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电脑ATX电源实列解析

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现在社会台式计算机应用广泛,其ATX电源在台式计算机中地位非常重要,本文通过实绘航嘉HK280-22GP型ATX电源电路,分功能介绍其工作原理,起到举一反三,抛转引玉的作用,使读者能掌握类似的ATX电源工作原理。
图片
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航嘉HK280-22GP电源工作原理简图如图1所示,此款电源采用KA7500B+LM339方案,DL0165R为辅助电源电路芯片,KA7500B为PWM主控芯片,220VAC经过整流滤波电路产生310V左右直流电压供给辅助电源,辅助电源利用DL0165R电源芯片产生+5V和+18V左右直流电压,+18V是供给KA7500B的工作电压,+5V供给LM339的工作电压。只要有交流电输入,ATX电源无论是否开启,辅助电源一直在工作,辅助电源产生的+5V工作电压,使LM339处于待机工作状态。KA7500B工作电压受LM339控制,待机时KA7500B无工作电压,芯片不工作,无+3.3V、+5V、±12V等电压输出,当开机后KA7500B的第12脚才有VCC工作电压,KA7500B工作,产生所需+3.3V、+5V和±12V等电压。输出检测电路负责输出信号的检测,开机后,如果输出有严重的故障,LM339及周边电路控制KA7500B的4脚为高电平,KA7500B从而停止输出PWM信号,进而使ATX电源停止输出+3.3V、+5V和±12V等电压,达到保护的目的,如果输出离标准值偏差不太多,输出检测电路控制KA7500B调节输出PWM的占空比,从而调节输出的目的。
1 、PS-ON电路原理分析
PC电源与电脑主板的时序是这样的:当PC电源通电后,就有一个+5VSB待机电压输出,不管其它几组主路电压有没有输出,+5VSB电压一直存在着,并处于待命状态,+5VSB不仅供PC电源内部的部分电路工作起来,还通过20PIN 或者24PIN端子的紫色线,送给电脑主板,让主板的一部分电路也先工作起来,处于待命状态,便于主板给PC电源提出启动系统的开机命令,或者关闭系统的关机命令。当主板需要启动系统时,把开机命令,即PS-ON信号由当前待命时的高电平变为低电平,通过端子的绿色线送回给PC电源,PC电源接到要开机的命令,启动电路并输出其它几组主路直流电压,并通过自检正常,把PG信号,由之前的低电平变为高电平,通过端子的灰色线送给外部的电脑等的主板,主板只有在接到PG信号后,才会正常启动系统的,否则,虽然PC电源输出电压是正常的,若PG信号没有输出或者输出不正常,主板是不会启动系统的。当电脑等主板需要关机时,主板在做好关机前的准备工作后,才会把PS-ON信号由当前的低电平变为高电平送给PC电源相关电路,PC电源正常关闭主路输出,只保留+5VSB电压,PG信号也由当前的高电平变为低电平,称PF关机信号,PC电源和外部主板等又进入待命状态,等待下一次的开机。
航嘉HK280-22GP型电源是控制加给KA7500B的第12脚的VCC电压的有无实现开关机,当PS-ON开机后,KA7500B的第12脚才有VCC工作电压,KA7500B才能正常工作,第5脚才有斜波,第8脚和第11脚才有驱动方波输出,PS-ON关机后或者机器在待机状态时,KA7500B因没有VCC电压而不工作,达到开关机的目的,而其第4脚一直为低电平状态,当有异常情况时,保护信号使得第4脚变为高电平,达到保护关机的目的。
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图2

图2为PS-ON电路图,当待机时或者PS-ON关机后,LM339的第11脚电压由R64、R66从+5VSB电压上分压取得,R66、R64为固定值,第11脚输入电压就为固定值,LM339的第10脚由R63从+5VSB电压上取得,LM339第13脚输出就由第10脚输入电压决定,待机时LM339的第10脚为高电平,那么第13脚为低电平,+5VSB电压经R107,D32到第13脚,D32此时为导通状态,D40便不能导通,Q10的B极为低电平,Q10不导通,Q14的B极为高电平,Q14因无B极电流不导通,+18V电压不能加到KA7500B的第12脚和驱动变压器T3的初级绕组,KA7500B因无VCC电压而不工作,电源此时无输出。