ATX电源的设计.doc
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1、毕业设计(论文)题 目ATX电源的设计学生姓名 学 号 所在系(院)计算机科学与技术专业名称计算机科学与技术年 级 指导教师 职 称 题目ATX电源的设计摘要ATX电源 为AT external的缩写。本文通过描叙ATX电源的设计和实际操作的过程,分析了ATX电源的工作原理和介绍其设计方法。文中主要介绍了ATX电源的是如何工作,并且如何成功的设计一个ATX电源。首先,文章介绍了一个在普通环境下只具备简单功能的ATX电源,并列举了它的组成原件和构造方法。值得注意的是,通过介绍输出整流滤波电路和各种电源元件,文中列举了多种不同的设计方法,他们的设计方法和特点,并在实验室进行操作并将他们进行对比。多
2、种开关电源的设计方法在此有着简单的介绍,例如反激式开关电源单和推拉式开关电源。最后,在分析实验数据和效率的基础上,分析评价各方案的实用性和可靠性。随着计算机科学与技术的发展和普及,计算机在人们的生活中的角色变得越来越重要。人们对于计算机能力的要求不断提高,而一台能力强大并且工作稳定的电源,是必不可少的。 由于大多数电子设备需要稳定的低压直流电,全球交流电范围按需求从90伏特到240伏特不等,这就是为什么所有的电子设备需要某种形式的电压转换。目前市场上的电源种类很多:AT, Baby AT, LPX, ATX, BTX, SFX, PS3, WTX, TFX, LFX, CFX, EPS。这些类
3、型有着不同的结构、构成因素、连接器和放大器。在输出范围内可以在任何地方调节,从现代计算机PSU 185 W到几千瓦。在1995年, Intel公司为了强化其主板和建立电源结构标准而开发出ATX电源标准。ATX电源最大的优点在于,它可以为计算机和主板提供一个安全的工作环境,目前主流PC机一般都采用ATX型电源。关键词:AT ATX 稳压电源 主流 可靠性TitleDESIGNS OF ATX COMPUTER POWER SUPPLYAbstractThe principles of ATX computer power supply are analyzed during the practi
4、ce. The objective is to study how ATX computer power supply works and how to design it. A ATX computer power supply with a single junction which designed for an ordinary situation. Two different approaches are taken for designing ATX computer power supply in laboratory, with comparison between them.
5、 In addition, various methods are included with simple instructions, by introduce various circuit component and Rectification Filter Circuit .Plenty of switching power supply design is recommended simply, such as the single flyback type switch power supply and the pushpull type switch power supply .
6、 Results are presented with a discussion on the suitability of the various power supply approaches, based on the measures of effectiveness calculated from the simulations.Since the introduction of IBM PC/XT, there have been about a dozen different PC types (such as AT, Baby AT, LPX, ATX, BTX, SFX, P
7、S3, WTX, TFX, LFX, CFX, EPS). These types differ by their structure, form factors, connectors and volt/amp ratings.As we know,ATX standard was published by Intel company for the main board and power structure standard in 1995. The most important benefit of ATX computer power supply is that they prov
8、ide a more safety circumstance for computer and motherboard ,and now ATX computer power supply is the most popular one among normal computer.Keywords:AT ATX Power supply Most popular Security目 录引 言11 前言21.1 课题研究背景21.2 课题研究的意义和目的31.3 可行性研究51.3.1 操作可行性51.3.2 经济可行性51.3.3 技术可行性51.4 本章小结62 ATX电源的概述72.1 A
