ATX电源的设计

1、毕业设计毕业设计( (论文论文) )题 目atx 电源的设计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 题目题目atx 电源的设计摘摘要要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

2、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, s

3、fx, ps3, wtx, tfx, lfx, cfx, eps。这些类型有着不同的结构、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。关关键键词词：at atx 稳压电源 主流 可靠性titletitledesigns of atx computer power supplya ab bs st tr ra ac ct tth

4、e principles of atx computer power supply are analyzed during the practice. 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 designin

5、g atx computer power supply in laboratory, with comparison between them. 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 flyb

6、ack type switch power supply and the pushpull type switch power supply . 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 abou

7、t a dozen different pc types (such as at, baby at, lpx, atx, btx, sfx, ps3, 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. t

8、he most important benefit of atx computer power supply is that they provide a more safety circumstance for computer and motherboard ，and now atx computer power supply is the most popular one among normal computer.k ke ey yw wo or rd ds s：at atx power supply most popular security目目 录录引引 言言.11 前言前言.21

9、.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 电源的概述电源的概述 .72.1 axt 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20

10、3.6 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.244.4.3 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线性稳压电源的设计.315.1 主要技术指标及设计思路：3

11、15.2 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结结 论论.37致致 谢谢.38参考文献参考文献.39引引 言言1 前前言言1.1 课课题题研研究究背背景景早期 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，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

12、。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

13、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。at

14、x 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 pci 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

15、 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 课课题题研研究究的的意意义义和和目目的的随着电子技术的迅猛发

16、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：

17、对 +5v、+3.3v 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

18、流 2200v 时，不击穿或拉电弧即为合格。漏电流 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

19、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

20、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，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 可可行行性性研研究究该阶段通过对 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 操操作作可可行行性性技术可行性要考虑现有的技术条件

21、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，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 经经济济可可行行性性设计 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

22、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 技技术术可可行行性性本次的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

23、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 multisim 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 本本章章小小结结本章主要介绍了 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 电电源源的的概概述述计算机属于弱电产品，也就

24、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

25、。2.1 axt 电电源源的的历历史史与与发发展展2.1.1 atx 电电源源的的历历史史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、+12v、-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

26、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 开开关关电电源源的的发发展展与与分分类类随着 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 输出电压成为必须。+5v standby 也叫辅助 +5v，只要插上 220v 交流电它就有电压输出。 ps-on 信号是主板向电源提供的电平信号，低电平时电源起动，高电平时电源关闭。利用+5v sb 和 pson 信号，就可以实现软件开关机器、

27、键盘开机、网络唤醒等功能。辅助 5v 始终是工作的，有些 atx 电源在输出插座的下面加了一个开关，可切断交流电源输入，彻底关机 。如今的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。2.1.3 atx 电电源源的的工工作作原原理理atx 电源是标准的开关稳压电源（ switch voltage regulator），同传统的线性稳压电路（ linear voltage regulator）相比，它具有体积小、重量轻，功耗小、转换效率高等优点，但也有其缺点，那就是电路比较复杂，电源输出的纹波系数也较大，对周围电路的

28、干扰也比较强。 开关稳压电源的基本原理示意图如图：图 2-1 开关稳压电源基本原理框图主要包括输入电网滤波电路、输入整流滤波电路、主变换电路、整流滤波输出电路、控制电路、保护电路、辅助电源等。输入电网滤波电路是电源中的抗干扰电路，它具有两层意思：一是指微机电源对通过电网进入的干扰信号的抑制能力：二是指开关电源的振荡高次谐波进入电网对其它设备及显示器的干扰和对微机本身的干扰。通常要求微机对通过电网进入的干扰信号抑制能力要强，通过电网对其它微机等设备的干扰要小。输入整流滤波电路将交流电源进行整流滤波，为主变换电路提供纹波较小的直流电压。主变换电路是开关电源的主要部分，它把直流电压变换成高频交流电压

29、，并且起着将输出部分与输入电网隔离的作用。输出整流滤波电路将变换器输出的高频交流电压进行整流滤波，得到需要的直流电压，同时防止高频噪声对负载的干扰。控制电路检测输出直流电压，与基准电压比较，进行放大，控制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。当开关电源发生过电压、过电流后，保护电路启动，使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。2.2 开开关关电电源源的的主主要要技技术术指指标标部分设计者认为电源有输出或在装机使用时没有什么毛病就行了，其实这是对电源误解。有输出及能使用，只是对电源最基本的要求；还有的用户认为电源的功率越大越好，购电源时专挑标称功率大的买，这也是一种误解。正确评价

30、一个电源的好坏，应该依据它的各项技术参数及指标。1、安全标准：主要是以保障产品的安全性能为出发点，在元件、材料的绝缘、阻燃等方面作出的严格的规定，以防止电击、着火、机械危险、化学危险、热危险等造成的人身伤害和财产损失。通常来说，符合安全标准并不代表该产品电器性能的好坏，但因安全规格的申请时间较长，又有严格的限制和要求，所需费用颇多，因而那些实力较弱的厂家不能通过安全认证。如我国的ccee 认证，不仅要求送检产品本身符合ccee 的标准，同时要求工厂有相对完善（接近 iso9002）的品质体系，以保证大批量生产时，每一个产品都符合ccee 的要求，同时还要接受 ccee 机构定期或不定期的监督和

