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計算機開關(guān)電源技術(shù)研究
摘要：計算機開關(guān)電源計算機動力的唯一提供者，等價于人類的心臟，在計算機各部件中處于極為重要的地位。電源輸出電流質(zhì)量的好壞直接影響電腦部件的壽命以及性能。本文著重介紹了計算機開關(guān)電源各部分電路等方面的內(nèi)容，詳細(xì)闡述計算機開關(guān)電源的工作原理，對保障好公司計算機設(shè)備長時間穩(wěn)定工作提供重要技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：交流抗干擾電路；PFC電路；高壓整流濾波；PWM
1 引 言 2 計算機電源發(fā)展歷程
在計算機各部件中最令人注意的就是CPU的頻率、內(nèi)存的大小、硬盤容量，顯卡的性能等等。而對于電腦中的一個重要部件電源．卻往往總會受到忽略。而事實上，電腦的許多奇怪癥狀都是由電源引起的。假如我們把計算機比作一個人的話，CPU作為計算機的核心部件起著運算和控制的作用，它相當(dāng)于我們?nèi)祟惖?u>大腦；而電源作為計算機的動力提供者，完全等價于我們?nèi)祟惖男呐K，其重要之處由此可見。所以有必要了解電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉電源的工作原理，才能更好地維護(hù)好計算機電源，才能從根本上保障公司各部門計算機設(shè)備長時間穩(wěn)定工作。
2 計算機電源發(fā)展歷程
PC／XT_ IBM最先推出個人PC／XT機時制定的標(biāo)準(zhǔn)；AT_ 也是由IBM早期推出PC／AT機時所提出的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)時能夠提供192W 的電力供應(yīng)；ATX—Intel公司于1995年提出的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與AT比較主要變化為：
1、取消了AT電源上必備的電源開關(guān)而交由主板進(jìn)行電源開關(guān)的控制，增加了一個待機電路為電源主電路和主板提供電壓來實現(xiàn)電源喚醒等功能：
2、ATX電源首次引進(jìn)了+3．3V的電壓輸出端，與主板的連接接口上也有了明顯的改進(jìn)：ATX12V—— 支持P4的ATX標(biāo)準(zhǔn)，是目前的主流標(biāo)準(zhǔn)：ATX12V一1．1：在ATX的基礎(chǔ)之上增加了4pin的+12V輔助供電線(PIO)為P4處理器供電，改變了各路輸出功率分配方式，增強+12V 負(fù)載能力；ATX12V一1.3：提高了電源效率，增加了對SATA的支持。去掉了一5V輸出，增加了+12V的輸出能力；ATX12V一2.0：尚未有產(chǎn)品實施的最新規(guī)范；電源連接器由20針改為24針，以支持75W 的PCI Express總線．同時取消輔助電源接口；提供另一路+12V輸出，直接為4Pin接口供電；WTX—ATX 電源的加強版本：尺寸上比ATX電源大。供電能力也比比ATX電源強，常用于服務(wù)器和大型電腦；BTX一現(xiàn)有架構(gòu)的終結(jié)者，電源輸出要求、接口等支持 ATX12V。
3 計算機開關(guān)電源的工作原理
電源是一種能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備，它能將220V的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C需要的低電壓強電流的直流電。首先將高電壓交流電(220V)通過全橋二極管整流以后成為高電壓的脈沖直流電，再經(jīng)過電容濾波以后成為高壓直流電。此時，控制電路控制大功率開關(guān)三極管將高壓直流電按照一定的高頻頻率分批送到高頻變壓器的初級。接著，把從次級線圈輸出的降壓后的高頻低壓交流電通過整流濾波轉(zhuǎn)換為能使電腦工作的低電壓強電流的直流電。其中，控制電路也是必不可少的部分。它能有效的監(jiān)控輸出端的電壓值，并向控制功率開關(guān)三極管發(fā)出信號控制電壓上下調(diào)整的幅度。目前的常見產(chǎn)品主要采用脈沖變壓器耦合型開關(guān)穩(wěn)壓電源，它分為交流抗干擾電路、功率因數(shù)校正電路、高壓整流濾波電路、開關(guān)電路、低壓整流濾波電路5個主要部分。
