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開關電源的工作原理課程綱要SPS定義ATX2.02.2定義SPS功能原理SPS未來發展動向電源有如人體心臟,是所有電設備的動力,但電源卻不像心臟那樣形式單一,因為標志電源的參數有:功率.電壓.頻率.噪聲及帶負載時參數的變化等,在同一參數要求下又有體積.重量.形態.效率.可靠性等指標參數的變化等.只要能夠供給我們電能的裝置,我們稱之為電源。而無論是何種電源裝置都是利用能量守衡定律。SPS定義凡用半導體功率器件作為開關,將一種電源形態轉變成為另一形態的主電路叫做開關變換器電路,同時轉變時用自動控制閉環穩定輸出並有保護環節則稱開關電源(SwitchingPowerSupply,簡稱SPS),可分為以下種類:1、AC-DC，理解成AC轉換成DC2、DC-AC，稱為逆變,3、AC-AC，稱為交流-交流直接變頻(同時也變壓)4、DC-DC，稱為直流-直流變換.SPS定義荷蘭人NetiR.M.Rao于1970年所發研出來,是一种非線性轉換式電源供應器.就是將輸入交流電壓整流濾波後的直流高壓作一定頻率的切換成高壓方波信號.該信號經隔離變壓器轉換成低壓直流,再對其加以整流濾波得到固定的直流電壓輸出。由于微電子的迅速發展，如今的用電設備對電源系統的要求在設計上性能更加完善，效率更高，重量較輕，体積小的電源。而SPS正是在這种趨勢下的新產物，比以往的線性串聯穩壓器更适合。SPS定義SPS除了應用在PC電腦上以外，亦可以用監視器(Monitor)、終端機(Terminal)、數值工具机、儀器、音響、通訊与導彈系統等領域中。SPS與Liner線性電源供應器相比較:體積小、效率高、重量輕、成本低，可大規模穩定性生產等優點。SPS定義.ATX規格電源供應器定義•當傳統式之PS/2電源供應器已逐漸被新一代之ATX電源供應器所取代時，選擇符合時代潮流的ATX電源供應器應是符合現實的需求。ATX電源供應器是新一代ATX主機板所需求的電源供應器，一般來說一部電腦所需的容量145W以上即足夠，若考慮需擴充較多的設備，可考慮200W或250W，伺服器所需的電力需求較大，則可考慮使用300W，400W甚至用熱切換之備援式電源供應器（300W*2，400W*2等）。電源供應器ATX12V2.0版規範•當Intel推出了Pentium4處理器後，為了滿足供電問題，Intel也推出了ATX12V的電源規範，但由於CPU的頻率越來越快，相對消耗的功率不斷增加，於是ATX12V的規範也不斷的更新。目前Intel針對ATX12V電源規範主要有1.0、1.1、1.2、1.3、2.0五個版本。Intel2004年在推出915/925晶片組時，同時間也發布了ATX12V2.0版的電源規範。而ATX12V2.0版與1.3版的差異，主要有兩點：一、電源輸出接點由20pin改為24pin：滿足PCIExpress16X和DDR2的需要。•二、+12V增加了一條線路：一條+12V（稱為+12v1）專門為其它設備供電，而另一條+12V（稱為+12v2）則為CPU供電。多出的+12v2實體上並不會有另外的接線存在，但是電源供應器外殼規格貼紙上會標示多了一組+12v2，ATX12V2.0規範該組+12v2在250W和300W都需要14A電流。ATX12V2.0版是ATX電源規範的一種，其目的在為了解決CPU消耗功耗高漲的問題而制定的，主要針對Intel915/925晶片組所設計。目前，Prescott核心的處理器功耗已經突破了100W，也就是對為CPU供電的+12V輸出電流提出了更高的要求。雖然以目前的電源技術，單一條+12V的線路，就可以應付主機的需求，但會導致其輸出線材存在較大的安全隱患，同時也會有較大的線路損耗。為此Intel還專門限制了單一+12V輸出不得大於240VA的規範。ATX12V2.0版電源加強了+12VDC端的電流輸出，並對+12V的電流輸出、濾波電容的容量、保護等做出了新的規定。