ATX电源适配器与开关电源适配器的关系

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ATX电源适配器与开关电源适配器的关系

ATX电源适配器是一种开关电源适配器（与开关电源适配器对应的是线性电源适配器）。显然，ATX电源适配器只是众多开关电源适配器中很小的一个子类——它专门被设计为为台式计算机主板供电。在现代社会中，开关电源适配器被广泛使用（它包括但不仅限于ATX电源适配器）。事实上，无论是在现代办公设备，还是在家用设备中，开关电源适配器都无处不在。
作为线性电源适配器的替代者，开关电源适配器拥有许多线性电源适配器无法比拟的优点。工作在（磁芯）截止区与饱和区之间的高频开关变压器具有低能耗的特点，这直接减轻了电源适配器自身的散热压力，其体积也可小型化。

开关电源适配器有4种结构（拓扑），如图所示。

ATX电源适配器为一种开关电源适配器，其中的“开关电源适配器”主要有两层含义。

第一层含义指它是一种由开关控制输出的电源适配器，PSON就是ATX电源适配器的开关。对比来说，的确有这样的电源适配器，其输出是不经开关控制的。这样的电源适配器既没有如台灯开关一样的机械开关，也没有如ATX电源适配器PSON一样的逻辑电平开关，只要将电源适配器接入交流市电220V，就能够在其输出一侧得到正常的目标电压，例如，手机充电器、电动车充电器、LCD液晶显示器内部电源适配器板逆变器一体板上的低压电源适配器。
第二层含义指它属于电源适配器分类中的开关电源适配器子类。这揭示了ATX在AC/DC的换能过程的根本电学原理，是最为科学的命名。在最典型的由TL494＋LM339为核心的ATX电源适配器中，其辅助电源适配器部分属于反激拓扑，其主电源适配器部分属于半桥拓扑。反激拓扑开关电源适配器的输出功率在0～150W之间。正激拓扑开关电源适配器的输出功率在50～500W之间。半桥拓扑开关电源适配器的输出功率在100～1000W之间。全桥拓扑开关电源适配器的输出功率在500W以上。
ATX电源适配器作为开关电源适配器，其根本功能是完成AC/DC的电能转换。
交流市电220V首先经过交流输入及整流滤波电路转变为直流电能（整流后得到310V直流电压），这个直流电的电压会在开关管的控制下以脉冲直流电流的形式间断而又连续地流经开关变压器的初级绕组。
在脉冲直流电流流经开关变压器的初级绕组的过程中，开关管处于打开状态。这个过程就是交流市电220V的电能转化为磁场能并储存在开关变压器磁芯中的过程（磁芯充能）。接下来，开关变压器还应该通过其次级线圈，将磁芯中的磁场能传递出去（磁芯释放电能），经低压侧整流、滤波储能等过程后，最终输出到ATX电源适配器的输出端子。
在整个能量转换的过程中，开关管的导通时间有一个上限，它并不会（也不能）无限制导通（更不用说始终处于短路的极限情况），其理由是显而易见的。对于开关变压器的磁芯而言，在开关管导通后，开关变压器的磁芯通过初级线圈流经的脉冲直流电进行充能，但磁芯所能容纳的磁场能也是有限度的。一旦超出了磁芯本身储能的能力，最直接的结果就是此刻的开关变压器的初级线圈对流经其自身的电流已经没有了阻碍的作用（此刻的初级线圈已经等价于普通直导线）。如果在此刻的临界状态下开关管无法被关闭（如开关管自身短路），就意味着于310V直流电压会经开关管及变压器的初级线圈后直接回到整流全桥的负极。这相当于用导线直接将整流全桥的正负极输出短路，后果不言自明。
实际上，香港电源适配器会根据其输出端子处实际输出的直流电压的高低（反馈），主动地控制开关管导通一段时间后再去关闭开关管。我们可以把开关管从开始导通到被关闭之间的这段时间称为“开关管导通时间”，记为TON。可见，“开关管导通时间”的时长必须是可控的。
可以想象，对于同一个ATX电源适配器而言，在低负荷和高负荷时的开关管导通时间一定是不一样的。在由低负荷转为高负荷时，开关管应该导通更长的时间，以便将更多的电能输送至后级电路。否则，输入电能的速度跟不上负载消耗电能的速度，将会造成输出端子的实际输出电压有下降的趋势，反之亦然（实际输出电压升高）。这个过程其实就是ATX电源适配器的稳压过程。
综上所述，开关电源适配器中的开关管实际上是“先打开，再关闭，再打开，再关闭”的往复循环、周而复始的工作模式。这种工作模式被称为“振荡”。

