基于有源功率因數(shù)校正的計算機(jī)開關(guān)電源設(shè)計

趙 勝

(河北北方學(xué)院，河北張家口075000)

計算機(jī)作為一種現(xiàn)代社會不可缺少的電子設(shè)備，它的使用已經(jīng)深入到千家萬戶。人們在使用計算機(jī)時，往往更為關(guān)注的是CPU的使用效率、內(nèi)存的大小、顯卡及硬盤的性能等因素，很少有人在意計算機(jī)電源的工作狀況是否令人滿意。其實，如果說CPU等元件是計算機(jī)的大腦和軀體的話，那么，計算機(jī)電源恰恰是他們的心臟，功能是為計算機(jī)的各個部分提供相應(yīng)的“動力”資源。因此，計算機(jī)電源工作的穩(wěn)定性直接關(guān)系到計算機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，所以了解計算機(jī)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉電源的工作原理，才能更好地維護(hù)計算機(jī)電源，從而從根本上保障計算機(jī)設(shè)備長時間穩(wěn)定地工作。

1 計算機(jī)電源的發(fā)展歷程及工作原理

電源是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，對于計算機(jī)來說，電源將市電的220 V電壓轉(zhuǎn)換為計算機(jī)所需要的各種低電壓強(qiáng)電流的直流電，以供計算機(jī)各部分進(jìn)行使用。對于計算機(jī)電源來說，它的工作過程分為兩步：第一步是市電220 V經(jīng)過全橋整流轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷旱拿}沖直流電，再經(jīng)過電容濾波以后成為高壓直流電；第二步是把從次級線圈的高頻低壓交流電通過整流濾波轉(zhuǎn)換為能為電腦工作的低電壓強(qiáng)電流的直流電。因此，目前計算機(jī)電源主要由高壓整流濾波電路、開關(guān)電源、低壓整流濾波電路等主要部分組成。

構(gòu)成計算機(jī)電源的主要組成部分是開關(guān)電源，開關(guān)電源效率高、成本低，因此在各個領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。但是開關(guān)電源由于輸入阻抗呈容性，網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差，網(wǎng)側(cè)輸入電流嚴(yán)重非正弦，并呈尖脈沖狀，并包含了大量的諧波，致使系統(tǒng)功率因素下降，影響系統(tǒng)的工作和使用，還會給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染。

1983年，IBM公司推出了個人的PC/XT計算機(jī)電源的標(biāo)準(zhǔn)，接著又推出了PC/AT機(jī)。因此，AT電源應(yīng)運(yùn)而生，可以支持+5.0，+12，-5，-12 V電壓，能提供的最高功率為192 W，這種結(jié)構(gòu)目前已不適應(yīng)于PC機(jī)的發(fā)展而遭到了淘汰。

其后發(fā)展的是ATX電源，ATX電源與AT電源的主要區(qū)別為：(1)待機(jī)狀態(tài)不同。ATX電源增加了輔助電源電路，只要220 V市電輸入，無論是否開機(jī)，始終輸出一組+5 V SB待機(jī)電壓，供PC機(jī)主板電源監(jiān)控單元、網(wǎng)絡(luò)通信接口、系統(tǒng)時鐘芯片等使用，為ATX電源啟動作準(zhǔn)備。(2)電源啟動方式不同。AT電源采用交流電源開關(guān)直接控制電源的通斷，ATX電源則采用點動式電源啟閉按鈕，實質(zhì)是用PS-ON直流控制信號啟動/關(guān)閉電源。具有鍵盤開/關(guān)機(jī)、定時開/關(guān)機(jī)、Modem喚醒遠(yuǎn)程開/關(guān)機(jī)、軟件關(guān)機(jī)等控制功能。(3)輸出電壓不同。AT電源共有四路輸出(±5、±12 V)，另向主板提供一個PG電源準(zhǔn)備就緒的信號。ATX電源PW-0K信號與PG信號功能相同，還增加了+3.3、+5 V SB供電輸出和PS-ON電源啟閉控制信號，其中+3.3 V向CPU、PCI總線供電。各檔電壓的輸出電流值大約如下：+5、+12、－5、－12、+3.3、+5 V SB；21、6、0.3、0.8、14、0.8 A。(4)主板綜合供電插頭接口不同。AT電源的6芯P8和P9電源插頭，在ATX結(jié)構(gòu)中被20芯雙列直排插頭所替代，具有可靠的防插反裝置。對于Pentium 4機(jī)型的ATX電源，除大4芯(D形)和小4芯電源接口插頭外，還增加4芯12 V CPU專用電源插頭及6芯+3.3、+5 V電源增強(qiáng)型插頭。