電源供應器ATX12V2.0版規範SPS電源供應器大致包括下列幾個模塊(用方塊圖表示如下):a.整流與濾波電路;b.交換元件電路;c.功率隔離變壓器電路;d.整流與濾波輸出電路;e.回授與控制電路;SPS方框圖SPS功能原理首先,交流AC電壓(110V/60HZ或220V/50HZ)輸入致整流與濾波電路中,及可獲得近似直流(DC)的輸出電壓.這個初次得到的直流具有相當大的連波.在此電路中,大部分是由二極體.電阻.電容.電感夠成的.然後,將這直流輸入到第二個電路—交換元件電路.這個交換元件電路我們可視為一種電子開關,一般工作在20kHZ至1MHZ的高頻下。SPS方框圖SPS功能原理這個電路的原理是將直流電壓連續切割成近似方波的高頻電壓信號,在此電路中,主要採用電晶體(BJT)或金氧半場效電晶體(MOSFET)的電子元件.這個元件的開關動作是持續地NO/OFF打開及關閉,而如此的動作狀態使得消耗的能量變得非常的小,也因此效率及可大幅度的提高。SPS方框圖SPS功能原理此外，這個電路的切割頻率是由回授與控制電路所決定的，經過前面兩個電路所得的方波信號，輸入到高頻的功率隔離變壓器電路，即可在二次側獲得我們預先設定的低準位電壓。有了如此高頻的功率隔離變壓器後，只要在輸入整流與濾波的電路，就可以獲得直流電壓輸出SPS功能原理SPS方框圖輸出回路主要是由電感、電容元件組成。這個最後所獲得的直流電壓，雖然可以作為電源之用，但它非常容易的受到輸出負載以及輸入電壓的改變---電壓不穩，為了解決這一缺點，我們就必須使用回授與控制電路。SPS方框圖SPS功能原理依據閉回路控制,將輸出的直流電壓反回給回授與控制電路，將輸出電壓的變化情況與固定的參考電壓做比較，在這個電路中，利用一個由OP組成的比較器,將比較出來的信號用來控制交換元件電路中的電子開關,其分成關閉和導通的時間。不斷的持續校正，即可獲得穩定的輸出電壓.在此電路中包含PWM控制電路，用來控制調整脈波寬度。SPS功能原理環保化多媒體電源節約能源微型化,可靠性SPS發展動向何謂多媒體時代的電源多媒體時代電源技術的關鍵,是要具備高可靠性.節約能源及體小量輕等三項要點.此三項要點彼此密切相關,最後取抉時,尚應兼顧成本一並評估,方屬上策.而且開發此類技術時,並非僅是電路技術,還要在使用材料,整體系統結構等方面進行深入討論.環保化:ROHS指令(RestrictionoftheuseofcertainHazardoussubstancesinelectricalandelectronicequipment)根據2003年7月實施的歐洲ELV指令(報廢汽車指令),作為指令對汽車及零部件.材料中若含有鎘(Cd).鉛(Pb).(Hg).六價鉻(Cr+6),則不可象歐洲出口.另外,同樣,在將於2006年7月實施的ROHS指令(電子電氣設備所含特定有害物質限制使用指令)中預計列入禁止用於作為指令對象的電子電氣設備的物質,除Cd.Pb.Hg.Cr+6外再增加2種溴類阻燃濟PBB(聚溴化聯苯).PBDE(聚溴化聯苯醚).針對此ROHS指令,島津制作所在ROHS/ELV指令的檢查裝置:能量散射型X射線熒光光譜儀(ED-XRF).高頻電感等離子體發射光譜儀(ICP-AES)/質譜儀何謂環保化的電源(ICP-MS).原子吸收分光光度計(AA).傅裡葉變換紅外光譜儀(FT-IR).ROHS指令規定鎘=100ppm;鉛=1000ppm;汞=1000ppm;六價鉻=1000ppm;聚溴化聯苯醚=1000ppm;聚溴化聯苯=1000ppm1,實現小型化的關鍵:(1)零件的發熱與散熱處理;(2)使用壽命(受溫度上升的影響);(3)EMC(因零件間隔狹窄所產生電磁耦合作用等的影響);(4)為諧波電流限制對策所增加的電路;欲解決上述課題,則通過以下相應對策執行,予以實現;(1)低損耗電路.