当开机信号来后,PS-ON端变为低电平LM339的第10脚也为低电平,那么第13脚翻转为高电平,+5VSB电压经R107,D40到Q10的B极,D40此时为导通状态, D32因第13脚为高电平便不导通,Q10的B极因D40导通而变为高电平,Q10饱和导通,将R105接地,Q14因有B极电流而饱和导通,+18V电压经Q14的C-E之间加到KA7500B的第12脚和驱动变压器T3的初级绕组,KA7500B因有VCC电压而工作起来, 第8脚和第11脚输出驱动方波,整个电源输出无+3.3V,+5V,±12V电压。D31,D30在关机时把PG电路和保护电路的高电平泄放掉,便于重启。LM339的第8脚到第13脚之间接有一个开关二极管D30。当PC电源工作中异常保护后,其电路LM339的第8脚变为高电平,但此时PS-ON端仍为开机低电平状态,LM339的第13脚仍为高电平,D30不导通,当关掉PS-ON开机信号后LM339的第13脚变为低平,第8脚仍保持为高电平,此时通过D30正向导通,把第8脚的高电平泄放掉,便于故障解除后不影响PS-ON再次开机。
2、 辅助电源电路
电路如图3所示,由DL0165R、T2等组成了+5VSB 电路的开关电路,DL0165R的启动电路由R11、R12、R13组成,启动电压从C7、C8的中点150VDC电压上取得,加到DL0165R的第5脚,DL0165R的6脚、7脚、8脚连在一起,通过T2的1-1绕组接到300V左右的直流电压上,D5、Z5为开关管的吸收电路,T2的1-2绕组为DL0165R的专设VCC供电绕组,D6、R14、C15、Z6、R10/R10A、C83为DL0165R的VCC供电整流滤波电路,经整流后的电压加在DL0165R的第2脚,为DL0165R提供工作电压,稳压电路由817C光耦反馈后,加在DL0165R的第3脚,第4脚外接R15为电路的工作频率调整端,次级绕组产生两组电压一组经次级2-1绕组经过D9整流,从C21滤波得到约+18V电压,此电压为供给KA7500B的工作电压,经由PS-ON电路供给KA7500B的12脚,另一组经过次级2-2绕组,经D8整流从C17、C18、C19滤波得到+5V电压也就是ATX电源紫色线的+5V输出,供给LM339的工作电压。
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图3
3、 主开关变换电路
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图4

图4是主开关变换电路部分,300VDC电压的正极加在Q2的C极上,300VDC电压的负极与Q1的E极相连接,主开关变压器T1的初级绕组的一端通过C9与大电容C7和C8的中点相连接,开关管Q1和Q2及其驱动电路接成对称的半桥式电路,两管轮流导通,T1的初级绕组两端的工作电压为150V左右,当KA7500B的第4脚为低电平时,8脚和11脚输出有脉冲方波时,驱动放大电路工作,驱动变压器T3的次级绕组便有感应电压产生,当T3的次级绕组1有感应电压时(此时3不能有感应电压),该感应电压经D4,D4A整流,R8限流后与R9分压,加在Q2的B极,Q2因有B极电流而饱和导通,主变压器T1的初级绕组因通电而工作,电流的回路是:由C8的正极端→Q2的c极→Q2的e 极→驱动变压器T3次级2绕组→主变压器T1的初级绕组L1上端→主变压器T1的初级绕组L1下端→C9→C8的负极。当驱动变压器T3的次级绕组3有感应电压时(此时1不能有感应电压),该感应电压经D3A,D3 整流,R7A,R6/R6A限流后与R7分压,加在Q1的B极,Q1因有B极电流而饱和导通,主变压器T1的初级绕组因通电而工作,其电流的回路是:C7正极端→C9→主变压器T1的初级绕L1组下端→主变压器T1的初级绕组L1上端→驱动变压器T3次级2绕组→Q1的c极→Q1的e极→地(C7的负极)。电路中,R5和C10组成开关变压器初级绕组的吸收电路,消除反冲电压。C9为耦合电容,与开关变压器初级绕组形成串联谐振网络, C11,C12分别是开关管Q1和Q2的加速截止电容,即在开关管截止期间,该电容放电,使开关管的基级反向偏置,加速了开关管的截止速度,D1是Q1的保护二极管,D2是Q2的保护二极管,当Q1截止时,D2保护了Q2,当Q2截止时,D1保护了Q1,这个位置的保护二极管又称阻尼二极管,在开关管Q1/Q2截止期间,消除掉T1初级绕组的反冲电压,防止该反冲电压损坏开关管保护了开关管。
4.脉宽调制器
