ATX電源適配器與開關電源適配器的關系

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ATX電源適配器與開關電源適配器的關系

ATX電源適配器是一種開關電源適配器（與開關電源適配器對應的是線性電源適配器）。顯然，ATX電源適配器只是眾多開關電源適配器中很小的一個子類——它專門被設計為為臺式計算機主板供電。在現代社會中，開關電源適配器被廣泛使用（它包括但不僅限于ATX電源適配器）。事實上，無論是在現代辦公設備，還是在家用設備中，開關電源適配器都無處不在。
作為線性電源適配器的替代者，開關電源適配器擁有許多線性電源適配器無法比擬的優點。工作在（磁芯）截止區與飽和區之間的高頻開關變壓器具有低能耗的特點，這直接減輕了電源適配器自身的散熱壓力，其體積也可小型化。

開關電源適配器有4種結構（拓撲），如圖所示。

ATX電源適配器為一種開關電源適配器，其中的“開關電源適配器”主要有兩層含義。

第一層含義指它是一種由開關控制輸出的電源適配器，PSON就是ATX電源適配器的開關。對比來說，的確有這樣的電源適配器，其輸出是不經開關控制的。這樣的電源適配器既沒有如臺燈開關一樣的機械開關，也沒有如ATX電源適配器PSON一樣的邏輯電平開關，只要將電源適配器接入交流市電220V，就能夠在其輸出一側得到正常的目標電壓，例如，手機充電器、電動車充電器、LCD液晶顯示器內部電源適配器板逆變器一體板上的低壓電源適配器。
第二層含義指它屬于電源適配器分類中的開關電源適配器子類。這揭示了ATX在AC/DC的換能過程的根本電學原理，是較為科學的命名。在較典型的由TL494＋LM339為核心的ATX電源適配器中，其輔助電源適配器部分屬于反激拓撲，其主電源適配器部分屬于半橋拓撲。反激拓撲開關電源適配器的輸出功率在0～150W之間。正激拓撲開關電源適配器的輸出功率在50～500W之間。半橋拓撲開關電源適配器的輸出功率在100～1000W之間。全橋拓撲開關電源適配器的輸出功率在500W以上。
ATX電源適配器作為開關電源適配器，其根本功能是完成AC/DC的電能轉換。
交流市電220V首先經過交流輸入及整流濾波電路轉變為直流電能（整流后得到310V直流電壓），這個直流電的電壓會在開關管的控制下以脈沖直流電流的形式間斷而又連續地流經開關變壓器的初級繞組。
在脈沖直流電流流經開關變壓器的初級繞組的過程中，開關管處于打開狀態。這個過程就是交流市電220V的電能轉化為磁場能并儲存在開關變壓器磁芯中的過程（磁芯充能）。接下來，開關變壓器還應該通過其次級線圈，將磁芯中的磁場能傳遞出去（磁芯釋放電能），經低壓側整流、濾波儲能等過程后，后面輸出到ATX電源適配器的輸出端子。
在整個能量轉換的過程中，開關管的導通時間有一個上限，它并不會（也不能）無限制導通（更不用說始終處于短路的極限情況），其理由是顯而易見的。對于開關變壓器的磁芯而言，在開關管導通后，開關變壓器的磁芯通過初級線圈流經的脈沖直流電進行充能，但磁芯所能容納的磁場能也是有限度的。一旦超出了磁芯本身儲能的能力，較直接的結果就是此刻的開關變壓器的初級線圈對流經其自身的電流已經沒有了阻礙的作用（此刻的初級線圈已經等價于普通直導線）。如果在此刻的臨界狀態下開關管無法被關閉（如開關管自身短路），就意味著于310V直流電壓會經開關管及變壓器的初級線圈后直接回到整流全橋的負極。這相當于用導線直接將整流全橋的正負極輸出短路，后果不言自明。
實際上，香港電源適配器會根據其輸出端子處實際輸出的直流電壓的高低（反饋），主動地控制開關管導通一段時間后再去關閉開關管。我們可以把開關管從開始導通到被關閉之間的這段時間稱為“開關管導通時間”，記為TON。可見，“開關管導通時間”的時長必須是可控的。
可以想象，對于同一個ATX電源適配器而言，在低負荷和高負荷時的開關管導通時間一定是不一樣的。在由低負荷轉為高負荷時，開關管應該導通更長的時間，以便將更多的電能輸送至后級電路。否則，輸入電能的速度跟不上負載消耗電能的速度，將會造成輸出端子的實際輸出電壓有下降的趨勢，反之亦然（實際輸出電壓升高）。這個過程其實就是ATX電源適配器的穩壓過程。
綜上所述，開關電源適配器中的開關管實際上是“先打開，再關閉，再打開，再關閉”的往復循環、周而復始的工作模式。這種工作模式被稱為“振蕩”。

