個(gè)人計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源電路解析

按：這是在職時(shí)，研究開(kāi)關(guān)電源教學(xué)時(shí)的另一篇解析。第一篇對(duì)機(jī)器人電源的解析引起了不少朋友的興趣，再把這篇發(fā)出來(lái)供同行參考。

研究個(gè)人PC電源，必須從開(kāi)關(guān)電源芯片開(kāi)始。這里是一個(gè)PTP-2038電源的實(shí)際應(yīng)用的例子，其分析思路對(duì)電源的維修具有普遍意義。

第一部分：TL494芯片

這是一個(gè)應(yīng)用極為廣泛的控制器件，在個(gè)人PC電源中，很多使用的都是這個(gè)芯片。它是由TI公司生產(chǎn)的。

一．芯片管腳定義

TL494是16腳芯片。

圖1：TL494管腳排列

1腳/同相輸入：誤差放大器1同相輸入端。

2腳/反相輸入：誤差放大器1反相輸入端。

3腳/補(bǔ)償/PWM比較輸入：接RC網(wǎng)絡(luò)，以提高穩(wěn)定性。

4腳/死區(qū)時(shí)間控制：輸入0-4VDC電壓，控制占空比在0-45%之間變化。同時(shí)該因腳也可以作為軟啟動(dòng)端，使脈寬在啟動(dòng)時(shí)逐步上升到預(yù)定值。

5腳/CT：振蕩器外接定時(shí)電阻。

6腳/RT：振蕩器外接定時(shí)電容。振蕩頻率：f=1/RTCT。

7腳/GND：電源地。

8腳/C1：輸出1集電極。

9腳/E1：輸出1發(fā)射極。

10腳/E2：輸出2發(fā)射極。

11腳/C2：輸出2集電極。

12腳/Vcc：芯片電源正。7-40VDC。

13腳/輸出控制：輸出方式控制，該腳接地時(shí)，兩個(gè)輸出同步，用于驅(qū)動(dòng)單端電路。接高電平時(shí)，兩個(gè)輸出管交替導(dǎo)通，可以用于驅(qū)動(dòng)橋式、推挽式電路的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管。

14腳/VREF：5VDC電壓基準(zhǔn)輸出。

15腳/反相輸入：誤差放大器2反相輸入端。

16腳/同相輸入：誤差放大器2同相輸入端。

二．基本特性

1．具有兩個(gè)完整的脈寬調(diào)制控制電路，是PWM芯片。

2．兩個(gè)誤差放大器。一個(gè)用于反饋控制，一個(gè)可以定義為過(guò)流保護(hù)等保護(hù)控制。

3．帶5VDC基準(zhǔn)電源。

4．死區(qū)時(shí)間可以調(diào)節(jié)。

5．輸出級(jí)電流500mA。

6．輸出控制可以用于推挽、半橋或單端控制。

7．具備欠壓封鎖功能。

三．結(jié)構(gòu)原理

圖2給出了TL494的內(nèi)部原理框圖。

圖2：TL494內(nèi)部原理框圖

芯片內(nèi)部電路包括振蕩器、兩個(gè)誤差比較器、5VDC基準(zhǔn)電源、死區(qū)時(shí)間比較器、欠壓封鎖電路、PWM比較器、輸出電路等。

1．振蕩器：

提供開(kāi)關(guān)電源必須的振蕩控制信號(hào)，頻率由外部RT、CT決定。這兩個(gè)元件接在對(duì)應(yīng)端與地之間。取值范圍：RT：5-100k，CT：0.001-0.1uF。

振蕩頻率：f=1/RTCT。

形成的信號(hào)為鋸齒波。最大頻率可以達(dá)到500kHz。

2．死區(qū)時(shí)間比較器：

這一部分用于通過(guò)0-4VDC電壓來(lái)調(diào)整占空比。當(dāng)4腳預(yù)加電壓抬高時(shí)，與振蕩鋸齒波比較的結(jié)果，將使得D觸發(fā)器CK端保持高電平的時(shí)間加寬。該電平同時(shí)經(jīng)過(guò)反相，使輸出晶體管基極為低，鎖死輸出。4腳電位越高，死區(qū)時(shí)間越寬，占空比越小。