脉宽调制器通过调整开关脉冲的占空比,达到稳压的目的(如图5所示),又能控制开关脉冲输出的有无,便于对电源实施开机与关机。保护开机状态下,KA7500B的第4脚为低电平,PC电源所有输出正常工作时,KA7500B的第1脚将得到的“分压取样电压输出”的变化量与第2脚比较后,PWM不断的调整,使第8脚和第11脚输出的脉冲方波的占空比不停的发生变化,驱动电路和主开关变换电路的脉冲占空比也发生着变化,输出电压随之调整,达到了稳压的目的。
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图5
假如主路输出的+3.3V、+5V、+12V 电压中任一组电压升高,经电阻R60、R57、R59与电阻R61,可调电位器VR1分压后,X点的电压比原来设定的电压高,在KA7500B 内部与参考电压2脚比较后(第2脚的参考电压由芯片14脚输出的+5VR基准电压,通过电阻R46和R47分压而取得),8脚与11脚输出的脉冲方波的占空比减小,经驱动放大电路后,驱动变压器输出的脉冲波的占空比也减小,送给开关管基极的驱动电流比原来的减小了,两开关管轮流导通的时间随之减小,经开关变压器转换后的输出电压比原来的降低了,这样就抑制了主路输出的升高,达到稳压的目的。假如主路输出的+3.3V、+5V、+12V电压中任一组电压降低,稳压过程与上述过程相反。经分压取样后,X点的电压比原来设定的电压低,在KA7500B内部与参考电压2脚比较后,8脚与11脚输出的脉冲方波的占空比增大,经驱动放大电路后,驱动变压器输出的脉冲波的占空比也增大,送给开关管基极的驱动电流比原来的加大了,两开关管轮流导通的时间随之加长,经开关变压器转换后的输出电压比原来的升高了,这样就抑制了主路输出电压的降低,达到稳压的目的。
总的来说,就是KA7500B第4脚为低电平,电源有输出;4脚为高电平,电源+3.3V、+5V 、+12V、-12V无输出。
5.驱动放大电路
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图6
图6是驱动放大电路部分,驱动放大电路的工作电压由辅助电源电路产生的+5VSB和VCC电压提供,VCC(+18V~+24V)电压的正端经D25、R44、R44A降压限流后,加在驱动变压器T3的初级绕组中点上,D24的作用是把T3的反冲电压还回给VCC,当PWM芯片KA7500B的第8脚和第11脚没有脉冲方波输出时,Q8和Q9的B极电位为低电位,两管不导通,T3初级绕组因无电流不工作,主变换电路不工作,PC电源除SB电压外,无其它输出电压,处于待机状态。
当PWM芯片KA7500B的第8脚和第11脚轮流输出脉冲方波时,Q8和Q9轮流导通与截止;当KA7500B的第11脚有脉冲方波输出时,Q8导通(此时第8脚没有脉冲方波输出,Q9不导通),VCC电压的正端经T3的初级绕组中点,经L1-1绕组,Q8的C极到E极,再经D26和D27到达VCC 电压的地,由于L1-1绕组中有电流流过,给T3储存磁能,次级的1绕组便有感应电压产生,驱动相对应的主开关电路工作起来;当KA7500B的第8脚有脉冲方波输出时,Q9导通,(此时第11脚M没有脉冲方波输出,Q8不导通),VCC电压的正端经T3的初级绕组中点,经L1-2绕组,Q9的C极到E极,再经D26和D27到达VCC电压的地,由于L1-2绕组中有电流流过给T3储存磁能,次级的2绕组便有感应电压产生,驱动相对应的主开关电路工作起来。D28、D29分别是Q8、Q9的阻尼二极管,起到保护Q8、Q9的作用,D26和D27起电平转移的作用,C37起钳位作用,将D28和D29两端的电压,也就是将Q8与Q9的发射极电压限制在某一数值,R42、R43是Q9、 Q8的基级偏置电阻。
6.OVP (过电压)检测电路
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图7
以-12V电压输出为例(如图7所示),当PC电源在正常输出时,-12V输出电压在规定的范围值内,那么经过设定好R54、R54A、R55分压后,其中点电压很低,不足以使D18导通,也就没有高电平送出,当-12V输出电压超出规定的范围值后,经过R54、R54A、R55,分压后,其中点电压高出设定值,足以让D18通,高电平信号送到LM339的第8脚,也就是LM339的8脚保护电路动作,关闭电源的输出,达到了过压保护的目。+3.3V、+5V、+12V输出电压的过压保护原理相同。二极管D18、D19、D20、D21为隔离作用。
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图8
7.电压采样电路