31、检查。基于这些原因，在申请安全认证时，厂家都会考虑产品本身的完善性和实用性，因为安全认证申请之后，不得随意作任何变更、替代或修改。故相对来说，符合安全规格的产品的起点较非安全规格的产品高出很多。图2 为电源上常见的各种安全标志。2、电源的功率：必须要满足整机的需要，并且要有一定的功率余量。常听人说电源的功率越大越好，至少要求250w。其实经过实测，一台带 moden卡、网卡、声卡、光驱、硬盘的p多媒体主机实际功率不足 100w，而 intel新推出的 micro-atx 标准则只有 145w。国内几乎所有的品牌机都是用的正儿八经的 200w 电源，而 micro-atx 机型用的是 145w

32、甚至 90w 的电源。那么为什么市场上买来的电源会出现功率不足的现象呢？那是一些小厂为了迎合用户口味，将电源标称功率使劲地往大里标，同时又在元件选用方面偷工减料，导致电源的实际功率相当有限。所以说不能盲目地追求功率，关键在于性能和质量。对于普通用户， 200w 的电源绰绰有余了。3、电磁传导干扰（ emi）：不仅仅是电源，任何一个合格的电器产品，都要对电磁传导干扰作一定的处理。它包含两个方面的内容，一是防止外部电磁干扰的侵入，以免影响自身的正常工作；二是保证产品本身产生的电磁干扰不外泄电网及周围环境，影响其它电子产品的正常工作。我们在日常使用中，象显示器产生雪花、滚动、显示不稳定；或在电脑开机

33、后，附近其它的电器，如电视机、音响等不能正常使用，则很可能是因为电磁干扰而产生的影响。此外，电磁干扰对人体健康也会带来不利的影响。国家将电磁传导干扰分为a 级、b 级。a 级是工业标准，相对要求宽松一些； b 级为为用标准，也是目前的最高标准。4、关机时间（ pf）pf（power fail）：是指电脑关机后（即关断外部交流供电后），电源其本身储存的电能延续供电的时间。电脑关机后，要求立即给 cpu 一个 pf 信号并延续供电一定的时间， cpu 接到 pf 信号，马上将相关的数据记录下来，以保证下次开机时能正常启动。这是我们感觉不到的瞬间动作。如果 pf 时间不够，就会使 cpu 不能完整的

34、记录相关的数据，而导致下次开机时电脑出现故障或出现数据丢失等现象。5、电源正常时间（ p.g ）：”p.g 即电源上的 power good 或 p.ok 信号，是电脑开机后，电源工作正常后向cpu 发出的一个信号， cpu 只有在接到 p.g 信号后，才开始启动整个电脑系统的工作。为了保证相互间的衔接，cpu 厂商在推出 cpu 时就作出了规定，当电源接通之后，如果输入交流电压在额定工作范围之内，且各路直流输出电压也已达到它们的最低检测电平（如+5v 输出在 4.75v 以上），那么经过 100ms500ms 的延时， p.g 电路发出“电源正常 ”的信号（ power good 或 p.o

35、k 为高电平）；当电源输入交流电压降至安全工作范围以下或 +5v 下降至 4.75v 时，电源送出 “电源故障 ”信号（power fall，低电平）。 power fall 应在+5v 下降至 4.75v 之前至少 1ms 降为小于 0.3v 的低电平，且下降沿的波形应陡峭，无自激振荡现象发生。 p.g 信号要求： p.g 信号延时 100mst11ms+5v 上升时间 2mst320msp.g 上升 t40.8a,uce(v2)12v,pv210w。限流保护电路中的电阻 r7 的选择应确保输出电流较小时v2 工作于饱和状态，uce(v2)很小。当输出的电流增大至1.4v 时，d2，d3，导

36、通分流，v2 退出饱和状态， uce(v2)增大，实际加在负载两端的电压减小，从而限制了输出电流。设 uce(v2)以及二极管导通电压均为 0.7v，则允许的最大输出电流为：io(max)=0.7/r8io(max)为 0.6 至 0.8a，求的 r8 约为 1。但由于三机关工作点的变化，要根据情况调整 r8 的阻值，最终确定 r8 约为 0.5。三极管工作于饱和状态的条件为：ibic(max)/（max）已知 2n3019 的 （max）约为 15，ic(max)=0.8a，得到所学的 ib 为54ma。下图为限流电路的原理图以及总体电路原理图：图 5-4 限流保护电路原理图图 5-5 线性

37、稳压电源工作原理图结结 论论此次的毕业设计简单介绍了一些常见的电子元件，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，反转式开关电源等的设计方法。完成了线性直流稳压电源的设计和采用半桥电路的开关稳压电源的设计。以下为此次毕设的结论：1、将两种方式进行对比，我们可以发现：二者输出的电压稳定性都比较高，线性稳压电源的输出电压略高于开关电源。但是开关电源输出电流的功率更大，工作频率更高，与同等容量的稳压电源相比，开关电源所需的滤波器容量更小。2、在几个月的时间力，学习了绘制电路图的方法，从尝试protel99se 到最终选择使用 multisim11.0，通过书籍以及网络学习视频终于靠自己的能力完成了全部的电路图。3、通过此次的毕业设计，确实学习到许多在课堂里没有学习到的知识，更确切的说，是自学能力以及动手实践能力，这使我受益匪浅。相信这些锻炼能够让我在今后的学习和工作过程中更得心应手。4、在实践的同时，学会高效率的查阅和筛选资料是这次毕业设计的另一个重要收货。由于所选课