基于磁放大器的PC电源——ATX电源的设计
基于磁放大器的pc电源——atx电源的设计
1 atx电源简介
早期pc中的开关电源是at电源的一统天下。at电源的输出功率一般为150～250w，共有四路输出(+5v、-5v、+12v、-12v)，另外还向主板提供一个电源正常(pg，power 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在1997年推出了流行的atx2．01电源标准。和at电源相比，atx电源主要是增加了3．3v输出电压和一个ps-on信号。其中，3．3v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)及“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90w。atx电源现已成为pc电源的主流产品。
2 磁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r1和r2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uref，vdz为稳压管，r3为偏流电阻。误差放大器将uq与uref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。u1、u2、u3，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。
当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t1、t2。
由图可见，改变t1，即可调节u2的占空比：d=t1／t，t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3．3v磁放大器稳压电路如图3所示。磁放大器由取样电路(r24和r26)、可调式精密并联稳压器(tl43 1)、磁复位控制电路(3a／40v的pnp功率管tip32)、可控磁饱和电感器(l4)等构成。3．3v电压经过r24和r26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2．5v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mbr2045型20a／45v肖特基对管vd7，内含整流管vd7a和续流二极管vd7b。c14为输出滤波电容器。由l6、c15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c14、c15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c14、c15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(3．3v)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vt2、vd9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3．3v。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，用于计算机的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φ0．10mm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3．46cm，有效横截面积为0．057cm2，质量为1．50g，饱和磁通密度为0．57t，矩形比为0．86，电阻率为0．142μω·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的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a／m)，图中的实线和虚线分别对应于100khz、200khz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90～1 30v(典型值为110v)或180～265v(典型值为220v)。3路输出分别为uo1(+1 2v，4．75a)；uo2(+5v，1 1a)，uo3(+3．3v，10a)。为了能与at电源兼容，高频变压器并没有专门的+3．3v绕组，而是利用5v绕组电压，通过外部磁放大器电路获得+3．3v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0．91w时，输出功率可达0．5w，其功耗仅为0．41w，符合在这种情况下电源功耗不得超过1w的规定。s为110v／220v交流输入电压选择开关。利用晶体管vt2、vt3、电阻r1、r2、r3、r5和r6来代替均衡电阻，构成滤波电容c2、c3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=300v，ic=0．5a，pd=0．625w，hpe=25倍。当s断开时就选择220v交流电。此时c2与c3相串联，总电容量变成6601μf。
rv是压敏电阻，当电网上的浪涌电压超过275v时rv迅速被击穿，能起到钳位保护作用。rt为负温度系数的热敏电阻，在上电时起到限流保护作用。交流输入端的emi滤波器由c18、 c19、c1，共模扼流圈l3、c20、c22、c23和r10组成。其中c1、c22和c23均为安全电容(x电容)。r10为泄放电阻，断电时可将电容上所积累的电荷泄放掉。电源启动时的欠电压值是由r3、r5和r6的总串联电阻值来决定的，当交流电源电压低于180v时禁止启动开关电源。另外，电阻r4、r14、r23和晶体管vt1还在x引脚构成一个独立的欠电压保护电路，电源被启动后允许在低于140v直流电压的情况下继续工作。r7为延迟电阻。
由二极管vd1、稳压管vdz1～vdz3、c4以及二次侧电路中的r22和c9组成“稳压管／电容复位／钳位”保护电路。该电路能提供复位电压，无论在何种情况下都能将漏极电压钳制在安全范围以内(低于600v)。高频变压器的最大磁通密度应小于0．25t。复位电路还与自动降低最大占空比(dmax)的电路配合工作，防止高频变压器出现磁饱和现象并且避免负载短路时损坏电路。能自动降低最大占空比的电路由r8、r13，c22，vdz4和vd5构成。
遥控通／断电路由r12、c7、r24、vt4、c15、r25、r26、光耦合器ic4和vd6组成。在开启状态下，ic4的输出信号使vt4导通，x引脚就通过电阻r12、vd6和r11接控制端c。在关闭状态下，ic4和vt4处于截止状态，x引脚经过r12和r24接外部+12v待机电源，使top247进入关闭状态。+12v待机电源通过r24和vd6给top247的控制端提供电流，使开关电源的功耗降至2mw。r11为偏置电阻。