ATX開關(guān)電源由交流輸入整流濾波電路、輔助電源電路、脈寬調(diào)制控制電路、半橋功率變換電路、PS-ON和PW-OK產(chǎn)生電路、自動穩(wěn)壓與保護(hù)控制電路、多路直流穩(wěn)壓輸出電路等組成。計算機(jī)電源大多采用他激雙管半橋定頻調(diào)寬式開關(guān)電源，其利用以兩種類型的專用控制芯片為中心來構(gòu)成PWM發(fā)生器。一類是電壓型脈寬調(diào)制芯片，如TL494、SG3534、SG3525、TDA1060、SG6105等；另一類是電流型脈寬控制芯片，如UC3842、UC3843、TDA8130等。這兩類功率開關(guān)，無論是哪一種，相應(yīng)的晶體管在開關(guān)狀態(tài)工作時，它產(chǎn)生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會嚴(yán)重影響整機(jī)的正常工作。因此，對ATX開關(guān)電源進(jìn)行有效地諧波治理和功率因數(shù)的校正，才能保證計算機(jī)系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

2 功率因數(shù)校正原理及相關(guān)校正電路

目前，由于計算機(jī)電源應(yīng)用了開關(guān)電源，所以它電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)僅為0.6左右。為了提高計算機(jī)電源的運(yùn)行效率，提高電源的功率因數(shù)已經(jīng)成為電源研制的當(dāng)務(wù)之急。而采取一定的方式對計算機(jī)電源進(jìn)行功率因數(shù)校正后，可提高至0.95~0.99，這樣既可以治理電網(wǎng)的諧波污染，又可以提高開關(guān)電源的整體效率。

功率因數(shù)(PF)是指交流輸入有功功率(P)與輸入視在功率(S)的比值。要想實現(xiàn)功率因數(shù)的校正，一般使用兩個途徑：第一是使輸入電壓和輸入電流同相位；第二是使輸入電流正弦化。所以，功率因數(shù)校正PFC，從實現(xiàn)方法上來講，就是使電網(wǎng)輸入電流波形完全跟隨電網(wǎng)輸入電壓波形，便得輸入電流波形為正弦波，且和輸入電壓同相位。

功率因數(shù)校正技術(shù)大致可以分為無源和有源兩種。無源濾波主要由電容器和電感器用串聯(lián)或并聯(lián)來組成，主要用來濾除固定頻率的諧波，它具有價格低廉及適應(yīng)范圍廣的優(yōu)點，但是它的缺點是體積大，對于復(fù)雜的諧波無法有效地濾除，嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致諧振，會破壞系統(tǒng)的應(yīng)用。有源功率因數(shù)校正主要是在整流濾波和DC/DC功率級之間串入一個有源PFC作為前置級，用于提高功率因數(shù)和實現(xiàn)DC/DC級輸入的預(yù)穩(wěn)。有源濾波器體積小，質(zhì)量輕，輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而具有良好的隔離性能，各級之間均無匹配要求，同時能有效地過濾各次諧波，是目前諧波冶理的主要方式。本文采取的就是有源濾波的方法來治理計算機(jī)電源中的諧波和電磁干擾。