9、XT电源的历史与发展72.1.1 ATX电源的历史72.1.2 开关电源的发展与分类72.1.3 ATX电源的工作原理82.2 开关电源的主要技术指标92.3 本章小结113 常见开关电源的介绍123.1 单端正激式开关电源123.2 单端反击式开关电源143.3 推挽式开关电源173.4 升压型开关稳压电源193.5 降压型开关稳压电源工作原理图203.6 自激式开关稳压电源204 采用半桥电路的开关电源的设计224.1 主要技术指标224.2 整流滤波电路与EMI滤波电路的设计234.3 半桥式功率变换器244.4 功率变压器的设计244.4.1 工作频率的设定244.4.2 选购磁芯24
10、4.4.3 原副边绕组的匝数254.4.4 辅助电源的设计254.4.5 选定导线线径254.5 辅助电源的设计264.6 过流保护电路的设计274.7 驱动电路的设计274.8 风扇控制电路的设计284.9 PWM控制电路285 线性稳压电源的设计315.1 主要技术指标及设计思路:315.2 稳压电源的性能指标及测试方法315.3 变压部分设计325.4 整流、滤波电路的设计335.5 稳压电路的设计335.6 限流电路以及整体原理图的设计34结 论37致 谢38参考文献39引 言1 前言1.1 课题研究背景早期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150250W,
11、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公司在1997年推出了流行的ATX201电源标准。与AT电源相比,ATX电源增加了“+3.3V、+5VSB、PS-ON”三个输出.其中“+3.3V”输出主要是供CPU用,而“+5VSB”、“PS-ON”输出则体现了ATX电源的特点.其中,33V电源给使用低电压的CPU供电,大大降低了主板电路的功耗。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
12、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。ATX电源最主要的特点就是,它不采用传统的市电开关来控制电源是否工作,而是采用“+5VSB、PS-ON”(即5V电源也称辅助电源)的组合来实现电源的开启和关闭,只要控制“PS-ON”信号电平的变化,就能控制电源的开启和关闭.“PS-ON”小于1V伏时开启电源,大于4.5伏时关闭电源.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。由于取消了市电开
13、关,所以只要接上电源线,在变换电路上就会有+300V直流电压,同时辅助电源也向TL494提供电压,为启动电源作好准备。ATX电源的特点就是利用TL494芯片4脚的死驱控制功能,当该脚电压为+5V时,TL494的9、11脚无输出脉冲,使两个开关管都截止,电源就处于待机状态,无电压输出;而当4脚为0V时,TL494就有触发脉冲提供给开关管,电源进入正常工作状态.市场主流ATX电源的特点 :软电源控制STAND BY,可通过软件开、关机,也可直接通过Windows操作系统实现网络的电源管理,对网络计算机进行远程唤醒操作。传统电源只提供 5V、12V的电压,但ATX电源为了适应更多、更新的 CPU及P
14、CI总线技术,提供了 3.3V直流稳压输出, 减少了电源能量消耗。ATX电源风扇在风冷自身的同时,也帮助CPU吹风。ATX电源接口采用20脚的双排长方形插座,使拔插操作不易出错。具有+5VSB脚,只要ATX电源一上电+5VSB脚便可输出高质量的+5V电压,最大约100mA的电流。它主要供电脑内部一部分电路在关机状态下所保持工作芯片使用,完成电脑唤醒功能。增加PS-ON 电脑主板控制ATX电源开关的控制端,当PS-ON为低电压,小于1V时,ATX电源被激活。输出+5V、+12V、-12V、-5V等,大于4.5V时,停止对电源供电(除+5VSB外)。1.2 课题研究的意义和目的随着电子技术的迅猛发
15、展,人们对电子设备的需求与日俱增,在各方面又对电子设备不断提出新的要求。在性能上,需要更加安全可靠;在功能上,需要更加方便实用;在体积上,需要更加便携。而作为电子设备的心脏电源,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性。于是具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等众多优点的开关电源,在当今和未来电子设备中的地位就显得越来越重要。自主设计一款ATX电源既可以在研究过程中学习知识,也可以为ATX电源的发展做出一份贡献,因此,此课题的意义深远。设计ATX电源的主要指标为以下3点:安全系数高:通过针对电源的元件、材料的绝缘性而作出的改善,使得计算机运行时更加安全。输出电压稳定性好:对+5V、+3
16、.3V和+12V电压的误差率低于5%,对-5V和-12V电压的误差率在10%以下。输出电压稳定,纹波系数小,降低导致系统故障和硬件损坏的几率。可靠性:衡量一台设备可靠性的指标,一般考虑误差率,和输出稳定性,ATX电源的特点为特点:稳定性强,误差小。而在设计过程中主要需要客服以下4个难点:爬电距离爬电距离指沿绝缘表面测得的两个导电器件之间或导电器件与设备界面之间的最短距离。UL、CSA和VDE安全标准强调了爬电距离的安全要求,这是为了防止器件间或器件和地之间打火从而威胁到人身安全。抗电强度在交流输入线之间或交流输入与机壳之间由零电压加到交流1500V或直流2200V时,不击穿或拉电弧即为合格。漏
