原创]200W ATX开关电源工作原理浅析 - 【显示器维修技术讨论区】 - 奥邦电子(维...

原创]200W ATX开关电源工作原理浅析

原创]200W ATX开关电源工作原理浅析 [watermark]200W ATX开关电源工作原理浅析 首先说明本文只是我个人对200W ATX开关电源的粗浅认识。由于ATX开关电源品牌繁多，电路各有千秋，但基本原理还是一致的，大同小异。只要弄明白其中的一种，就可触类旁通，举一反三，使问题迎刃而解。 ATX开关电源整机电路，由220V交流输入回路、整流滤波电路、PWM脉宽调制控制电路、推挽驱动电路、半桥开关变换电路、辅助开关电源、PS-ON和PW-OK产生电路、+3.3V电压稳压控制电路、多路直流输出电路和稳压保护电路组成。如图所示。 一、220V交流输入电路 220V交流输入电路主要包括保护电路和抗干扰电路。保护电路由F1、NTCR1、Z1、Z2组成，主要起到过流、过压保护和限流作用；抗干扰电路由C1、C4、R1、扼流圈T1、差模扼流圈T5组成，主要对由电网进入的干扰信号和由开关电源返出的干扰信号进行抑制。共模高压瓷片滤波电容C2、C3通过中点接地，消除静电干扰。 二、整流滤波电路 整流滤波电路由整流二极管D21~D24、高压滤波电容C5、C6组成。220V交流电经整流滤波后，为辅助开关电源和半桥开关变换电路，提供波纹较小的300V左右的直流电压。R2、R3为均压电阻。T为PFC功率因数校正线圈，用于提高电能利用率。 三、辅助开关电源 辅助开关电源为变压器耦合、并联型开关电路。只要一上电，它就开始工作。分析如下： 从整流滤波电路引来的300V左右直流电压，一路经R55、R56至开关管Q12基极，另一路经T6开关变压器初级绕组加到Q12集电极，使Q12导通。 开关管Q12导通后，其集电极电流在T6初级绕组上产生上正下负的感应电动势，正反馈绕组也相应产生上正下负的感应电动势。于是，T6反馈绕组的感应电动势通过反馈支路C3、R56加到Q12的基极，使其迅速饱和导通。 在开关管Q12饱和导通期间，T6次级绕组所接的整流滤波电路因感应电动势反相而截止，电能以磁能的方式存储在绕组内。同时，T6正反馈绕组的感应电压，通过R56、Q12的be结对电容C31（图中错标为C3）充电。随着C3充电过程的不断进行，其两端电位差升高，流经Q12基极电流不断减小，使Q12退出饱和状态，其内阻不断加大，导致集电极电流进一步下降，从而使T6各绕组的感应电动势反相（上负下正），正反馈绕组负的脉冲电压与定时电容C31所充电压叠加，经R56加至Q12基极，使其迅速截止。同时，正反馈绕组通过D28给C19充电，C19负端得负电位，通过ZD2使Q12基极被箝位在比C19负电位高约9V的负电位上。C19充电结束后，又通过R57放电，把电能以热能的方式释放出去。 在开关管Q12截止期间，C3的充电电压经T6反馈绕组、Q12的be结、R56形成放电回路，以便为下一个正反馈电压脉冲提供通道，保证开关管Q12能够再次进入饱和导通状态。随着C19放电电流的不断减小，Q12基极电位不断上升，当上升到Q12的be结开启电压时，Q12再次导通，进入了自激振荡状态。电路中的D31、C32和R58构成反峰电压吸收电路，以保护开关管的安全。 当Q12由饱和转向截止时，T6次级绕组的感应电动势反相，存储在绕组中的磁能转化为电能，经D28、D30整流输出。其中D30整流输出电压供给脉宽调制控制TL494的12脚电源端和驱动电路，作为IC1的启动电压和驱动电路的工作电压。TL494启动后，14脚输出稳定的+5V基准电压，供给外围电路、过压保护电路、PS-ON和PW-OK电路。D28整流滤波电压经IC3三端稳压，输出+5VSB，并为PS-ON电路提供停机高电平，为PW-OK电路提供比较电压。+5VSB供给ATX主板内的网络通信接、电源监控管理电路、系统时钟等芯片，在正常关机后仍保持工作。 四、PWM脉宽调制控制电路、PS-ON控制电路和PW-OK产生电路 1、PWM脉宽调制控制电路和驱动电路 主要由IC1 集成电路TL494及周围元件组成。