3 有源因數(shù)校正方法在計算機(jī)電源中的應(yīng)用

功率因數(shù)校正技術(shù)的目的從本質(zhì)上來講是要使用電設(shè)備的輸入端口針對交流電網(wǎng)呈現(xiàn)“純阻性”，使輸入電流與輸入電壓始終成正比。要用APFC技術(shù)來實現(xiàn)這一目的，原則上都必須用電感和電容組成一定的LC拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時利用功率開關(guān)管的開啟和關(guān)斷特性，使LC網(wǎng)絡(luò)在不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間來回變化——即功率開關(guān)管在開啟時LC網(wǎng)絡(luò)為一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而功率開關(guān)管在關(guān)斷時LC網(wǎng)絡(luò)為另外一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這樣，當(dāng)LC網(wǎng)絡(luò)在不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間來回變化時，一方面可以實現(xiàn)能量的傳輸(DC-DC轉(zhuǎn)換)，另一方面可以實現(xiàn)對輸入電流的控制(使輸入電流與輸入電壓始終成正比)，以實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的[1]。

有源功率因數(shù)校正技術(shù)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分為很多種，如果按電網(wǎng)供電的方式，可以分為單相及三相的APFC電路；如果按照主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分，可分為降壓型(BUCK)、升壓型(BOOST)、升降壓型(BUCK-BOOST)等；按軟開關(guān)特性劃分，可分為零電流開關(guān)(ZCS)和零電壓開關(guān)(ZVS)APFC技術(shù)；如果按控制方法劃分，可以分為PWM控制、PFM控制、單環(huán)電壓反饋控制、雙環(huán)電流模式控制、單周期控制等。

為了提高電路控制的精確性，并針對于計算機(jī)工作電壓較小，直流電多等特征，本文采取基于DSP的并聯(lián)有源電力濾波器來進(jìn)行諧波的治理。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

系統(tǒng)主要包括四個部分，分別為諧波電流檢測電路、有源電力濾波器主電路、諧波電流檢測電路、補(bǔ)償電流控制電路和驅(qū)動保護(hù)電路。系統(tǒng)采集計算機(jī)上的電流進(jìn)行檢測，將檢測到的計算機(jī)上電流ib1、ib2、ib3，送入DSP中進(jìn)行指令電流計算，采用基于瞬時無功功率的ip-iq實時檢測算法，從而得出補(bǔ)償電流的大小。此時將有源電力濾波器主電路的電流ic1、ic2、ic3檢測出后也送入DSP中，將其與DSP計算出來的補(bǔ)償指令電流進(jìn)行對比，從而得到驅(qū)動信號PWM信號。把PWM信號傳入驅(qū)動電路，經(jīng)過調(diào)整后進(jìn)入到有源電力濾波器的主電路開始驅(qū)動開關(guān)管工作，將補(bǔ)償?shù)碾娏髯⒒仉娋W(wǎng)，從而完成消除諧波和補(bǔ)償無功功率。

4 結(jié)語

隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源在電子行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。所以，高性能的開關(guān)電源自然成為電源領(lǐng)域研究的熱點。

本文在廣泛了解計算機(jī)當(dāng)中開關(guān)電源的相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，深入研究了計算機(jī)電源的基本原理及相關(guān)技術(shù)，重點分析了計算機(jī)電源功率因數(shù)校正技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上利用有源濾波器構(gòu)造出了基于DSP的因數(shù)校正電路。該電路能夠有效地根據(jù)實際計算機(jī)電源的運(yùn)行狀況產(chǎn)生補(bǔ)償電流，對消除諧波和補(bǔ)償無功功率能起到重要的作用。

[1]吳磊.基于有源功率因數(shù)校正與軟開關(guān)技術(shù)的開關(guān)電源的設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011：16-19.

[2]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M]．北京：中國電力出版社，2006:41-47.

[3]陳小勇.基于DSP的并聯(lián)有源電力濾波器的研究[D]．南京：南京理工大學(xué)，2008：54-58.