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。