Nguồn ATX | Giới thiệu tổng quan cho người mới

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách thức làm việc của bộ nguồn "ngắt mở", các thành phần chính và nhiệm vụ của nó.
Một bộ nguồn ATX
Giới thiệu:
✔ Nguồn máy tính dùng công nghệ "ngắt mở" viết tắt là SMPS (Switching Mode Power Supplies). 
✔ DC-DC converter cũng là một tên gọi khác của nguồn "ngắt mở".
Có hai thiết kế cơ bản cho bộ nguồn: 
Nguồn tuyến tính và nguồn ngắt mở.
✔ Nguồn tuyến tính dùng biến áp hạ nguồn điện lưới từ 220V hoặc 110V xuống một giá trị thấp (ví dụ 12V). Nguồn áp thấp này vẫn còn là nguồn xoay chiều AC. Kế đó, nó được nắn thông qua các diodes, biến điện áp xoay chiều AC thành các xung điện áp. Bước kế tiếp là lọc các xung điện áp này bằng một tụ lọc, biến các xung điện áp này thành một điện áp gần như là DC. Điện áp một chiều này vẫn còn dao động chút ít, cho nên cần một mạch ổn áp, được thực hiện bằng một diode zener hoặc một vi mạch ổn áp. Cuối cùng áp này thực sự là nguồn DC.
Sơ đồ khối của một bộ nguồn tuyến tính tiêu chuẩn
Quá trình cắt xung 2 qua cầu diot 3 đến tụ lọc 4 vẫn còn gợn và làm phẳng bởi diot zener 5
✔ Mặc dù nguồn tuyến tính họat động tốt cho các thiết bị cần nguồn công suất thấp, nhưng một khi yêu cầu công suất cao thì bộ nguồn tuyến tính quá cồng kềnh.
✔ Kích cở của biến áp và tụ lọc tỉ lệ thuận với công suất bộ nguồn tuyến tính. Công suất càng lớn thì biến áp và tụ lọc càng lớn thậm chí rất lớn, điều này khó chấp nhận trong các thiết bị muốn thu nhỏ về mặt diện tích như máy PC hay laptop.
Giải pháp cho vấn đề này là dùng xung tần số cao.
✔ Trên các bộ nguồn xung, tần số của điện áp đầu vào được nâng lên trước khi vào biến áp có giá trị hàng kHz. Nhờ vậy biến áp và tụ lọc được giảm nhỏ. Đây là loại dùng cho máy tính và các công cụ khác. Nên nhớ xung ở đây là xung tần số cao.
✔ Bộ nguồn dùng cho máy tính có một cách tiếp cận tốt hơn: đó là một hệ thống khép kín. Mạch điều khiển transistor xung nhận hồi tiếp từ̉ đầu ra, điều chỉnh tăng hoặc giảm duty cycle của điện áp vào biến áp tuỳ thuộc vào tiêu thụ của máy (gọi là PWM – Pulse Width Modulation – Xung điều biến độ rộng).
1) Sơ đồ bộ nguồn xung:
✔ Hình dưới đây, bạn có thể thấy sơ đồ khối của bộ nguồn PWM có hồi tiếp dùng cho máy tính.
✔ Hình sau là sơ đồ khối nguồn không có mạch PFC – Power Factor Correction – Điều chỉnh hệ số công suất cho các bộ nguồn rẻ.
Sơ đồ khối nguồn PWM không mạch PFC
✔ Hình sau là sơ đồ khối của bộ nguồn có mạch PFC chủ động, được các bộ nguồn xịn dùng.
Sơ đồ khối nguồn PWM với mạch PFC
✔ Như bạn thấy, một bộ nguồn có mạch PFC chủ động không có công tắc chuyển đổi 110/220V và cũng không có mạch nhân đôi điện áp.
✔ Đây là sơ đồ cơ bản. Chúng không gồm mạch bảo vệ chạm tải, mạch standby, tạo Power Good ... Nếu bạn muốn sơ đồ chi tiết, hãy xem hình sau, hình này chỉ dành cho người muốn tìm hiểu sâu.