17、电流UL和CSA均要求暴露的、不带电的金属部分均应与大地相接。漏电流的测量是通过在这些部分与大地之间接一个1.5千欧的电阻,测其漏电流。开关电源的漏电流,在260V交流输入下,不应超过3.5mA。温度安全标准对电器的温度要求很重视,同时要求材料有阻燃性。对开关电源来说,内部温升不应超过65,如果环境温度是25,电源的元器件的温度应小于90。本课题重点在于分析各种电路元件,整流滤波电路,采用半桥电路的开关电源,单端反激式开关电源,单端正激式开关电源,自激式开关稳压电源,推挽式开关电源,降压式开关电源,升压式开关电源,反转式开关电源等方法设计。另外,分析了可调式稳压电源电路以及在其制作过程中存在的
18、问题,并把两个方案做了比较。两方案较全面的介绍和分析了ATX开关稳压电源的结构基本方法、技术要求、图表要求以及工作需求等,重点在于分析了ATX开关稳压电源的结构基本方法、技术要求、图表要求以及工作需求。 方案一:是一种采用半桥电路的开关电源,其输入电压为交流220V20%,输出电压为直流416V,最大电流40A,工作频率50kHz。220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后,得到约300V的直流电压加到半桥变换器上,用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS管,通过功率变换器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压,经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。方案二:输出为012V连续可调
19、,调节输出电压是通过调节1千欧电位器改变放大三极管BG3:3AX31来实现,如果输出端短路或过荷,则输入端串联的取样电阻R5:1欧压降剧升,电路中的保护G4:3AX31C则开始工作,使调整系统全部饱和,从而使输出电流被限制在0.60.8安培左右。1.3 可行性研究该阶段通过对ATX电源的初步了解和对各种开关电源的学习,查阅相关资料,提出可行性方案并进行论证。在这里主要从技术可行性、经济可行性和操作可行性等三个方面进行分析。1.3.1 操作可行性技术可行性要考虑现有的技术条件是否能够顺利完成开发工作,软硬件配置是否满足开发的需求等。Multisim11.0是本次课题设计用来绘制电路图的主要软件,
20、调试和操作比较简单,并且容易上手。当前的计算机硬件配置也完全能满足开发的需求。硬件方面:由于目前ATX电源的发展已然相对成熟,故各种元器件的兼容性,实用性和安全性都可以得到保证,它们速度快、容量大、可靠性能高、价格低,完全能满足系统的需求。因此在技术上是绝对可行的。1.3.2 经济可行性设计ATX电源所需的相关资料,可以根据导师所给的参考书籍,在网络中收集资料或者在图书馆查阅相关课题的报告期刊。所需的其他应用软件网上有资源可以下载、元器件也比较容易在中关村收购,和ATX电源相关的元器件的运用也比较普及,开发成本比较低廉。因此,从经济的角度来看,该设计方案可行度较高。1.3.3 技术可行性本次的
21、课题设计主要采用的是Mutisim11.0绘图仿真软件,在Windows 7 旗舰版的系统下能够完全兼容,能够绘制各种开关电源的电路框图,电路原理图,以及将其进行仿真。Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力 可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容,这样绘图者无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。通过M
22、ultisim和虚拟仪器技术,PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。综上所述,本软件的开发从技术上、从经济上、从操作上都是完全可行的。1.4 本章小结本章主要介绍了ATX电源的设计与实现课题的研究背景及目的和意义,从技术、经济和操作三个方面分析了本次毕业设计开发的可行性。2 ATX电源的概述计算机属于弱电产品,也就是说部件的工作电压比较低,一般在正负12伏以内,并且是直流电。而普通的市电为220伏(有些国家为110伏)交流电,不能直接在计算机部件上使用。因此计算机和很多家电一样需要一个电源部分,负责将普通市电转换为计算机
23、可以使用的电压,一般安装在计算机内部。计算机的核心部件工作电压非常低,并且由于计算机工作频率非常高,因此对电源的要求比较高。目前计算机的电源为开关电路,将普通交流电转为直流电,再通过斩波控制电压,将不同的电压分别输出给主板、硬盘、光驱等计算机部件。在ATX电源未出现之前,从286到586计算机由AT电源一统江湖。随着ATX电源的普及,AT电源如今渐渐淡出市场。2.1 AXT电源的历史与发展2.1.1 ATX电源的历史AT电源供应器主要应用在早期的主板上(如AT主板和Baby AT主板),如今,AT电源供应器已被淘汰。AT电源供应器功率一般为150W220W,共有四路输出(+5V、-5V、+12
24、V、-12V),另向主板提供一个P.G.信号。AT电源供应器的体积是150mm140mm86mm 。ATX电源广泛应用于电脑中,与AT电源相比,它更符合绿色电脑的节能标准,它对应的主板是ATX主板。 Intel l997年2月推出ATX 2.01标准。 ATX电源的特点 与AT电源相比,ATX电源增加了“3.3V、5VSB、PSON”三个输出。其中“3.3V”输出主要是供CPU用,而“5VSB”、“PSON”输出则体现了ATX电源的特点。2.1.2 开关电源的发展与分类随着CPU工作频率的不断提高,为了降低CPU的功耗以减少发热量,需要降低芯片的工作电压,所以,由电源直接提供3.3V输出电压成
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