HK280-22GP将输出电压的+5V、+12V、+3.3V经电阻分压电路处理,取出不稳定的一组,反馈给PWM电路,经与基准电压作比较,调整PWM的脉冲宽度的占空比,来达到输出电压的稳定的目的。手工调整时,一般以+5V电压为参考,其它几组电压随之改变,SB电源也有该采样电路,只不过是单组电压进行取样分压。
图8是电压采样电路部分,从输出+5V端通过R57,+12V端通过R59, +3.3V端通过R60,汇于X点,再与R61串联VR1到地之间进行分压,一旦电路参数选定,VR1再不能改动,若输出电压不稳定,则X点分得的电压也不稳定,将此电压的变化量送到PWM电路KA7500B的第1脚去处理,与第2脚参考电压比较,改变PWM脉冲宽度的占空比,使输出电压稳定在规定的范围值内。
8.温度控制电路
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图9
PC电源大部分采用+12V直流风扇来散热,直流风扇的电压为可调式, 当电压为最大+12V时,风扇的转速为额定转速,当电压低于+12V以下时,转速也低于额定转速。温度控制电路就是从+12V输出端取来12V电压处理后,供给风扇工作的,它根据热敏电阻来感应机内温度的变化,调节风扇两端的电压,在+5V~+12V之间变化,从而达到改变风扇的转速的目的。如图9所示电路,当PC电源的机内温度不太高时,负温度系数的热敏电阻RT1的阻值很大,R53、RT1、R52产生分压提供Q7基极工作电压较小,Q7的基级得到的电流很小,Q7的导通程度也小,风扇FAN两端的电压就远小于+12V,其转速也就低于额定转速许多,当PC电源负载加重,机内温度越高时,热敏电阻RT1感应到温度的变化,温度越高其阻值会越来越小,Q7的基级电流就越来越大,Q7的导通程度也会越来越深,这样,风扇两端得到的电压就越来越接近+12V,其转速也就越接近额定转速了达到了噪声控制和节能的目的。
9. PG/PF 延时控制电路
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图10
KA7500B的第3脚,到PG信号输出端这一段电路,叫PG电路(如图10所示)。当PC电源输出正常时,然后输出一个高电平信号,经过PG延时控制电路处理,最后输出一个+5V左右的高电平PG信号,把这个PG信号通过灰色线送给电脑主板等,电脑主板收到PG信号正常才能启动。LM339第3脚为供电脚,HK280系列由+5V待机电压(SB)供电,第12脚为接地脚,将LM339的第7脚、第6脚与第1脚接成同相器, 第5脚、第4脚与第2脚也接成同相器,第6脚与第4脚的参考电压由R75、R79、R80从+5VR分压而得。这样LM339第6脚和第4脚输入电压为固定值,LM339的1脚输出就由7脚输入电压决定,LM339的2脚输出就由5脚输入电压决定。当PC电源正常输出后,PWM芯片KA7500B有脉冲波输出时,其第3脚也相应的输出一个高电平,该电平经R81给C41充电,这一时间为第一级充电延时,当C41充够了电后,此高电平加到LM339的第7脚,第7脚的电压高于第6脚的参考电压,LM339的第1脚输出为高电平,此时,输出电压的+5V组达到+4.75V,PG信号开始建立,此信号经D31与KA7500B的第13脚连接,使得C41的充电和放电随着PS-ON的开和关而变化,同时,+5VR经R77给C42充电,此为第二级充电延时,当第5脚电平高于第4脚的参考电平时,第2脚输出为高电平,经R74正反馈到输入端第5脚,第2脚输出的为放大了的PG信号,此信号接近+5V 输出电压,即正常的PG信号完全建立,PG信号比输出的+5V电压建立时间上延时了100ms~500ms 。PG信号经R62与输出级的+5V电压相隔离。当PC电源在正常关机瞬间,或者异常情况下关机瞬间,PG应输出一个关机的PF信号,也就是说,KA7500B在其第4脚变为高电平时(来了关机信号或者保护信号),或者第4脚没有变为高电平,为工作中的低电平状态,而PC 电源忽然中断输出,因交流关机或者停电,总之,PWM芯片KA7500B在其内部关断输出脉冲波时,其第3脚也相应的输出为低电平,当R81上面没有电压时,C41开始放电,延续了LM339的第7脚电平降低的时间,当第7脚电平低于第6脚电平时,第1脚输出为低电平,同时,C42经R78 放电,延续了第5脚电平降低的时间,当第5脚电平低于第4脚电平时,第2脚输出为低电平,PG信号消失,又称PF信号检测完毕,通知电脑等系统正常复位关闭,在时间上比PC电源的主输出消失提前了最少1毫秒,PF时间分不正常关机,即AC关机的PF时间和正常关机,即PS-ON关机的PF时间两种情况。D31的作用:KA7500B的第1脚到第13脚之间接有一个开关二极管D31(1N4148),作用是,在每次PS-ON关机后,此时第13脚已翻转为低电平状态,电压小于第1脚,D31将第1脚C42上的残存高电平电压泄放到第13脚,使PF关机时间再延续,也便于每次重启时,C42上总为低电平,时间常数每次开机都一致,达到延时的目的,不影响下一次开机时PG 的时间常数。