Sơ đồ điển hình một bộ nguồn ATX thường
✔ Bạn sẽ hỏi vậy tầng ổn áp trên hình đâu? Chính mạch PWM thực hiện nhiệm vụ ổn áp. Nguồn vào được nắn lọc trước khi vào transistor xung, nó tạo ra các xung vuông trong biến áp. Vì thế đầu ra của biến áp là các xung vuông, không phải dạng sóng hình sin. Vì dạng sóng đã là vuông cho nên rất dễ dàng chuyển chúng thành điện áp DC. Vì thế sau khi nắn chúng đã là điện áp DC. Đó là lý do tại sao có người nói nguồn xung là bộ chuyển đổi DC-DC.
✔ Hồi tiếp cho mac̣h điều khiển PWM chịu trách nhiệm ổn định cần thiết. Nếu như điện áp đầu ra có sai sót, mạch điều khiển PWM sẽ thay đổi hệ số lấp đầy (duty cycle) của tín hiệu đưa vào transistor để điều chỉnh đầu ra.
2) Bên trong một bộ nguồn:
Mở một bộ nguồn ra, đập vào mắt bạn đầu tiên là quạt và những miếng nhôm tản nhiệt.
Bên trong một bộ nguồn
Bạn dễ dàng nhận ra các thành phần thuộc về mạch sơ cấp và thứ cấp.
✔ Bạn thấy một tụ lớn ̣(trên các bộ nguồn có PFC) hoặc hai tụ lớn (trên các bộ nguồn không có mạch PFC). Thấy được chúng, bạn sẽ tìm thấy mạch sơ cấp.
✔ Thông thường, một bộ nguồn có 3 biến áp nằm giữa hai miếng toả nhiệt như bạn thấy trong hình trên. Biến áp chính là cái lớn nhất. Biến áp trung là cho mạch +5VSB và biến áp nhỏ nhất dành cho mạch điều khiển PWM để cách ly phần thứ cấp ra khỏi phần sơ cấp. Có những bộ nguồn thay vì dùng biến áp cách ly, nó lại dùng các IC quang opto, cho nên trên những nguồn loại này bạn sẽ thấy 2 biến áp thay vì 3 cái.
✔ Một miếng giải nhiệt cho phần sơ cấp và miếng khác cho phần thứ cấp.
✔ Trên miếng giải nhiệt sơ cấp, bạn thấy transistors xung, các transistor PFC và các diode, nếu như đây là bộ nguồn có mạch PFC. Một số nhà sản xuất sử dụng một miếng giải nhiệt riêng cho mạch PFC nên bạn có thể thấy hai miếng giải nhiệt ở phần sơ cấp trên các bộ nguồn loại này.
✔ Miếng giải nhiệt ở phần thứ cấp, bạn sẽ tìm thấy nhiều diode nắn. Trông chúng giống như các transistors, nhưng thực ra chúng được tích hợp hai diodes ở bên trong.
✔ Bạn cũng thấy nhiều tụ nhỏ và các cuộn cảm - thấy chúng bạn sẽ tìm thấy mạch thứ cấp.
✔ Một cách đơn giản là các dây dẫn các nguồn áp thấp ra xuất phát từ mạch thứ cấp và phần dây dẫn điện nguồn điện lưới vào là phần sơ cấp.
Xác định phần sơ cấp và thứ cấp cuả bộ nguồn
3) Lọc nguồn đầu vào:
✔ Tầng đầu tiên của một bộ nguồn là lọc sơ điện áp vào.Ở hình dưới đây, bạn có thể thấy sơ đồ của mạch này.
Lọc nguồn vào
✔ Những bộ nguồn rẻ tiền thường không có đủ các thành phần trong hình trên. Vì thế muốn biết đây có phải là một bộ nguồn tốt hay không bạn có thể kiểm tra xem nó có đầy đủ các thành phần trong hình trên hay không.
✔ Thành phần chính được gọi là MOV - Metal Oxide Varistor - Điện trở biến đổi theo áp có ký hiệu RV1 trên sơ đồ, nó chịu trách nhiệm xén các xung nhọn đỉnh xuất hiện nhất thời trên điện lưới. Cũng tương tự như các thành phần dập xung nhọn. Vấn đề là các bộ nguồn rẻ tiền không dùng thành phần này mục đích để giảm giá thành.
✔ L1 và L2 là các cuộn cảm. 
✔ C1 và C2 là các tụ dạng hột nút, thường có màu xanh dương. Các tụ thành thường được gọi là các “tụ Y“. 
