、PS-ON控制電路
PS-ON控制電路主要控制TL494的4腳死區(qū)電壓，由Q10、Q11（圖中錯標為Q1）等元件組成。待機時，主板電源管理控制電路的電子開關(guān)斷開，由輔助電源的IC3輸出的+5VSB，一路送往主板，另一路經(jīng)R23、R31使Q10導(dǎo)通，低電位又通過Q10的ec結(jié)、R36，使Q11導(dǎo)通，TL494的14腳5V電壓經(jīng)Q11的ec結(jié)，送入TL494的4腳，使4腳呈高電平，封鎖8、11腳無調(diào)制脈沖輸出。當受控啟動后，主板上的電源管理控制電路中的電子開關(guān)接地，PS-ON端為低電平，Q10、Q11截止，供給TL494的4腳高電平被截斷，4腳電壓被R17下拉成低電平，允許8、11腳輸出相位差180度的脈寬調(diào)制脈沖，控制Q3、Q4工作，在T2驅(qū)動繞組中產(chǎn)生激勵振蕩電流，次級的感應(yīng)電動勢推動半橋開關(guān)變換電路工作，輸出各路電壓。R15、C15用于開機瞬間使TL494的4腳出現(xiàn)高電平，封鎖8、11腳無調(diào)制脈沖輸出。隨著C15的充電，TL494的4腳由PS-ON信號控制。
3、PW-OK產(chǎn)生電路
PW-OK產(chǎn)生電路由IC2電壓比較器LM393及周圍元件組成。待機時，由輔助電源IC3的+5VSB經(jīng)R23輸出的高電平，通過R37送入LM393的6腳電壓比較器II的反相端，大于5腳同相端的固定電壓比，7腳低電位，經(jīng)R40使3腳電壓比較器I的同相端輸入低電位，小于2腳反相端的固定電壓比，1腳呈低電位，PW-OK向主機送出零電平的電源自控信號而處于待命休閑狀態(tài)。受控啟動后，PS-ON控制端呈低電平，經(jīng)R37使LM393的6腳電壓比較器II的反相端為低電平，小于5腳同相端的固定電壓比，7腳高電位，經(jīng)R40使3腳電壓比較器I的同相端為高電位，大于2腳反相端的固定電壓比，1腳呈高電位，向主機送出PW-OK高電平的電源自控信號。這樣，在開關(guān)電源輸出穩(wěn)定后，PW-OK端經(jīng)幾百毫秒的延遲由低電平起跳到高電平，主機檢測到PW-OK信號后啟動系統(tǒng)。若突然停電或關(guān)機時，開關(guān)電源的+5V輸出電壓必然下跌，經(jīng)R42、R41使LM393電壓比較器I的3腳同相端電位下降，當3腳電位小于2腳的固定電壓比時，LM393的1腳立即從高電平跳變到低電平，比開關(guān)電源+5V提前幾百毫秒通知主機，在斷電前自動關(guān)閉，防止因工作錯誤及突然停電時，硬盤磁頭來不及移至著陸區(qū)而劃傷盤片。
五、半橋式開關(guān)變換電路
半橋式開關(guān)變換電路的開關(guān)管Q1、Q2串接在+300V的整流電壓回路中。驅(qū)支變壓器T2的兩組次級繞組按不同的時序輸出正脈沖。當T2的上部次級繞組輸出正脈沖時，經(jīng)過D3、R7、C9、R6使Q1導(dǎo)通，C5上的電壓經(jīng)Q1的ce結(jié)、T2的互感繞組、T3功率變壓器的初級繞組、C7，回到兩只高壓濾波電容的中點。當T2的上部次級繞組輸出的正脈沖下降到閾值時，Q1截止。經(jīng)過死區(qū)時間后，T2的另一次級繞組輸出正脈沖，經(jīng)過D4、R11、C10、R10使Q2導(dǎo)通，C6上的電壓經(jīng)C7、T3功率變壓器的初級繞組、T2的互感繞組、Q2的ce結(jié)放電，當T2的另一次級繞組輸出的正脈沖下降到閾值時，Q2截止。這樣，Q1、Q2輪流導(dǎo)通截止，在T3功率變壓器的初級繞組上形成了交變的準矩形波，經(jīng)T3功率變壓器的次級各繞組整流濾波后，得到各路直流電壓輸出。
