多路输出式PC开关电源实例详解

早期PC（例如从286到586）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公司在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，将电源接通，PS-ON为高电平时，关断电源。ATX电源的主要技术指标是输出功率、安全标准（例如我国的CCEE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，并留有一定裕量。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公司新推出的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。

1.145W多路输出式PC开关电源的主电路设计

由TOP247Y单片开关电源集成电路构成145W多路输出式PC开关电源的主电路如图7-5所示。交流输入电压范围是90～130V（典型值为110V）或180～265V（典型值为220V）。3路输出分别为U_O1（+12V，4.75A）、U_O2（+5V，11A）、U_O3（+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。当S闭合时选择110V倍压整流电路，其工作原理如图2-23所示。不同的是，图2-23中是用固定式均衡电阻（R₁₀和R₁₁）来平衡两只滤波电容上的电压，避免因某一只电容的压降过高而被击穿，并在断电后给电容提供放电回路。图7-5所示的电路则是利用晶体管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，两者为互补对管，主要参数如下：U（BR）CEO=300V，I_C=0.5A，P_D=0.625W，h_FE=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115μF。

R_V是压敏电阻，当电网上的浪涌电压超过275V时，R_V迅速被击穿，能起到钳位保护作用。R_T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，禁止接通开关电源。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，电源被接通后允许在低于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VD_Z1～VD_Z3、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（D_max）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，VD_Z4和VD₅构成。

图7-5 由TOP247Y构成145W多路输出式PC开关电源的主电路

遥控通/断电路由R₁₂、C₇、R₂₄、VT₄、C₁₅、R₂₅、R₂₆、光耦合器IC₄和VD₆组成。在通电状态下，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TOP247Y进入关断状态。+12V待机电源通过R₂₄和VD₆给TOP247Y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。

2.3.3V磁放大器的电路设计

PC的第3路输出为U_O3（+3.3V，10A），但传统的线性稳压器一般只能输出几安以下的电流，它在输出大电流时不仅电源效率低，而且发热量大，需配较大尺寸的散热器，使开关电源的体积进一步增大，成本增加。尽管使用多路输出式开关电源也能获得+3.3V、10A的输出，但会使电路更复杂，且容易产生噪声干扰。近年来采用高性能非晶态合金磁环构成的磁放大器稳压电路，在多路输出式PC开关电源中获得了广泛应用，特别适合输出1A至几十安的大电流，并且稳压性能好、效率高、体积小、成本低，具有推广价值。磁放大器稳压电路是利用可控磁饱和电感器改变磁复位的延迟时间，通过精细地调节脉冲宽度，来实现精密稳压的。

反激式开关电源中磁放大器稳压电路的基本原理如图7-6所示。输出电压U_O经过取样电阻R₁和R₂获得取样电压U_Q，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U_REF，VD_Z为稳压管，R₃为偏流电阻。误差放大器将U_Q与U_REF进行比较后产生误差电压U_r，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U_I，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，用来调节脉宽调制器的脉冲占空比，通过改变MOSFET的通、断状态，即可实现稳压的目的。

图7-6 磁放大器稳压电路的基本原理

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I_G从右向左流过L₁，使L₁磁复位。由于二次绕组电流方向I₂与I_G相反，因此I₂必须先将I_G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。(www.xing528.com)

磁放大器的时序波形如图7-7a、b所示。两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↑→U_O↑。反之，当磁复位时间从t₂增加到t₁时，D↓→U_O↓。因磁放大器具有“二次稳压”（一次稳压是由脉宽调制器完成的）的作用，故能对U_O进行精确调节，获得高稳定度的输出电压。

图7-7 磁放大器的时序波形

a）磁复位时间为t₁ b）磁复位时间为t2

PC开关电源中的3.3V磁放大器稳压电路如图7-8所示。磁放大器由取样电路（R₂₄和R₂₆）、可调式精密并联稳压器（TL431）、磁复位控制电路（3A/40V的TIP32型功率PNP晶体管）、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U_Q，接至TL431的输出电压设定端（U_REF），与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较后获得误差电压U_r，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VD_7a和续流二极管VD_7b。C₁₄为输出滤波电容器。由L₆、C₁₅构成后置滤波器。

图7-8 PC开关电源中的3.3V磁放大器稳压电路

现对磁放大器的工作原理分析如下：当TOP247Y内部的MOSFET导通时，输出整流管VD_7a截止，VD_7b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，VD_7a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，L₄上才能流过正向电流，使L₄进入磁饱和状态并呈现低阻抗，进而VD_7a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上，以便在VD_7a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U_O1（3.3V）输出电压升高时，取样电压U_Q也随之升高，进而使误差电压U_r升高。U_r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U_O1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，可达到精密稳压的目的。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6匝。常用非晶态磁环典型产品的主要参数见表7-1。MP1305P4AS型号中的“13”代表外径为13mm（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）。

表7-1 常用非晶态磁环典型产品的主要参数

MP1305P4AS的B-H曲线（亦称磁滞回线）如图7-9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。

图7-9 MP1305P4AS的B-H曲线