✔ C3 là một tụ polyester kim loại, thường có giá trị 100nF, 470nF hoặc 680nF. Tụ này còn được gọi là “tụ Y“. Một số bộ nguồn có hai tụ X, mắc song song với đường thẳng đường chính.
✔ Tụ X là bất kỳ tụ nào mắc song song với đường thẳng đường nguồn chính. Còn tụ Y thì đi theo từng cặp, chúng được mắc nối tiếp với nhau, chân nối tiếp được hàn vào mass, còn hai đầu được nối song song với đường dây nguồn.
✔ Tầng lọc này không những lọc nguồn điện lưới mà còn ngăn nhiễu tạo ra do các transistor xung nhiễm vào nguồn điện lưới, gây nhiễu cho các thiết bị điện tử khác.
Xem hình sau. 
✔ Bạn có thấy điều gì bất thường ở đây không? Bộ nguồn này đơn giản đến nỗi không có mạch loc̣ đầu vào. Đây là các bộ nguồn rẻ tiền. Bạn hãy chú ý trên bản mạch in nơi đáng lẽ phải có các thành phần này.
Bộ nguồn rẻ tiền không có lọc đầu vào
✔ Hình dưới, bạn cũng có thể thấy mạch lọc của một bộ nguồn rẻ tiền. MOV không có, chỉ có một cuộn cảm thiếu cuộn L2. Trái lại nó có thêm một tụ X, được đặt vào chỗ đáng lẽ của MOV.
Mạch lọc đầu vào của một bộ nguồn rẻ tiền
Trong vài bộ nguồn, lọc đầu vào có thể chia làm hai tầng, một hàn vào nơi đầu nối dây cắm điện, và một vào mạch in như 2 hình dưới đây.
✔ Trên bộ nguồn này, tụ X và cuộn cảm L1 hàn vào mạch in nhỏ vào nơi cắm nguồn điện lưới.
Bộ lọc vào tầng 1
✔ Trên mạch in, bộ nguồn này có một MOV đặt ở một nơi khác thường sau cuộn cảm thứ hai.
Bộ lọc vào tầng 2
✔ Trong bộ nguồn này, MOV có màu vàng, phần lớn bộ nguồn khác là màu xanh dương đậm. Bạn cũng thấy cầu chì bảo vệ F1 gần bộ lọc vào. Nếu như cháy chì, thường là dấu hiệu của một thành phần nào đó đã hỏng.
4) Nhân đôi điện áp và nắn sơ cấp:
✔ Trong bộ nguồn không có mạch PCF, bạn sẽ thấy mạch nhân đôi điện áp.
Tu lọc nơi mạch nhân đôi điện áp
Hình dáng thực tế
✔ Kế tiếp hai tụ lọc là cầu diode nắn. Cầu này có thể gồ̉m bốn diodes hoặc bởi một thành phần linh kiện như hình dưới. Trên các bộ nguồn cao cấp, cầu này thường kẹp vào miếng nhôm tản nhiệt.
Cầu diodes nắn
✔ Trên phần sơ cấp, bạn thấy một điện trở nhiệt NTC (nhiệt trở âm - xin xem phần điện tử cơ bản). Thành phần này giống như một tụ nút ceramic và thường có màu xanh ô liu.
Mạch PFC chủ động:
Mạch PFC chủ động
✔ Mạch này thường dùng hai MOSFET công suất. Nó được gắn vào giải nhiệt ở mạch sơ cấp.
✔ Diode PFC cũng là một diode công suất có dạng giống transistor công suất nhưng chỉ có hai chân và cũng được kẹp vào giải nhiệt.
✔ Cuộn cảm PFC trong hình trên là cuộn cảm lớn nhất trong bộ nguồn.
✔ Tụ lọc là một tụ lớn trên phần sơ cấp. Trở trong hình là điện trở nhiệt âm NTC.
✔ Mạch điều khiển PFC thường là một vi mạch. Đôi khi vi mạch này cũng đảm nhận luôn vai trò điều khiển PWM.
✔ Hãy xem xét vài thí dụ thực tế. Trong hình dưới đã tháo các miếng tản nhiệt để có thể thấy rõ hơn. Phía bên phải bạn có thể thấy tầng lọc đầu vào. Bên trái bạn có thể thấy mạch PFC. Thường thì điện trở nhiệt có thêm một lớp vỏ cao su bảo vệ, còn cuộn cảm lớn nhất là cuộn cảm PFC.