精密光耦反馈电路由光耦合器ic2(sfh615a)、可调式精密并联稳压器ic3(tl431)组成。该开关电源以5v作为主输出，12v为辅助输出。3．3v则是5v绕组电压通过外部磁放大器电路后获得的。
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2 磁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r1和r2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uref，vdz为稳压管，r3为偏流电阻。误差放大器将uq与uref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。u1、u2、u3，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。
当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t1、t2。
由图可见，改变t1，即可调节u2的占空比：d=t1／t，t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3．3v磁放大器稳压电路如图3所示。磁放大器由取样电路(r24和r26)、可调式精密并联稳压器(tl43 1)、磁复位控制电路(3a／40v的pnp功率管tip32)、可控磁饱和电感器(l4)等构成。3．3v电压经过r24和r26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2．5v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mbr2045型20a／45v肖特基对管vd7，内含整流管vd7a和续流二极管vd7b。c14为输出滤波电容器。由l6、c15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c14、c15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c14、c15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(3．3v)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vt2、vd9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3．3v。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，用于计算机的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φ0．10mm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3．46cm，有效横截面积为0．057cm2，质量为1．50g，饱和磁通密度为0．57t，矩形比为0．86，电阻率为0．142μω·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的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a／m)，图中的实线和虚线分别对应于100khz、200khz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90～1 30v(典型值为110v)或180～265v(典型值为220v)。3路输出分别为uo1(+1 2v，4．75a)；uo2(+5v，1 1a)，uo3(+3．3v，10a)。为了能与at电源兼容，高频变压器并没有专门的+3．3v绕组，而是利用5v绕组电压，通过外部磁放大器电路获得+3．3v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0．91w时，输出功率可达0．5w，其功耗仅为0．41w，符合在这种情况下电源功耗不得超过1w的规定。s为110v／220v交流输入电压选择开关。利用晶体管vt2、vt3、电阻r1、r2、r3、r5和r6来代替均衡电阻，构成滤波电容c2、c3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=300v，ic=0．5a，pd=0．625w，hpe=25倍。当s断开时就选择220v交流电。此时c2与c3相串联，总电容量变成6601μf。
rv是压敏电阻，当电网上的浪涌电压超过275v时rv迅速被击穿，能起到钳位保护作用。rt为负温度系数的热敏电阻，在上电时起到限流保护作用。交流输入端的emi滤波器由c18、 c19、c1，共模扼流圈l3、c20、c22、c23和r10组成。其中c1、c22和c23均为安全电容(x电容)。r10为泄放电阻，断电时可将电容上所积累的电荷泄放掉。电源启动时的欠电压值是由r3、r5和r6的总串联电阻值来决定的，当交流电源电压低于180v时禁止启动开关电源。另外，电阻r4、r14、r23和晶体管vt1还在x引脚构成一个独立的欠电压保护电路，电源被启动后允许在低于140v直流电压的情况下继续工作。r7为延迟电阻。
由二极管vd1、稳压管vdz1～vdz3、c4以及二次侧电路中的r22和c9组成“稳压管／电容复位／钳位”保护电路。该电路能提供复位电压，无论在何种情况下都能将漏极电压钳制在安全范围以内(低于600v)。高频变压器的最大磁通密度应小于0．25t。复位电路还与自动降低最大占空比(dmax)的电路配合工作，防止高频变压器出现磁饱和现象并且避免负载短路时损坏电路。能自动降低最大占空比的电路由r8、r13，c22，vdz4和vd5构成。
遥控通／断电路由r12、c7、r24、vt4、c15、r25、r26、光耦合器ic4和vd6组成。在开启状态下，ic4的输出信号使vt4导通，x引脚就通过电阻r12、vd6和r11接控制端c。在关闭状态下，ic4和vt4处于截止状态，x引脚经过r12和r24接外部+12v待机电源，使top247进入关闭状态。+12v待机电源通过r24和vd6给top247的控制端提供电流，使开关电源的功耗降至2mw。r11为偏置电阻。
精密光耦反馈电路由光耦合器ic2(sfh615a)、可调式精密并联稳压器ic3(tl431)组成。该开关电源以5v作为主输出，12v为辅助输出。3．3v则是5v绕组电压通过外部磁放大器电路后获得的。
RA6快速设计指南 [5] 时钟电路 (3)
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