電路中的D1、D2為快恢復(fù)阻尼二極管。C8、R4為尖峰脈沖吸收電路，用于減少Q(mào)1、Q2的開關(guān)損耗。C7為耦合電容，用于防止T3磁飽和。C9、C10用于正脈沖到來時，使開關(guān)管迅速導(dǎo)通。D3、D4用于正脈沖減小到閾值時，開關(guān)管迅速截止。R7、R11為開關(guān)管截止期間，電容C9、C10放電吸收電阻。R5、R10為和R8、R12為開關(guān)管的基極電阻和偏置電阻。
六、多路直流輸出電路
T3次級各繞組輸出的準矩形波，經(jīng)半橋整流和各線圈、電容濾波后，得到波紋較小的+3.3V、±5V、±12V直流電壓。由于各路直流電壓具有電壓低、電流大的特點，通常用低內(nèi)阻的肖特基二極管作半橋整流，用低內(nèi)阻的電解電容進行濾波，以避免過大的損耗。在各路直流電壓的輸出端都接有負載電阻，再加上比較完善保護電路，使ATX開關(guān)電源可以脫機工作。
七、自動穩(wěn)壓電路
自動穩(wěn)壓電路主要由+12V、+5V反饋電阻R25、R26和TL494的1腳外接電阻R20、R21以及TL494內(nèi)部的誤差放大器I組成。當+12V、+5V因某種原因升高時，通過反饋電阻R25、R26使TL494的1腳取樣電壓升高，當此電壓超過4V時，TL494內(nèi)部的誤差放大器I輸出高電平，通過IC內(nèi)部比較器控制輸出脈寬減小，使輸出電壓下降，達到穩(wěn)壓的目的。反之亦反。
八、輸出電壓保護電路
輸出電壓保護電路主要由Q5、Q6、Q7及其外圍元件組成。當+12V過壓時，通過D、R46、D14、D15、R44使Q7和Q5導(dǎo)通，TL494的14腳5V基準電壓經(jīng)Q5的ec結(jié)、D11，使TL494的4腳變成高電平，封鎖8、11腳的調(diào)制脈沖輸出，主開關(guān)電源停止工作。當+5V、+3.3V出現(xiàn)過壓時，D1、D3擊穿導(dǎo)通，D27導(dǎo)通，使Q6和Q5導(dǎo)通，TL494的14腳5V基準電壓經(jīng)Q5的ec結(jié)、D11，使TL494的4腳變成高電平，封鎖8、11腳的調(diào)制脈沖輸出，主開關(guān)電源停止工作。-12V經(jīng)R29、-5V經(jīng)D10，再一并經(jīng)過R28，與+5V經(jīng)R27匯合，使D9正端被箝位在零電位。只要-12V、-5V電壓任一路過壓（向正的方向上升），都會破壞D9正端的零電位，使D9導(dǎo)通，引發(fā)過壓保護電路動作，使主開關(guān)電源停止工作。D12、D13的作用，在待機時為PS-ON電路的Q10提供電壓。
九、+3.3V二次穩(wěn)壓電路
為確保主板正常運行和安全，需要對+3.3V 電壓做進一步的穩(wěn)壓。在+3.3V 電壓的輸出端，設(shè)有以TL431精密電壓基準IC為核心的穩(wěn)壓電路。當+3.3V 升高時，TL431的1端（R）電壓上升，3端（K）電位下降，經(jīng)R74使Q13導(dǎo)通，升高后的電壓通過R71、Q13的e、c極，使D32導(dǎo)通，破壞了+3.3V半橋整流的工作，而使整流輸出電壓降低，+3.3V電壓更加穩(wěn)定。
從以上分析可以看出，當主機關(guān)閉后，ATX開關(guān)電源一直處于休眠待命狀態(tài)。所以，為防止電網(wǎng)電壓波動而造成的危害，建議各位在不用主機時最好拔下電源插頭。
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