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计算机开关电源技术研究

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 摘要:计算机开关电源计算机动力的唯一提供者,等价于人类的心脏,在计算机各部件中处于极为重要的地位。电源输出电流质量的好坏直接影响电脑部件的寿命以及性能。本文着重介绍了计算机开关电源各部分电路等方面的内容,详细阐述计算机开关电源的工作原理,对保障好公司计算机设备长时间稳定工作提供重要技术支持。

 
关键词:交流抗干扰电路;PFC电路;高压整流滤波;PWM
 
1 引 言 2 计算机电源发展历程
在计算机各部件中最令人注意的就是CPU的频率、内存的大小、硬盘容量,显卡的性能等等。而对于电脑中的一个重要部件电源.却往往总会受到忽略。而事实上,电脑的许多奇怪症状都是由电源引起的。假如我们把计算机比作一个人的话,CPU作为计算机的核心部件起着运算和控制的作用,它相当于我们人类的大脑;而电源作为计算机的动力提供者,完全等价于我们人类的心脏,其重要之处由此可见。所以有必要了解电源内部结构,熟悉电源的工作原理,才能更好地维护好计算机电源,才能从根本上保障公司各部门计算机设备长时间稳定工作。
2 计算机电源发展历程
PC/XT_ IBM最先推出个人PC/XT机时制定的标准;AT_ 也是由IBM早期推出PC/AT机时所提出的标准,当时能够提供192W 的电力供应;ATX—Intel公司于1995年提出的工业标准。与AT比较主要变化为:
1、取消了AT电源上必备的电源开关而交由主板进行电源开关的控制,增加了一个待机电路为电源主电路和主板提供电压来实现电源唤醒等功能:
2、ATX电源首次引进了+3.3V的电压输出端,与主板的连接接口上也有了明显的改进:ATX12V—— 支持P4的ATX标准,是目前的主流标准:ATX12V一1.1:在ATX的基础之上增加了4pin的+12V辅助供电线(PIO)为P4处理器供电,改变了各路输出功率分配方式,增强+12V 负载能力;ATX12V一1.3:提高了电源效率,增加了对SATA的支持。去掉了一5V输出,增加了+12V的输出能力;ATX12V一2.0:尚未有产品实施的最新规范;电源连接器由20针改为24针,以支持75W 的PCI Express总线.同时取消辅助电源接口;提供另一路+12V输出,直接为4Pin接口供电;WTX—ATX 电源的加强版本:尺寸上比ATX电源大。供电能力也比比ATX电源强,常用于服务器和大型电脑;BTX一现有架构的终结者,电源输出要求、接口等支持 ATX12V。
3 计算机开关电源的工作原理
电源是一种能量转换的设备,它能将220V的交流电转变为计算机需要的低电压强电流的直流电。首先将高电压交流电(220V)通过全桥二极管整流以后成为高电压的脉冲直流电,再经过电容滤波以后成为高压直流电。此时,控制电路控制大功率开关三极管将高压直流电按照一定的高频频率分批送到高频变压器的初级。接着,把从次级线圈输出的降压后的高频低压交流电通过整流滤波转换为能使电脑工作的低电压强电流的直流电。其中,控制电路也是必不可少的部分。它能有效的监控输出端的电压值,并向控制功率开关三极管发出信号控制电压上下调整的幅度。目前的常见产品主要采用脉冲变压器耦合型开关稳压电源,它分为交流抗干扰电路、功率因数校正电路、高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路5个主要部分。
4 交流抗干扰电路
为避免电网中的各种干扰信号影响高频率、高精度的计算机系统.防止电源开关电路形成高频扰窜,影响电网中的其他电器等;各种电磁、安规认证都要求开关电源配有抗干扰电路。主要结构为兀型共模、差模滤波电路.由差模扼流电感、差模滤波电容、共模扼流电感、共模滤波电容组成:
5 功率因数校正电路
开关电源传统的桥式整流、电容滤波电路令整体负载表现为容性,且使交流输入电流产生严重的波形畸变,向电网注人大量的高次谐波,功率因数仅有0.6左右,对电网和其他电气设备造成严重的谐波污染与干扰。因此,我国在2003年开始实施的CCC中明确要求计算机电源产品带有功率因数校正器(Power Factor Corrector,即PFC),功率因数达到0.7以上。PFC电路分为主动式(有源)与被动式(无源)两种:主动式PFC本身就相当于一个开关电源.通过控制芯片驱动开关管对输入电流进行”调制”,令其与电压尽量同步,功率因数接近于1;同时.主动式PFC控制芯片还能够提供辅助供电,驱动电源内部其他芯片以及负担+5VSB输出。主动式PFC功率因数高、+5VSB输出纹波频率高、幅度小,但结构复杂,成本高,仅在一些高端电源中使用。目前采用主动式PFC的计算机电源一般采用升压转换器式设计,电路原理图如下:被动式PFC结构简单,只是针对电源的整体负载特性表现,在交流输人端.抗干扰电路之后串接了一个大电感,强制平衡电源的整体负载特性。被动式PFC采用的电感只需适应50~60Hz的市电频率,带有工频变压器常用的硅钢片铁芯,而非高频率开关变压器所采用的铁氧体磁芯,从外观上非常容易分辨。被动式PFC效果较主动式PFC有一定差距,功率因数一般为0.8左右;但成本低廉,且无需对原有产品设计进行大幅度修改就可以符合CCC要求,是目前主流电源通常采取的方式。
6 高压整流滤波电路
目前的各种开关电源高压整流基本都采用全桥式二极管整流,将输人的正弦交流电反向电压翻转,输出连续波峰的“类直流”。再经过电容的滤波,就得到了约300V的“高压直流”。