Các thành phần mạch PFC
✔ Trong hình dưới đây, bạn thấy các thành phần nằm trên miếng tản nhiệt. Bạn thấy hai MOSFET và diode công suất của mạch PFC
Các thành phần trên miếng nhôm giải nhiệt
Bạn cũng thấy hai transistors xung sẽ nói đến nó sau này.
Transistor xung:
✔ Phần xung của bộ nguồn có nhiều cấu hình khác nhau, các cấu hình chung nhất trong bảng bên dưới
Cấu hình mạch xung
✔ Dĩ nhiên chỉ phân tích số lượng thành phần cần có, các mặt khác sẽ do kỹ sư tính toán khi quyết định dùng cấu hình nào.
✔ Hai cấu hình bộ nguồn thông dụng nhất là two-transistor forward và push-pull ̣(kéo-đẩy) và cả hai cấu hình đều sử dụng hai transistor xung. Về phương diện vật lý của các transistor này là các transistors MOSFET công suất. Chúng được gắn vào nhôm giải nhiệt ở phần sơ cấp.
✔ Dưới đây là sơ đồ của năm cấu hình.
Cấu hình Single-transistor forward
Cấu hình Two-transistor forward
Cấu hình Half Bridge
Cấu hình Full Bridge
Cấu hình Push-pull
Biến áp và mạch điều khiển PWM:
✔ Một bộ nguồn máy tính điển hình có ba biến áp. Biến áp lớn trong các sơ đồ khối nguồn PWM, phần sơ cấp nối với transistors xung và phần thứ cấp nối với các diode nắn và mạch lọc để cung cấp các nguồn DC ra: +12V, +5V, +3.3V, -12V và +5V. Biến áp thứ hai dùng để tạo nguồn ra +5VSB. Một mạch riêng tạo ra nguồn này, còn được gọi là nguồn chờ SB (standby). Lý do là bộ nguồn này luôn luôn mở cho dù tắt máy tính. Biến áp thứ ba là biến áp cách ly nối mạch điều khiển PWM với các transistors xung. Biến áp này có thể không có, khi nó được thay bằng một hoặc nhiều vi mạch quang opto (xem những hình dưới đây).
Bộ 3 biến áp
Nguồn dùng opto để cách ly mạch PWM
✔ Mạch điều khiển PWM dùng mạch tích hợp. Những bộ nguồn không có PFC thường dùng vi mạch TL494. Các bộ nguồn có mạch PFC đôi khi vi mạch kết hợp cả PWM và PFC. Vi mạch CM6800 là một ví dụ mạch kết hợp PWM/PFC.
Mạch điều khiển PWM
5) Phần thứ cấp:
✔ Tại đây các đầu ra của biến áp chính được nắn, lọc để cung cấp cho máy tính. Nắn nguồn âm được thực hiện bởi các diodes vì chúng không yêu cầu công suất và dòng lớn. Nhưng việc nắn các nguồn dương được thực hiện bởi các diodes Schottky công suất, là các linh kiện có ba chân trông giống transistor công suất nhưng thực ra bên trong tích hợp hai diodes công suất.
Cấu hình nắn dòng
✔ Cấu hình “A” thường được dùng cho các bộ nguồn thường. Cấu hình này dùng ba chân của biến áp. 
✔ Cấu hình “B” thường được dùng trong các bộ nguồn chất lượng cao. Nó chỉ dùng hai chân của biến áp, tuy nhiên cuộn cảm ferrit phải lớn hơn và dĩ nhiên là đắt hơn, đó là lý do tại sao các bộ nguồn thường không dùng cấu hình này.
✔ Tương tự, để nâng cao dòng tải của mạch nắn, các nguồn chất lượng đấu song song hai diode để tăng dòng chịu đựng.
✔ Tất cả các bộ nguồn đều có mạch nắn và lọc đầy đủ cho nguồn +5V và +12V.
Nhưng đối với nguồn +3.3V có 3 tuỳ chọn:
- Thêm một mạch ổn áp +3.3V vào nguồn ra +5V. Đây là cách mà các bộ nguồn thông dụng thường dùng.
- Thêm vào một mạch nắn và lọc hoàn chỉnh như hình trên, nhưng dùng chung biến áp nguồn +5V. Cách này các nguồn chất lượng cao thường dùng.