由于預(yù)加了0.12VDC，所以，限制了死區(qū)時(shí)間最小不能小于4%，即單管工作時(shí)最大占空比96%，推挽輸出時(shí)最大占空比為48%。

圖3：死區(qū)時(shí)間比較器單獨(dú)起作用時(shí)的波形

圖3給出了死區(qū)時(shí)間比較器單獨(dú)作用時(shí)的工作相關(guān)波形。

3．PWM比較器及其調(diào)節(jié)過(guò)程：

由兩個(gè)誤差放大器輸出及3腳（PWM比較輸入）控制。

當(dāng)3端電壓加到3.5VDC時(shí)，基本可以使占空比達(dá)到0，作用和4腳類(lèi)似。但此腳真正的作用是外接RC網(wǎng)絡(luò)，用做誤差放大器的相位補(bǔ)償。

常規(guī)情況下，在誤差放大器輸出抬高時(shí)，增加死區(qū)時(shí)間，縮小占空比；反之，占空比增加。作用過(guò)程和4腳的死區(qū)控制相同，從而實(shí)現(xiàn)反饋的PWM調(diào)節(jié)。0.7VDC的電壓墊高了鋸齒波，使得PWM調(diào)節(jié)后的死區(qū)時(shí)間相對(duì)變窄。

如果把3腳比做4腳，則PWM比較器的作用波形和圖3類(lèi)似。然而，該比較器的占空比調(diào)節(jié)，要在死區(qū)時(shí)間比較器的限制范圍內(nèi)起作用。

單管工作方式時(shí)，VCK直接控制輸出，輸出開(kāi)關(guān)頻率與振蕩器相同。當(dāng)13腳電位為高時(shí)，封鎖被取消，觸發(fā)器的Q、Q非端分別控制兩個(gè)輸出管輪流導(dǎo)通，頻率是單管方式的一半。

4．5VDC基準(zhǔn)電源：

這個(gè)5VDC基準(zhǔn)電源用于提供芯片需要的偏置電流。如13腳接高電平時(shí)，及誤差放大器等可以使用它?；鶞?zhǔn)電源精度5%，電流能力10mA，溫度范圍0-70度。

5．誤差放大器：

兩個(gè)誤差放大器用于電源電壓反饋和過(guò)流保護(hù)。

這兩個(gè)放大器以或的關(guān)系，同時(shí)接到PWM比較器同相輸入端。反饋信號(hào)比較后的輸出，送PWM比較器，以和鋸齒波比較，進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)。

由于放大器是開(kāi)環(huán)的，增益達(dá)到95dB。加之輸出點(diǎn)3被引出，使用時(shí)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要靈活使用。

6．UC封鎖電路：

用于欠壓封鎖，當(dāng)Vcc低于4.9VDC，或者內(nèi)部電源低于3.5VDC時(shí)，CK端被鉗位為高電平，從而使輸出封鎖，達(dá)到保護(hù)作用。

7．輸出電路：

輸出電路有兩個(gè)輸出晶體管，單管電流500mA。其工作狀態(tài)由13腳（輸出控制）來(lái)決定。

當(dāng)13腳接低電平時(shí)，通過(guò)與門(mén)封鎖了D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)信號(hào)輸出，此時(shí)兩個(gè)晶體管狀態(tài)由PWM比較器及死區(qū)時(shí)間比較器直接控制，二者完全同步，用于控制單管開(kāi)關(guān)電源。當(dāng)然，此時(shí)兩個(gè)輸出也允許并聯(lián)使用，以獲得較大的驅(qū)動(dòng)電流。

當(dāng)13腳接高電平時(shí)，D觸發(fā)器起作用，兩個(gè)晶體管輪流導(dǎo)通，用于驅(qū)動(dòng)推挽或橋式變換器。

第二部分：個(gè)人計(jì)算機(jī)電源電路

與一般開(kāi)關(guān)電源相同，個(gè)人計(jì)算機(jī)電源也分為輸入電路、變換器、輸出電路及控制電路四個(gè)主體部分。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)電源電路使用兩個(gè)GTR作為功率開(kāi)關(guān)器件，構(gòu)成半橋電路拓補(bǔ)。控制電路與變換器，變換器與輸出電路都采用了變壓器隔離。