低噪聲電路;(2)濾波器的小型化;(3)零件損耗的降低;(4)對應諧波電流的零件的小型化;(5)電路零件小型化;何謂微型化的電源2.節約能源自日本東京舉辦防止地球溫室化效應會議(COP3)後,地球環問題就引起重視,其中待機狀態的功耗限制作出條紋規定,美國就於1993年訂定能源星型計算機規劃(energystarcomputerprogram),日本通過省暨節約能源中心主導推動此項國際能源星型規劃,歐洲針對待機備用電力規定最為嚴格的瑞士的''E200規劃'',瑞士規定為TCO95(98).開關電源的損耗可以分為不與輸出電流成正比的固定損耗和與輸出電流成正比的線性損耗.,以及不屬於兩種情況下的非線性損耗:效率=輸出功率/(輸出功率+產損耗)=輸出功率/(輸出功率+固定損耗+線性損耗+非線性損耗).改善非線性損耗和線性損耗的效果不大,隻有從固定損耗著手.。何謂節約能源的電源-待機狀態下的損耗A.導通損耗:P(0N)=4/3*T/ton*n^2*Rd(on)I0^2T是開關周期,tON是ON時間,I0是輸出電流;n是變壓器的匝數比;B.關斷損耗:P(f)=t(f)/t(on)*n/3*V1*I(0)t(f)是下降時間;V1是關斷時的電壓.C.接通損耗:P(r)=1/3*t(r)/T*(E(in)/L*t(r))^2*Rd(on)+1/2*1/T*C(ds)*V(2)^2t(r)是上升時間;E(in)是輸入電壓;L是變壓器的一次繞組電感;V2是接通時的電壓;C(ds)是存儲主開關的寄生電容內的電荷消耗量.總結:待機狀態時應改善原來屬於固定損耗的接通損耗何謂節約能源的電源-待機狀態下的損耗考慮到非線性導通損耗與固定性的接通損耗之間,具有折中關系,以下為代表性的節能電源結構.待機狀態時可節約能源的電源結構雙電源方式所謂雙電源,就是利用兩種穩定化電源的方式.主電源是採用適合額定負載需要的開關電源.至於輔助電源,則採用適合待機負載的穩定化電源.待機時主電源暫停,僅輔助電源工作而已.近來大型集成電路(LSI),隨同多媒體及手提機種的快速進步,已同步向高功能化及高密度化邁進,為實現同步化的功能,必須有低壓化的LSI.因此向LSI內供電的DC-DC變換器的輸出電壓,相同的向低壓化轉型.不得不考慮如何使其降至1V以下.然而,應執行1V左右的電壓整流時,早期是採用與正向電壓降程度相配的二極體,但效率不高,改用開關式電路後,則難以預料.同步整流的簡介同步整流電路本身而言,並非新產品,早期當時缺乏有如目前的ON電阻較小的MOSFET,但現有的功率MOSFET的ON電阻,已小至以往難以想象的程度.目前,此類同步整流電路已使用較多的原因,在於其構成部件中性能優異的MOSFET,價格合理的緣故.同步整流的簡介典型的DC-DC變換器的損耗分析結果顯示：幾乎所有的損耗,均來自整流和轉換二極體.欲使DC-DC變換器的損耗降低,首先要降此二極體的損耗.利用MOSFET取代整流和轉換二極體時,採用同步整流電路能有效的提高變換器的效率.+5V+3.3VAuxPower+5VVsbBridgeRectifierEMIFilterPWMcontroller+12V-12VD401D405D402Q2L2C1C2CurrentDesignApproachEPAProposalforDesktopPS200WEPAProposalforDesktopPS200W--400W400WPage2-12V+5VL2+12V+3.3VBridgeRectifierEMIFilterPWMcontrollerL301On-SemiNCP4330Q401,Q402Q405,Q406Q407,Q408Q2aQ2bL40Q1PFCcontrollerNewDesignApproachtoMeetEPA-ActiveClampForwardEPAProposalforDesktopPS200WEPAProposalforDesktopPS200W--400W400WAuxPower+5VVsbPage3Thankyou!