4 交流抗干擾電路
為避免電網(wǎng)中的各種干擾信號影響高頻率、高精度的計算機系統(tǒng)．防止電源開關(guān)電路形成高頻擾竄，影響電網(wǎng)中的其他電器等；各種電磁、安規(guī)認(rèn)證都要求開關(guān)電源配有抗干擾電路。主要結(jié)構(gòu)為兀型共模、差模濾波電路．由差模扼流電感、差模濾波電容、共模扼流電感、共模濾波電容組成：
5 功率因數(shù)校正電路
開關(guān)電源傳統(tǒng)的橋式整流、電容濾波電路令整體負(fù)載表現(xiàn)為容性，且使交流輸入電流產(chǎn)生嚴(yán)重的波形畸變，向電網(wǎng)注人大量的高次諧波，功率因數(shù)僅有0．6左右，對電網(wǎng)和其他電氣設(shè)備造成嚴(yán)重的諧波污染與干擾。因此，我國在2003年開始實施的CCC中明確要求計算機電源產(chǎn)品帶有功率因數(shù)校正器(Power Factor Corrector，即PFC)，功率因數(shù)達(dá)到0．7以上。PFC電路分為主動式(有源)與被動式(無源)兩種：主動式PFC本身就相當(dāng)于一個開關(guān)電源．通過控制芯片驅(qū)動開關(guān)管對輸入電流進(jìn)行”調(diào)制”，令其與電壓盡量同步，功率因數(shù)接近于1；同時．主動式PFC控制芯片還能夠提供輔助供電，驅(qū)動電源內(nèi)部其他芯片以及負(fù)擔(dān)+5VSB輸出。主動式PFC功率因數(shù)高、+5VSB輸出紋波頻率高、幅度小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，僅在一些高端電源中使用。目前采用主動式PFC的計算機電源一般采用升壓轉(zhuǎn)換器式設(shè)計，電路原理圖如下：被動式PFC結(jié)構(gòu)簡單，只是針對電源的整體負(fù)載特性表現(xiàn)，在交流輸人端．抗干擾電路之后串接了一個大電感，強制平衡電源的整體負(fù)載特性。被動式PFC采用的電感只需適應(yīng)50～60Hz的市電頻率，帶有工頻變壓器常用的硅鋼片鐵芯，而非高頻率開關(guān)變壓器所采用的鐵氧體磁芯，從外觀上非常容易分辨。被動式PFC效果較主動式PFC有一定差距，功率因數(shù)一般為0．8左右；但成本低廉，且無需對原有產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行大幅度修改就可以符合CCC要求，是目前主流電源通常采取的方式。
6 高壓整流濾波電路
目前的各種開關(guān)電源高壓整流基本都采用全橋式二極管整流，將輸人的正弦交流電反向電壓翻轉(zhuǎn)，輸出連續(xù)波峰的“類直流”。再經(jīng)過電容的濾波，就得到了約300V的“高壓直流”。
7 開關(guān)電路
開關(guān)電源的核心部分．主要由精密電壓比較芯片、PWM芯片、開關(guān)管、驅(qū)動變壓器、主開關(guān)變壓器組成。精密電壓比較芯片將直流輸出部分的反饋電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較．PWM芯片根據(jù)比較結(jié)果通過驅(qū)動變壓器調(diào)整開關(guān)管的占空比，進(jìn)而控制主開關(guān)變壓器輸出給直流部分的能量，實現(xiàn)“穩(wěn)壓”輸出。PWM(Pules Width Modulation)即脈寬調(diào)制電路，其功能是檢測輸出直流電壓，與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大，控制振蕩器的脈沖寬度，從而控制推挽開關(guān)電路以保持輸出電壓的穩(wěn)定，主要由1C TL494及周圍元件組成。使用驅(qū)動變壓器的目的是為了隔離高壓(300V)區(qū)與低壓區(qū)(最高12V)，避免開關(guān)管擊穿后高壓電可能對低壓設(shè)備造成的危害，也令PWM芯片無需接觸高壓信號，降低了對元件規(guī)格的要求。