1脚为误差放大器I的同相端，由电源输出电压+12V、+5V的反馈电阻R25、R26与R20、R21的并联电阻分压后送入1脚，用于自动稳压控制。2脚为误差放大器I的反相端，由14脚输出5V基准电压经R24、R19分压，得到约4V的电压输入2脚，在IC内与1脚电压进行比较。3脚为误差放大器I的输出引出端，外接C10（图中错标为C1）和R18组成的校正网络，防止自激的产生。4脚为死区控制端，改变4脚电压，可改变死区时间。4脚为高电平时，封锁8、11脚的调制脉冲输出，使驱动电路、半桥开关变换电路停振而无输出；4脚为低电平时，允许8、11脚输出脉宽调制信号。由于13脚接5V基准电压，脉宽调制为并联推挽式输出，8、11脚输出相位差180度的脉宽调制信号，频率由5、6脚外接的阻容元件决定。同时，4脚电压从0~5V变化时，死区时间成比例增大，因此，利用此功能，4脚又被设置成开关电源输出电压过压保护端。5脚外接定时电容C11，6脚外接定时电阻R16，其RC值决定TL494输出脉冲的频率。7脚为接地端。8、11脚为两路输出放大管的集电极，其输出脉冲送入驱动电路的Q3、Q4基极。Q3、Q4以推挽方式工作，它们集电极所接T2初级绕组产生的激励振荡电流，使T2次绕组产生感应电动势，推动半桥开关变换器的两只开关管工作。驱动管Q3、Q4发射极所接的D7、D8和C11用于抬高Q3、Q4发射极电平，使Q3、Q4基极在低电平脉冲时就可靠截止。C22使驱动脉冲送入零电位。D5、D6和R13、R14为Q3、Q4的保护二极管和基极电阻。9、10脚为IC内两路放大器的发射极，接地。12脚为电源输入端，范围较宽，允许输入8~40V的电压，因此，由辅助电源D30整流、C21滤波得到的约10V电压无需稳压，直接为12脚提供启动电压。开关电源启动稳定后，12V电压经D、R46、D14、D15向12脚供电。由于D30整流输出电压低于12V，D30截止，启动电压退出电路。13脚为输出控制端，接地时为并联单端输出方式，接14脚5V时为推挽输出方式。14脚为+5V基准电压端，输出电流可达10毫安。15、16脚为误差放大器II的反相端和同相端，由于15脚接5V基准电压，16脚接地，误差放大器II输出低电平，对脉宽控制不产生作用。 2、PS-ON控制电路 PS-ON控制电路主要控制TL494的4脚死区电压，由Q10、Q11（图中错标为Q1）等元件组成。待机时，主板电源管理控制电路的电子开关断开，由辅助电源的IC3输出的+5VSB，一路送往主板，另一路经R23、R31使Q10导通，低电位又通过Q10的ec结、R36，使Q11导通，TL494的14脚5V电压经Q11的ec结，送入TL494的4脚，使4脚呈高电平，封锁8、11脚无调制脉冲输出。当受控启动后，主板上的电源管理控制电路中的电子开关接地，PS-ON端为低电平，Q10、Q11截止，供给TL494的4脚高电平被截断，4脚电压被R17下拉成低电平，允许8、11脚输出相位差180度的脉宽调制脉冲，控制Q3、Q4工作，在T2驱动绕组中产生激励振荡电流，次级的感应电动势推动半桥开关变换电路工作，输出各路电压。R15、C15用于开机瞬间使TL494的4脚出现高电平，封锁8、11脚无调制脉冲输出。随着C15的充电，TL494的4脚由PS-ON信号控制。 3、PW-OK产生电路 PW-OK产生电路由IC2电压比较器LM393及周围元件组成。待机时，由辅助电源IC3的+5VSB经R23输出的高电平，通过R37送入LM393的6脚电压比较器II的反相端，大于5脚同相端的固定电压比，7脚低电位，经R40使3脚电压比较器I的同相端输入低电位，小于2脚反相端的固定电压比，1脚呈低电位，PW-OK向主机送出零电平的电源自控信号而处于待命休闲状态。受控启动后，PS-ON控制端呈低电平，经R37使LM393的6脚电压比较器II的反相端为低电平，小于5脚同相端的固定电压比，7脚高电位，经R40使3脚电压比较器I的同相端为高电位，大于2脚反相端的固定电压比，1脚呈高电位，向主机送出PW-OK高电平的电源自控信号。这样，在开关电源输出稳定后，PW-OK端经几百毫秒的延迟由低电平起跳到高电平，主机检测到PW-OK信号后启动系统。