- Dùng một mạch nắn lọc và tạo nguồn +3.3 hoàn chỉnh và độc lập. Cách này rất hiếm thấy chỉ có ở bộ nguồn chất lượng rất cao và đắt. Hiện nay chúng tôi mới thấy bộ nguồn Enermax Galaxy 1000W dùng cách này.
Vì đầu ra +3.3V thường sử dụng hoàn toàn nguồn +5V (ở các bộ nguồn thường), hoặc một phần nguồn +5V ( trên các bộ nguồn chất lượng) cho nên nguồn +3.3 bị hạn chế bởi nguồn +5V và ngược lại. Đó là lý do mà hai nguồn này được tính chung một nhóm.
Phần thứ cấp của bộ nguồn
✔ Để thấy rõ hơn khi tháo hai cuộn cảm lớn khỏi bo mạch. Trong hình dưới đây, bạn thấy các diodes nhỏ được dùng để nắn đường nguồn -5V và -12V, do chúng chỉ cần dòng nhỏ chừng khoảng 0,5A.
Diodes nắn cho đường nguồn -5V và -12V
✔ Hình sau đây là thí dụ về thành phần gắn trong miếng nhôm tản nhiệt trên phần thứ cấp của bộ nguồn thông dụng.
Phần thứ cấp
Từ trái sang phải bạn thấy:
- Một mạch tích hợp ổn áp - dù nó có 3 chân giống như một transistor, nhưng là một mạch tích hợp. Đây là IC 7805 cấp nguồ̉n +5VSB. Như đã nói trên, nguồn này độc lập với nguồn +5V (xem hình 5 - sơ đồ điển hình một bộ nguồn ATX thường). Vì nó tiếp tục cấp nguồn +5V cho dù bạn tắt máy tính cho nên được gọi là nguồn standby (chờ). IC 7805 có thể cấp nguồn tới 1A.
- Một tranisitor MOSFET dùng để ổn định điện áp cho nguồn +3.3V. Trong trường hợp trên đây MOSFET được dùng là PHP45N03LT, có thể tải đến 45A. Như đã nói ở phần trước, chỉ có các nguồn thường mới dùng nguồn +3.3 được ổn áp từ đường nguồn +5V.
- Diode Schottky công suất, đơn giản là hai diodes được đóng gói chung trong một. Trường hợp bộ nguồn trên đây là STPR1620CT, có thể tải 16A. Diode này dùng cho đường nguồn +12V.
- Một diode Schottky công suất khác là E83-004, có thể tải tới 60A. Con này dùng cho đường nguồn +5V và +3.3V. Vì hai đường nguồn này dùng chung một diode nắn, cho nên tổng dòng tải của hai nguồn không được vượt quá dòng tải tối đa của diode này. Khái niệm này là nguồn kết hợp. Nói cách khác nguồn +3.3V được tạo thành từ đường nguồn +5V. Cấu hình này chỉ dùng cho nguồn thường. Các nguồn cao cấp dùng hai mạch tạo nguồn riêng độc lập với nhau.
Các thành phần chính trên phần thứ cấp cuả một bộ nguồn chất lượng cao.
Các thành phần tìm thấy trên miếng giải nhiệt bên thứ cấp 1
Các thành phần tìm thấy trên miếng giải nhiệt bên thứ cấp 2
Ở đây ta thấy:
- Có hai diodes Schottky công suất cho nguồn +12V đấu song song, thay vì chỉ có một như bộ nguồn thường. Cách này tăng gấp đôi dòng tải. Bộ nguồn này dùng hai con STPS6045CW mỗi con có thể tải 60A.
- Một diode Schottky công suất cho đường +5V. Bộ nguồn này dùng một STPS60L30CW chịu dòng đến 60A.
- Một diode Schottky công suất cho đường +3.3. Đây cũng chính là nơi khác biệt giữa nguồn thường và nguồn chất lược cao. Dùng con STPS30L30CT tải đến 30A.
- Một ổn áp cho phần mạch bảo vệ. Loại này thay đổi tuỳ theo model bộ nguồn.
✔ Lưu ý là các dòng tối đa chỉ tính cho riêng thành phần đó mà thôi. Còn dòng tải tối đa mà bộ nguồn có thể có lại tuỳ thuộc vào các thành phần khác có trong bộ nguồn chẳng hạn như cuộn cảm, biến áp, cở đường dẫn điện, kích cở mạch in ...
Nguồn tham khảo hardwaresecrets.com
>