我们在查阅笔记本电源适配器有关的资料时常常可以见到“起振”的字样。在开关电源适配器领域，起振的本质含义是指开关管已经处于“先打开，再关闭，再打开，再关闭”往复循环工作模式。开关管起振，是开关电源适配器能够正常工作的必要条件。
我们还可以进一步把开关管从开始被关闭到下一次被打开之间的这段时间定义为“开关管关闭时间”，记为TOFF。
那么，在开关管的一个振荡周期中，所经历的时间总长应为TON＋TOFF。开关管导通时间与整个周期TON＋TOFF的比值称为开关管的“占空比”。而所谓的脉宽调制（PWM），就是指通过具有PWM功能的芯片，主动调整TON的长短，以适应负载的变化。
对一个具体的ATX电源适配器而言，开关管的振荡周期是相对固定的，它更多的是在设计阶段就已经被确定好了。在单位时间（1s）内的振荡次数，就是开关电源适配器的频率。频率与振荡周期是互为倒数的关系。
ATX电源适配器主回路的它激振荡源的频率一般为几十千赫。对于单开关管的ATX电源适配器而言，单开关管的振荡频率与它激振荡源的频率相同，对于双开关管（二者轮流交替导通）的ATX电源适配器而言，双开关管中每一个开关管的振荡频率为它激振荡源频率的1/2。ATX电源适配器的它激振荡源的频率参数的具体高低更多是属于电源适配器设计人员需要考虑的范围，对于维修人员的意义不大。
在前面的内容中，我们已经初步介绍了ATX电源适配器与开关电源适配器之间的关系，接下来，我们介绍ATX电源适配器的具体分类。相信对于从事或爱好电源适配器维修的读者而言，“双管半桥”、“单管正激”、“双管正激”、“主动PFC”、“被动PFC”、“同步整流”等专业术语并不陌生。其中的“双管半桥”、“单管正激”、“双管正激”这三个术语是属于开关电源适配器领域的概念。“主动PFC”、“被动PFC”则是属于功率因数领域的概念。而“同步整流”则是属于整流领域的概念。“主动PFC”、“被动PFC”、“同步整流”三种技术，都是为开关电源适配器服务的技术。
在开关电源适配器（包括但不仅限于ATX电源适配器）发展的历史过程中，人们一直在致力于开发更便宜、更稳定的开关电源适配器。“双管半桥”拓扑的ATX电源适配器是当前最便宜、最成熟的台式计算机电源适配器，它至今仍占据着中低端ATX电源适配器市场的不少份额。但是，随着板卡的发展，对ATX电源适配器也提出了更高的换能要求。“双管半桥”拓扑的换能能力，已经逐渐跟不上板卡的耗能需求。因此，ATX电源适配器研发人员努力地完善“单管正激”和“双管正激”拓扑技术，在保证其稳定性的同时将其成本控制得更为合理，使其逐步取代“双管半桥”。
我们无法从“双管半桥”、“单管正激”、“双管正激”中选择一个所谓最好的ATX电源适配器拓扑方案。这实际上是一个伪命题，一切都需要从实际需要出发。这是因为在具体选择ATX电源适配器的拓扑结构时，要将负载的耗电需求与成本这两个因素综合起来考虑。对于小功率需要而言，最为成熟稳定的“双管半桥”拓扑是一个很好的选择。只有在中大功率需要的时候，才更倾向于选择“单管正激”或“双管正激”。

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| 发布时间：2019.05.07 来源：电源适配器厂家

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