7 开关电路
开关电源的核心部分.主要由精密电压比较芯片、PWM芯片、开关管、驱动变压器、主开关变压器组成。精密电压比较芯片将直流输出部分的反馈电压与基准电压进行比较.PWM芯片根据比较结果通过驱动变压器调整开关管的占空比,进而控制主开关变压器输出给直流部分的能量,实现“稳压”输出。PWM(Pules Width Modulation)即脉宽调制电路,其功能是检测输出直流电压,与基准电压比较,进行放大,控制振荡器的脉冲宽度,从而控制推挽开关电路以保持输出电压的稳定,主要由1C TL494及周围元件组成。使用驱动变压器的目的是为了隔离高压(300V)区与低压区(最高12V),避免开关管击穿后高压电可能对低压设备造成的危害,也令PWM芯片无需接触高压信号,降低了对元件规格的要求。
冲变压器耦合型开关稳压电源主要的直流(高压到低压)转换方式有5种,其中适合作为计算机电源使用的主要为推挽式与半桥式,而推挽式多用于小型机、UPS等,我们常见的电源产品则基本都采用半桥式变换。
8 低压整流滤波电路
经过调制的高压直流成为了低压高频交流,需要经过再次整流滤波才能得到希望的稳定低压直流输出。整流手段与高压整流类似,仍是利用二极管的单向导通性质,将反向波形翻转。为了保证滤波后波形的完整性,要求互相配合实现360。的导通,因此一般采用快速恢复二极管(主要用于+12V整流)或肖特基二极管(主要用于+5V、+3.3V整流)。滤波仍是采用典型的扼流电感配合滤波电容,不过此处的电感不仅为了扼制突变电流,更为重要的作用是像高压滤波部分的电容一样作为储能元件,为输出端提供连续的能量供应。实际产品中高压整流滤波电路、开关电路、低压整流滤波电路是一个整体,虽然原理与前述基本相同,但元件个数、分布方式会有很大变化。例如采用半桥式电压变换的电源就有两个高压滤波电容,每一路直流输出对应两个整流管,各负责半个周期的输出;而采用单端正激式电压变换的电源则只有一个高压滤波电容,每一路直流输出对应两个整流管,工作时间按照开关管占空比分配。其他较为重要的部分还有辅助供电电路与保护电路:辅助供电电路一个小功率的开关电源,交流输入接通后即开始工作。300V直流电被辅助供电开关管调制成为脉冲电流,通过辅助供电变压器输出二路交流电压。一路经整流、三端稳压器稳压,输出为+5VSB,供主板待机所用;另一路经整流滤波,输出辅助+12V电源,供给电源内部的PWM等片工作。主动式PFC具有辅助供电的功能,可以提供+5VSB及电源内部芯片所需电压;故采用主动式PFC的电源可以省略掉辅助供电部分,只使用两个开关变压器。
9 保护电路
电源主要的保护措施有7种:
1、输入端过压保护:通过耐压值为270V的压敏电阻实现:
2、输入端过流保护:通过保险丝:
3、输出端过流保护:通过导线反馈,驱动变压器就会相应动作,关断电源的输出;
4、输出端过压保护:当比较器检测到的输出电压与稳压管两端的基准电压偏差较大时,就会对电压进行调整:
5、输出端过载保护:过载保护的机理与过流保护一样,也是通过控制电路和驱动变压器进行的:
6、输出端短路保护:输出端短路时,比较器会侦测到电流的变化,并通过驱动变压器、关断开关管的输出:
7、温度控制:通过温度探头检测电源内部温度,并智能调整风扇转速,对电源内部温度进行控制;
10 电源的好坏对其他部件的影响
CPU对电压就非常敏感,电压稍微高一点就可能烧毁CPU,电压过低则无法启动;而硬盘在电压不足时就无法正常工作,在电压波动大时甚至会划伤盘片,造成无法挽救的物理损害;诸如此类,不一而足。在很多情况下,主机内的配件损坏了,用户只是认为是配件本身的质量问题.而很少考虑可能是电源输出的低压直流电电压不稳所造成的。所以,输出电压的波动范围就是考查电源质量的重要指标之一。目前,一般的电源产品在空载和轻载时的表现都较好(假冒伪劣产品除外),而重载测验才是烈火试真金的真正考验。
 
参考文献
1李成章,微机及其外设电源原理与维修,电子工业出版社.1997.7.
2杨旭,计算机硬件故障检测与维修速查手册,国防工业出版社,2002.10.


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