圖4是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)電源的原理圖。

一．輸入電路

圖5：個(gè)人計(jì)算機(jī)電源的輸入電路

輸入電路從220VAC電源接入，經(jīng)過(guò)C1、R1、T1、C4、T6、C2、C3等過(guò)濾環(huán)節(jié)，以抑制高頻諧波干擾及浪涌。T1、T6還有降壓作用。

4管全波橋進(jìn)行整流，輸出直流電壓。經(jīng)過(guò)T平波，送變換器電路。

C5、C6的中間引出線用于變換器半橋開(kāi)關(guān)電路的公用主通路，C5、C6、R2、R3同時(shí)提供半橋開(kāi)關(guān)交替工作時(shí)必須的電流通道。這一部分實(shí)際屬于后面的變換器電路。

NTCR1為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，用于溫度補(bǔ)償。壓敏電阻Z1、過(guò)流電阻Z2分別用于過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。

上部開(kāi)關(guān)230/115V用于230V和115V進(jìn)口電源轉(zhuǎn)換。

二．變換器電路

圖6：計(jì)算機(jī)電源的變換器電路

上圖是電源的變換器部分。參照原來(lái)我們介紹的半橋式拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)（如圖7），我們發(fā)現(xiàn)，這實(shí)際上是個(gè)半橋式隔離變換器。

圖7：半橋式隔離開(kāi)關(guān)變換器

其輪換過(guò)程是：半周1為Ui—Q1—T2-3—T3—C7-—C6—Ui，半周2為Ui—C5—C7—T3—T2-3—Q2—Ui。由這個(gè)過(guò)程可知，C5、C6、C7兩個(gè)半周中，輪流處于充放電狀態(tài)。R2、R3作為C5、C6的并聯(lián)電阻，也參與換流過(guò)程。

兩個(gè)管子的基極偏置由脈沖變壓器T2-1、T2-2分別提供，這兩個(gè)脈沖變壓器是由控制電路控制的。脈沖變壓器的電壓脈沖經(jīng)過(guò)整流，再經(jīng)R6/R7、R10/R11分壓，送晶體管基極。

C9、C10用于二極管兩側(cè)電壓鉗位，保護(hù)二極管不被損壞。D1、D2用于兩管同時(shí)關(guān)斷期間的續(xù)流，防止損壞晶體管。C8、R4用于變壓器泄放通路，防止管子全部關(guān)斷時(shí)過(guò)壓。

三．輸出電路

圖8給出了電源的輸出電路。

（一）、主輸出通路及+5V、-5V、+12V、-12V

該電路T3為變壓器原邊，受半橋變換器電路控制。變壓器中心抽頭被接地，A、B、C、D依次提供+12V、+5V、-5V、-12V等的交流輸入電源。通過(guò)不同變比的隔離變壓器付邊抽頭，產(chǎn)生了+5V、-5V、+12V、-12V、3.3V等多等級(jí)電源輸出。

這些電源全部采用雙管全波整流。虛線內(nèi)為平波電抗器，L1-C30、L2-C37、L3-C38、L4-C39、C36等用于濾波。

C25、R49用于變壓器副邊去耦。

+12VDC、+5VDC輸出被引回，作為電壓反饋信號(hào)，送回控制電路，構(gòu)成負(fù)反饋，以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)。

（二）、+3.3V電路

+3.3VDC電源依靠獨(dú)立的反饋調(diào)節(jié)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

由于L6繞組是反激的，其整流橋前端交流輸入電壓為：

Ui3.3=UBC-UL6-Uf3.3

其中Uf3.3是來(lái)自于Q13集電極的反饋信號(hào)經(jīng)隔離二極管D32后獲得。

3.3V輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)953R、R76分壓，控制TL431基準(zhǔn)電源輸入。TL431輸出用于基極電阻R74前的電平鉗位，作為比較基準(zhǔn)。R72提供基準(zhǔn)電源及基極偏置電流。R73、C33用于431芯片的相位補(bǔ)償。Q13集電極電位經(jīng)過(guò)去耦電容（10nF）及隔離二極管D32，送回整流橋前端，正好形成負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