10.OPP(过功率保护)检测电路
OPP(过功率)检测电路,在驱动变压器上,专设有一组互感绕组,通过感应输出功率的大小,用来控制PWM的输出脉冲方波的有无。图11是OPP检测电路部分,L1-3为驱动变压器T3 的一个专设的互感绕组,经电阻R37、R37A分压,D22整流,R38限流,C36滤波,R39为负载电阻,D23为隔离作用,感应电压由D23送到LM339的第8脚,进行比较检测。不论开关管Q1或Q2是否导通时,其L1-3的初级绕组3中都有电流流过。那么在电源正常输出时,次级绕组L1-3都会有感应电压产生,经电阻R37、R37A分压后,该电压不足以使D22导通,当负载越重达到满载,输出功率越大达到额定功率,该感应电压会越高,只要输出功率不超出设定值,感应电压也不会高到使D22导通。假如输出功率超过设定的功率值以外时,输出电压要下降,由于有稳压系统,开关管的导通时间会自动加长,T3L的初级绕组T3 3中流过的电流就加大,次级绕组T3 L1-3感应的电压会比设定的正常值高许多,使D22导通,此高电平经D23送到LM339的第8脚,第8脚电压大于第9脚电压时,启动保护电路,关闭电源的输出,达到过功率保护的目的。
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图11
11.比较检测保护电路
如图12所示,LM339的第8脚到KA7500B的第4脚这一段电路称为比较检测保护电路,作用是把OVP、OPP、欠压等保护检测电路的电平信号与参考电压做比较处理,把检测结果送到KA7500B的第4脚,控制第4脚电平的高低,也就控制了PC电源输出电压的有无,达到保护的目的。图12是HK280-22GP的比较检测保护电路部分,LM339的第8脚是所有保护检测信号的汇集点。PC电源在待机时或者开机输出正常时,LM339的第8脚电压小于第9脚电压,第14脚输出为高电平,三极管Q12不导通,Q12的C极为低电平,D33不会导通,维持在PS-ON信号开机或者关机后的电平状态。当PC电源输出异常时,来自OVP,OPP等检测电路的某一路高电平信号输送到LM339的第8脚,此时第8脚电压大于第9脚电压,其第14脚输出为低电平,三极管Q12因有基极电流而饱和导通,Q12的C极因与E极导通,将+5VR电压送过来,C极为高电平,D33正向导通,D33的负极变为高电平,此高电平送到KA7500B的第4脚,将输出关闭,处于保护状态。电路中的R82起保护自锁作用,R82的阻值比R71小得多,当LM339的第8脚有高电平保护信号时,Q12导通后,电源进入保护自锁状态,LM339的第8脚的电压则由R82和R70从Q12的C极(约+5V左右)分压而得,R71等于并联在了R82上了,LM339的第8脚电压被钳位,大于第9脚的参考电压,锁定在保护状态,当故障解除后,重起PS-ON,若没有保护信号,则Q12不工作,R82不参与分压,第8脚的电压又回到初试状态。
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图12
12 .磁放大电路
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图13
如图13所示,将磁开关L3串联在主变压器的次级绕组与整流二极管D15之间,就是希望通过改变磁开关的阻抗来控制磁开关的导通程度,从而控制流过二极管电流大小,最终控制+3.3V实际输出电压,当+3.3V的实际电压过大时,当+3.3V的实际电压偏离标准值时,取样电阻R34A、R34、R35与AZ431构成反馈电路根据两者的差值输出放大值,从AZ431的阴极流向阳极,此时AZ431会将阴极C电位拉低到阳极A(接地),Q16基极电压拉低,结果使PNP三极管Q16的发射极电流流向集电极,并经过限流电阻R30、R30A和二极管D16按照从上往下的方向流过L3,与变压器次级绕L2-1、L2-2到地,从上到下流过L3的这个电流阻碍了正常流过二极管D15待整流电流,使流过二极管的D15的电流变小,整流输出的电压值也就变小,从而稳定了+3.3V电压。
以上电路图均为HK280-22GP型ATX电源实物绘出,个别元件无法确定型号用?号代表,时间仓促,如有错误之处敬请批评指正!

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