若突然停电或关机时，开关电源的+5V输出电压必然下跌，经R42、R41使LM393电压比较器I的3脚同相端电位下降，当3脚电位小于2脚的固定电压比时，LM393的1脚立即从高电平跳变到低电平，比开关电源+5V提前几百毫秒通知主机，在断电前自动关闭，防止因工作错误及突然停电时，硬盘磁头来不及移至着陆区而划伤盘片。 五、半桥式开关变换电路 半桥式开关变换电路的开关管Q1、Q2串接在+300V的整流电压回路中。驱支变压器T2的两组次级绕组按不同的时序输出正脉冲。当T2的上部次级绕组输出正脉冲时，经过D3、R7、C9、R6使Q1导通，C5上的电压经Q1的ce结、T2的互感绕组、T3功率变压器的初级绕组、C7，回到两只高压滤波电容的中点。当T2的上部次级绕组输出的正脉冲下降到阈值时，Q1截止。经过死区时间后，T2的另一次级绕组输出正脉冲，经过D4、R11、C10、R10使Q2导通，C6上的电压经C7、T3功率变压器的初级绕组、T2的互感绕组、Q2的ce结放电，当T2的另一次级绕组输出的正脉冲下降到阈值时，Q2截止。这样，Q1、Q2轮流导通截止，在T3功率变压器的初级绕组上形成了交变的准矩形波，经T3功率变压器的次级各绕组整流滤波后，得到各路直流电压输出。 电路中的D1、D2为快恢复阻尼二极管。C8、R4为尖峰脉冲吸收电路，用于减少Q1、Q2的开关损耗。C7为耦合电容，用于防止T3磁饱和。C9、C10用于正脉冲到来时，使开关管迅速导通。D3、D4用于正脉冲减小到阈值时，开关管迅速截止。R7、R11为开关管截止期间，电容C9、C10放电吸收电阻。R5、R10为和R8、R12为开关管的基极电阻和偏置电阻。 六、多路直流输出电路 T3次级各绕组输出的准矩形波，经半桥整流和各线圈、电容滤波后，得到波纹较小的+3.3V、±5V、±12V直流电压。由于各路直流电压具有电压低、电流大的特点，通常用低内阻的肖特基二极管作半桥整流，用低内阻的电解电容进行滤波，以避免过大的损耗。在各路直流电压的输出端都接有负载电阻，再加上比较完善保护电路，使ATX开关电源可以脱机工作。 七、自动稳压电路 自动稳压电路主要由+12V、+5V反馈电阻R25、R26和TL494的1脚外接电阻R20、R21以及TL494内部的误差放大器I组成。当+12V、+5V因某种原因升高时，通过反馈电阻R25、R26使TL494的1脚取样电压升高，当此电压超过4V时，TL494内部的误差放大器I输出高电平，通过IC内部比较器控制输出脉宽减小，使输出电压下降，达到稳压的目的。反之亦反。 八、输出电压保护电路 输出电压保护电路主要由Q5、Q6、Q7及其外围元件组成。当+12V过压时，通过D、R46、D14、D15、R44使Q7和Q5导通，TL494的14脚5V基准电压经Q5的ec结、D11，使TL494的4脚变成高电平，封锁8、11脚的调制脉冲输出，主开关电源停止工作。当+5V、+3.3V出现过压时，D1、D3击穿导通，D27导通，使Q6和Q5导通，TL494的14脚5V基准电压经Q5的ec结、D11，使TL494的4脚变成高电平，封锁8、11脚的调制脉冲输出，主开关电源停止工作。-12V经R29、-5V经D10，再一并经过R28，与+5V经R27汇合，使D9正端被箝位在零电位。只要-12V、-5V电压任一路过压（向正的方向上升），都会破坏D9正端的零电位，使D9导通，引发过压保护电路动作，使主开关电源停止工作。D12、D13的作用，在待机时为PS-ON电路的Q10提供电压。 九、+3.3V二次稳压电路 为确保主板正常运行和安全，需要对+3.3V 电压做进一步的稳压。在+3.3V 电压的输出端，设有以TL431精密电压基准IC为核心的稳压电路。当+3.3V 升高时，TL431的1端（R）电压上升，3端（K）电位下降，经R74使Q13导通，升高后的电压通过R71、Q13的e、c极，使D32导通，破坏了+3.3V半桥整流的工作，而使整流输出电压降低，+3.3V电压更加稳定。 从以上分析可以看出，当主机关闭后，ATX开关电源一直处于休眠待命状态。所以，为防止电网电压波动而造成的危害，建议各位在不用主机时最好拔下电源插头。   [/watermark]