圖8：計(jì)算機(jī)電源的輸出電路

四．控制電路

這個(gè)電路（圖9）使用了兩個(gè)集成芯片，TL494和LM393。TL494是電源控制芯片，LM393為雙比較器芯片。下面分解分析各單元的原理。

圖9：計(jì)算機(jī)電源的控制電路

（一）啟動(dòng)電路

變壓器T6的輸入電源為輸入電路的輸出直流Ui，變壓后，從中心抽頭引出，經(jīng)D30整流，送12腳Vcc。同時(shí)+12VDC輸出經(jīng)過(guò)隔離二極管D、電容C21去耦，送回12腳Vcc。

T6、D30僅能提供電源啟動(dòng)時(shí)的芯片偏置。一旦開(kāi)始工作，電源將由+12VDC經(jīng)D、C21供電。因此，這是一個(gè)自激型電源電路。

（二）振蕩電路

通過(guò)芯片TL494的5腳外接電容C11（1.5nF）和6腳外接電阻R16（12k），確定了該電源的振蕩頻率為：

f=1/RTCT=1/(12x103x1.5x10-9)≈55.6KHz。

（三）電壓反饋電路

圖10：電壓反饋電路

根據(jù)局部電路，加以整理，得到上面的電壓反饋電路?？梢钥闯?，系統(tǒng)從+12V、+5V分別引回反饋信號(hào)，做加法運(yùn)算后送比較器1的同相端，作為反饋。

補(bǔ)償端3和反相端2之間外接了R18-C1，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器。

輸出反饋電壓越高，上面電路的3腳輸出越高，使得芯片輸出死區(qū)越寬，從而降低占空比，進(jìn)而降低電源電壓；反之亦然。這樣就實(shí)現(xiàn)了電源電壓的負(fù)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程。

（四）輸出控制電路

圖11：輸出控制電路

TL494的13腳輸出控制被直接接到芯片+5VDC參考電源，輸出電路工作在雙管驅(qū)動(dòng)方式。

8、11腳為芯片兩個(gè)輸出的集電極，接外部晶體管Q3、Q4的基極。R13、R14即作為Q3、Q4的基極偏置，也是芯片輸出晶體管的上拉電阻。Q3、Q4分別驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器T2的兩個(gè)原邊繞組，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)副邊繞組T2-1、T2-2驅(qū)動(dòng)變換器的兩個(gè)半橋晶體管。

Q3、Q4的兩個(gè)并聯(lián)二極管用于電路斷電時(shí)的續(xù)流，防止高壓損壞晶體管。

D7、D8構(gòu)成直流通路，是偏置電路的一部分，并有電平移動(dòng)作用；由于發(fā)射極被墊高，使得Q3、Q4可以可靠關(guān)斷。C11用于構(gòu)成交流通路，可提高交流增益，同時(shí)對(duì)二極管兩端有電壓鉗位作用，避免損壞二極管。

（五）過(guò)壓保護(hù)電路

圖12：過(guò)壓保護(hù)電路

圖中，+5V、-5V、+3.3V、-12V在左側(cè)構(gòu)成加法電路結(jié)構(gòu)，經(jīng)D9、D27隔離后，送三極管Q6基極。ZD1、ZD3用來(lái)設(shè)置比較門(mén)檻。如果出現(xiàn)過(guò)壓，Q6將飽和導(dǎo)通，把Q5基極拉到地電位，Q5飽和導(dǎo)通。此時(shí)，一個(gè)高電平（約4VDC）通過(guò)Q5管被送到TL494死區(qū)時(shí)間控制端（4腳），TL494輸出因死去接近100%而被封鎖。

+12V經(jīng)過(guò)D、D15、R45、D14被送到Q7基極前端，當(dāng)過(guò)壓時(shí)，Q7飽和導(dǎo)通，促使Q5基極為低電平，Q5也飽和導(dǎo)通。這樣，+5V電源就通過(guò)Q5送到TL494死區(qū)時(shí)間控制端（4腳），使芯片輸出封鎖。

D12、R30把Q5集電極電位引回Q6基極，有正反饋?zhàn)饔?，可以加快晶體管的翻轉(zhuǎn)速度，使電源在過(guò)壓時(shí)快速反應(yīng)。

