采用低电流启动、离线式LM5021的台式电脑电源设计优化

台式电脑电源与笔记本电脑电源虽然都是低电压大电流，但台式电脑电源输出电压的等级较多，对电网供电、启动电流要求不大，但要求冲击电压要低，即具有软启动、逐期限流等一般条件。

1.LM5021电路特点

1）前面开关电源基础知识介绍了脉宽调制控制器（PWM）适合于正激式、反激式、半桥式各种拓扑电路，具有高效离线式电能转换功能，转换的效率高、损耗低，如采用电流控制模式，则电路的频率响应快。LM5021电路结合了上述特点。

2）具有超低启动电流（20μA），使启动时功耗最小，这有利于电源使用寿命和电脑使用安全。电路在大电流运行时，MOSFET驱动管承接的峰值电流为0.35A，灌电流只有0.7A，比一般电脑电源载荷电量低很多。

3）电路采用电流模式控制采样信号，并监测电路运行中电流电压的异常现象。若输入电压超出设计值，电路立即启动逐期限流措施，启用过电流、过电压保护功能。在轻载（或空载）时，使用跳跃周期模式，避免作无谓地消耗。

4）LM5021电路的工作频率，根据需要可任意设定。只需在时钟端外接一只电阻就可以设定片内的晶振频率，也可以直接接入外部时钟脉冲信号，使用非常方便。

5）LM5021芯片是电源控制比较好的一种芯片，设计新颖，集成的功能较多。图5-16a是它的内部结构框图。它由振荡电路、启动电路、最大占空比限制模块、谐波补偿电路、电压监测比较模块以及电压调节启动模块等组成。

2.LM5021电路工作原理

LM5021电路包括低通滤波电路、交流电压整流滤波电路、功率转换启动电路、脉宽调制保护电路、输出电压整流滤波电路、反馈检测控制电路等，原理图如图5-16b所示。

1）低通滤波电路由C₁～C₄、L₁、R_T等元件组成，热敏电阻R_T起着机内温度保护作用，C₁、C₂组成抗串模干扰电路、L₁、C₃、C₄组成抗共模干扰电路，两种电路抑制由电源导线传入机内的噪声杂波和空中射频电磁波干扰，同时也阻止电源机里所产生的高频开关磁场由导线传输给其他电子设备的传导干扰。

2）功率转换启动电路。这是电路的核心部分，对电源的品质优劣和转换效率高低起着重要作用。交流电压经整流滤波后所得到的高电压经电阻R₁、R₂降压给电解电容C₉充电，当C₉上的端电压充到18V后，IC₁片内电压调节器开始工作并将向C₁₁充电，当C₁₁上的端电压达到7.5V后，片内振荡器启动，各级比较器谐波补偿开始运转，脉宽调制（PWM）允许输出，由4脚传出控制信号，使MOSFET推动变压器一次绕组进行由占空比控制的脉宽能量调制，变压器将完成从一次侧到二次侧电能传递，这就是电能转换启动的全过程。如果变压器L_f绕组的电压低于5.8V，则IC₁很难进入正常工作模式。LM5021具有极低的启动电流，因而容许它的启动电阻很大，这样可以保证启动电路和功能转换机制处于合理的启动时间和较高的转换效率。

3）脉宽调制保护电路。误差调制信号从IC₂接收晶体管经R₁₁进入IC₁的1脚，片内接有一只5kΩ的上拉电阻，将电压拉到5V电平，经电阻分压，最后输入到PWM比较器的反相输入端，50μA斜波电流进入它的正向输入端进行比较后，由比较器输出脉宽调制信号，PWM信号经逻辑控制并由触发器输出。另一方面，时钟脉冲也加入触发器，以修补PWM调制信号的后沿，使它陡峭垂直，从而完成脉冲宽度调制功能，这就是双脉冲控制逻辑电路。过电流保护电路由VT₃、R₅、IC₁组成。若输出负载电流过大或发生短路时，反映到VT₃的漏极电流必然增大，电流在R₅上的压降也增大，使IC₁的6脚进入片内电流比较器，经PWM逻辑控制，输出脉冲信号，起到过电流保护的目的。值得注意的是：只要比较器的输入电压超过0.5V的压降，PWM逻辑控制立即封锁。

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图5-16 LM5021内部结构及电路原理图

图5-16 LM5021内部结构及电路原理图（续）

4）输出电压整流滤波电路。为满足台式电脑用电需求，输出电压分别为±5V和±12V四组供电电路。L_S1、L_S2两只绕组分别输出+5V 16A和+12V 4A，电路采用π型滤波，电解电容C₂₁、C₂₂及C₂₄的容量大小对输出电压的质量影响很大，容量小了，输出的纹波电压大，容量大了，电容的漏电流大、体积大、成本上升，更重要的容量大在输出阻抗较小的场合容易引起振荡，使电压不稳。C₁₅、R₁₅和C₁₆、R₁₃及C₁₇、R₁₄是高频吸收回路，为减小纹波电压有一定的作用。IC₄是负电压输出的三端稳压块，C₂₀、C₂₃及C₂₅是高频旁路电容。

5）反馈检测控制电路。IC₁的振荡频率由外部电阻R₁₀及电容C₁₁决定，其振荡频率f=1.12/C₁₁R₁₀，LM5016也可以由晶振设置，但要求所设置的电容要紧靠晶振与地之间。C₁₂软启动电容。光耦合器IC₂与精密稳压源结合，为确保输出电压V_o1、V_o2的稳定设计的，输出电压的高低由电阻R₂₀、R₂₁决定的，电容C₂₆、R₁₈是IC₃稳压源的频率补偿元件。VS₂、VT₄、R₁₇及电容C₂₇组成过电压保护电路，当V_s输出电压超5V时，稳压管VS₂反向击穿使VT₄基极电压升高，引起导通，与地短路，输出电压急剧下降到1V左右，起到过电压保护。

电阻R₁₆、R₂₀、R₂₁的计算：

R₁₆=（V_o2^-2.5V）/I_F=（12-2.5）/40×10^-3Ω=240Ω，I_F是发光二极管电流。

反馈系数

R₁₆、R₂₀、R₂₁是决定输出电压高低和电压调整率的重要元件，选用1%的精密金属膜电阻。