我們在查閱筆記本電源適配器有關的資料時常常可以見到“起振”的字樣。在開關電源適配器領域，起振的本質含義是指開關管已經處于“先打開，再關閉，再打開，再關閉”往復循環工作模式。開關管起振，是開關電源適配器能夠正常工作的必要條件。
我們還可以進一步把開關管從開始被關閉到下一次被打開之間的這段時間定義為“開關管關閉時間”，記為TOFF。
那么，在開關管的一個振蕩周期中，所經歷的時間總長應為TON＋TOFF。開關管導通時間與整個周期TON＋TOFF的比值稱為開關管的“占空比”。而所謂的脈寬調制（PWM），就是指通過具有PWM功能的芯片，主動調整TON的長短，以適應負載的變化。
對一個具體的ATX電源適配器而言，開關管的振蕩周期是相對固定的，它更多的是在設計階段就已經被確定好了。在單位時間（1s）內的振蕩次數，就是開關電源適配器的頻率。頻率與振蕩周期是互為倒數的關系。
ATX電源適配器主回路的它激振蕩源的頻率一般為幾十千赫。對于單開關管的ATX電源適配器而言，單開關管的振蕩頻率與它激振蕩源的頻率相同，對于雙開關管（二者輪流交替導通）的ATX電源適配器而言，雙開關管中每一個開關管的振蕩頻率為它激振蕩源頻率的1/2。ATX電源適配器的它激振蕩源的頻率參數的具體高低更多是屬于電源適配器設計人員需要考慮的范圍，對于維修人員的意義不大。
在前面的內容中，我們已經初步介紹了ATX電源適配器與開關電源適配器之間的關系，接下來，我們介紹ATX電源適配器的具體分類。相信對于從事或愛好電源適配器維修的讀者而言，“雙管半橋”、“單管正激”、“雙管正激”、“主動PFC”、“被動PFC”、“同步整流”等專業術語并不陌生。其中的“雙管半橋”、“單管正激”、“雙管正激”這三個術語是屬于開關電源適配器領域的概念。“主動PFC”、“被動PFC”則是屬于功率因數領域的概念。而“同步整流”則是屬于整流領域的概念。“主動PFC”、“被動PFC”、“同步整流”三種技術，都是為開關電源適配器服務的技術。
在開關電源適配器（包括但不僅限于ATX電源適配器）發展的歷史過程中，人們一直在致力于開發更便宜、更穩定的開關電源適配器。“雙管半橋”拓撲的ATX電源適配器是當前較便宜、較成熟的臺式計算機電源適配器，它至今仍占據著中低端ATX電源適配器市場的不少份額。但是，隨著板卡的發展，對ATX電源適配器也提出了更高的換能要求。“雙管半橋”拓撲的換能能力，已經逐漸跟不上板卡的耗能需求。因此，ATX電源適配器研發人員努力地完善“單管正激”和“雙管正激”拓撲技術，在保證其穩定性的同時將其成本控制得更為合理，使其逐步取代“雙管半橋”。
我們無法從“雙管半橋”、“單管正激”、“雙管正激”中選擇一個所謂較好的ATX電源適配器拓撲方案。這實際上是一個偽命題，一切都需要從實際需要出發。這是因為在具體選擇ATX電源適配器的拓撲結構時，要將負載的耗電需求與成本這兩個因素綜合起來考慮。對于小功率需要而言，較為成熟穩定的“雙管半橋”拓撲是一個很好的選擇。只有在中大功率需要的時候，才更傾向于選擇“單管正激”或“雙管正激”。

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| 發布時間：2019.05.07 來源：電源適配器廠家

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