D13被用于向PS-ON電路提供一個(gè)偏置。

（六）第二電源電路

圖13：第二電源電路

第二電源無(wú)論整個(gè)電源是否開(kāi)啟，只要市電有輸入，就處于工作狀態(tài)。T6的原邊電路實(shí)際上是個(gè)振蕩器，其振蕩經(jīng)T6變壓器變壓后輸出。

當(dāng)送電時(shí)，Q12集電極通過(guò)T6原邊，基極通過(guò)R55、R56獲得偏置，而進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。T6輔助繞組電動(dòng)勢(shì)上正、下負(fù)，電流（向下）逐步增加，并經(jīng)C3、R56、Q12基極對(duì)C3反向充電。Q12進(jìn)入飽和狀態(tài)。隨著T6的電流達(dá)到最大值，并開(kāi)始減小，大多數(shù)開(kāi)始反向。這時(shí)，T6電動(dòng)勢(shì)上負(fù)下正，和電容反向充電后的上負(fù)下正電壓疊加，加到Q12基極，使其截止。接著，C3開(kāi)始向T6輔助繞組放電，T6電流減小逐步過(guò)零，電動(dòng)勢(shì)又變成上正下負(fù)，Q12基極電位重新抬高直至飽和導(dǎo)通。

D28、C19、R57及D31、C32、R58用于變壓器繞組的釋放回路，穩(wěn)壓管用于抬高Q12基極翻轉(zhuǎn)電壓，以調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)周期。

輸出分兩路：一路經(jīng)過(guò)D30整流后送TL494做Vcc電源，一旦T494啟動(dòng)，其本身5VDC開(kāi)始工作，作為芯片所需要的5V偏置。另一路經(jīng)D29送后面的三端電源器件78L05，生成5VDC電源。

C36用于保護(hù)二極管D29。其后是標(biāo)準(zhǔn)的三端電源電路。

輔助電源如果丟失，計(jì)算機(jī)休眠后主板將無(wú)法喚醒電源重新啟動(dòng)。

（七）PS-ON電路

這部分用于計(jì)算機(jī)的喚醒。當(dāng)主板休眠時(shí)，PS-ON為3.6V，當(dāng)主板喚醒時(shí)，該點(diǎn)被主板繼電器接地。

圖14：PS-ON電路

當(dāng)計(jì)算機(jī)休眠時(shí)，PS-ON信號(hào)為3.6V，Q10、Q1飽和導(dǎo)通，TL494的4腳電位約為4.7V。此時(shí)，占空比接近于零，輸出被禁止。

計(jì)算機(jī)要喚醒時(shí)，PS-ON被接地。Q10、Q1截止。TL494的死區(qū)時(shí)間控制端（4腳）為地電位，允許占空比接近最大值，電源輸出被開(kāi)放。

（八）POWERGOOD電路

LM393是一個(gè)雙比較器電路。管腳排列：

1：比較器1輸出。2：比較器1反相端。3：比較器1同相端。

4：接地Gnd。5：比較器2同相端。6：比較器2反相端。

7：比較器2輸出。8：電源Vcc。

圖15：POWERGOOD電路

常規(guī)情況下，PS-ON接地，開(kāi)環(huán)運(yùn)放2的輸出7被置為高電平。該高電平經(jīng)R40被引回比例放大器1的同相輸入端，使其輸出PS-OK為高電平。這個(gè)高電平被送主板，表示電源系統(tǒng)正常。

在系統(tǒng)待機(jī)時(shí)，主板PS-ON斷開(kāi)，+5V信號(hào)使得放大器2輸出低電平，該低電平送放大器1的同相端，放大器1也輸出低電平。PS-OK為低，主機(jī)停止工作，并進(jìn)入待命狀態(tài)。

如果是剛喚醒計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，C18的作用是使PS-OK的建立滯后于電源系統(tǒng)幾百毫秒，這樣保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在電源系統(tǒng)先工作正常后，再接收到PS-OK信號(hào)，恢復(fù)工作。

（九）其它輔助控制電路

誤差放大器2的同相輸入端被接地，反相輸入端接VREF（+5VDC），這樣TL494的誤差放大器2強(qiáng)制輸出低電平。由于片內(nèi)誤差放大器輸出端二極管的隔離作用，誤差放大器2實(shí)際上不起作用。

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