沖變壓器耦合型開關(guān)穩(wěn)壓電源主要的直流(高壓到低壓)轉(zhuǎn)換方式有5種，其中適合作為計算機電源使用的主要為推挽式與半橋式，而推挽式多用于小型機、UPS等，我們常見的電源產(chǎn)品則基本都采用半橋式變換。
8 低壓整流濾波電路
經(jīng)過調(diào)制的高壓直流成為了低壓高頻交流，需要經(jīng)過再次整流濾波才能得到希望的穩(wěn)定低壓直流輸出。整流手段與高壓整流類似，仍是利用二極管的單向?qū)ㄐ再|(zhì)，將反向波形翻轉(zhuǎn)。為了保證濾波后波形的完整性，要求互相配合實現(xiàn)360。的導(dǎo)通，因此一般采用快速恢復(fù)二極管(主要用于+12V整流)或肖特基二極管(主要用于+5V、+3．3V整流)。濾波仍是采用典型的扼流電感配合濾波電容，不過此處的電感不僅為了扼制突變電流，更為重要的作用是像高壓濾波部分的電容一樣作為儲能元件，為輸出端提供連續(xù)的能量供應(yīng)。實際產(chǎn)品中高壓整流濾波電路、開關(guān)電路、低壓整流濾波電路是一個整體，雖然原理與前述基本相同，但元件個數(shù)、分布方式會有很大變化。例如采用半橋式電壓變換的電源就有兩個高壓濾波電容，每一路直流輸出對應(yīng)兩個整流管，各負(fù)責(zé)半個周期的輸出；而采用單端正激式電壓變換的電源則只有一個高壓濾波電容，每一路直流輸出對應(yīng)兩個整流管，工作時間按照開關(guān)管占空比分配。其他較為重要的部分還有輔助供電電路與保護(hù)電路：輔助供電電路一個小功率的開關(guān)電源，交流輸入接通后即開始工作。300V直流電被輔助供電開關(guān)管調(diào)制成為脈沖電流，通過輔助供電變壓器輸出二路交流電壓。一路經(jīng)整流、三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，輸出為+5VSB，供主板待機所用；另一路經(jīng)整流濾波，輸出輔助+12V電源，供給電源內(nèi)部的PWM等片工作。主動式PFC具有輔助供電的功能，可以提供+5VSB及電源內(nèi)部芯片所需電壓；故采用主動式PFC的電源可以省略掉輔助供電部分，只使用兩個開關(guān)變壓器。
9 保護(hù)電路
電源主要的保護(hù)措施有7種：
1、輸入端過壓保護(hù)：通過耐壓值為270V的壓敏電阻實現(xiàn)：
2、輸入端過流保護(hù)：通過保險絲：
3、輸出端過流保護(hù)：通過導(dǎo)線反饋，驅(qū)動變壓器就會相應(yīng)動作，關(guān)斷電源的輸出；
4、輸出端過壓保護(hù)：當(dāng)比較器檢測到的輸出電壓與穩(wěn)壓管兩端的基準(zhǔn)電壓偏差較大時，就會對電壓進(jìn)行調(diào)整：
5、輸出端過載保護(hù)：過載保護(hù)的機理與過流保護(hù)一樣，也是通過控制電路和驅(qū)動變壓器進(jìn)行的：
6、輸出端短路保護(hù)：輸出端短路時，比較器會偵測到電流的變化，并通過驅(qū)動變壓器、關(guān)斷開關(guān)管的輸出：
7、溫度控制：通過溫度探頭檢測電源內(nèi)部溫度，并智能調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，對電源內(nèi)部溫度進(jìn)行控制；
10 電源的好壞對其他部件的影響
CPU對電壓就非常敏感，電壓稍微高一點就可能燒毀CPU，電壓過低則無法啟動；而硬盤在電壓不足時就無法正常工作，在電壓波動大時甚至?xí)⻊潅P片，造成無法挽救的物理損害；諸如此類，不一而足。在很多情況下，主機內(nèi)的配件損壞了，用戶只是認(rèn)為是配件本身的質(zhì)量問題．而很少考慮可能是電源輸出的低壓直流電電壓不穩(wěn)所造成的。所以，輸出電壓的波動范圍就是考查電源質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。目前，一般的電源產(chǎn)品在空載和輕載時的表現(xiàn)都較好(假冒偽劣產(chǎn)品除外)，而重載測驗才是烈火試真金的真正考驗。
參考文獻(xiàn)
1李成章，微機及其外設(shè)電源原理與維修，電子工業(yè)出版社．1997．7．
2楊旭，計算機硬件故障檢測與維修速查手冊，國防工業(yè)出版社，2002．10．
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