Управление силовыми ключами импульсного блока питания. Принцип работы компьютерного блока питания ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами

Прислал юрий11112222 - Схемотехника блоков питания: ATX-350WP4
Схемотехника блоков питания: ATX-350WP4

В статье предлагается информация о схемных решениях, рекомендации по ремонту, замене деталей-аналогов блока питания ATX-350WP4. К сожалению, точного изготовителя автору установить не удалось, по-видимому, это сборка блока достаточно близкая к оригиналу предположительно Delux ATX-350WP4 (Shenzhen Delux Industry Co., Ltd), внешний вид блока показан на фото.

Общие сведения. Блок питания реализован в формате ATX12V 2.0, адаптирован под отечественного потребителя, поэтому в нем отсутствуют выключатель питания и переключатель вида переменной сети. Выходные разъемы включают:
разъем для подключения к системной плате -основной 24-контактный разъем питания;
4-контактный разъем +12 V (Р4 connector);
разъемы питания съемных носителей;
питание жесткого диска Serial ATA. Предполагается, что основной разъем питания
может быть легко трансформированным в 20-контактный путем отбрасывания 4-контактной группы, что делает его совместимым с материнскими платами старых форматов. Наличие 24-контактного разъема позволяет обеспечить максимальную мощность разъема с использованием стандартных терминалов в 373.2 Вт .
Эксплуатационная информация об источнике питания ATX-350WP4 приведена в табл.

Структурная схема. Набор элементов структурной схемы источника питания ATX-350WP4 характерен для блоков питания импульсного типа . К ним относятся двухзвенный заградительный фильтр сетевых помех, низкочастотный высоковольтный выпрямитель с фильтром, основной и вспомогательный импульсные преобразователи, высокочастотные выпрямители, монитор выходных напряжений, элементы защиты и охлаждения. Особенностью источника питания такого типа является наличие напряжения питающей сети на входном разъеме блока питания, при этом ряд элементов блока находятся под напряжением, присутствует напряжение на некоторых его выходах, в частности, на выходах +5V_SB. Структурная схема источника показана на рис.1.

Работа источника питания. Выпрямленное сетевое напряжение величиной порядка 300 В является питающим для основного и вспомогательного преобразователей. Кроме того, с выходного выпрямителя вспомогательного преобразователя подается напряжение питания на микросхему управления основным преобразователем. В выключенном состоянии (сигнал PS_On имеет высокий уровень) источника питания основной преобразователь находится в «спящем» режиме, в этом случае напряжение на его выходах измерительными приборами не регистрируются. В то же время, вспомогательный преобразователь вырабатывает напряжение питания основного преобразователя и выходное напряжение +5B_SB. Этот источник питания играет роль источника питания дежурного режима.

Включение основного преобразователя в работу происходит по принципу дистанционного включения, в соответствии с которым сигнал Ps_On становится равным нулевому потенциалу (низкий уровень напряжения) при включении компьютера. По этому сигналу монитором выходных напряжений выдается сигнал разрешения на формирование управляющих импульсов ШИМ-контроллера основного преобразователя максимальной длительности. Основной преобразователь выходит из «спящего» режима. С высокочастотных выпрямителей через соответствующие сглаживающие фильтры на выход блока питания поступают напряжения ±12 В, ±5 В и +3,3 В.

С задержкой в 0,1...0,5 с относительно появления сигнала PS_On, но достаточной для окончания переходных процессов в основном преобразователе и формирования питающих напряжений +3,3 В. +5 В, +12 В на выходе блока питания, монитором выходных напряжений формируется сигнал RG. (питание в норме). Сигнал P.G. является информационным, свидетельствующим о нормальной работе блока питания. Он выдается на материнскую плату для начальной установки и запуска процессора. Таким образом, сигнал Ps_On управляет включением блока питания, а сигнал P.G. отвечает за запуск материнской платы, оба сигнала входят в состав 24-контактного разъема.
Основной преобразователь использует импульсный режим, управление преобразователем осуществляется от ШИМ-контроллера. Длительность открытого состояния ключей преобразователя определяет величину напряжения выходных источников, которое может быть стабилизировано в пределах допустимой нагрузки.

Состояние блока питания контролируется монитором выходных напряжений. В случае перегрузки или недозагрузки, монитором формируют сигналы, запрещающие функционирование ШИМ-контроллера основного преобразователя, переводя его в спящий режим.
Аналогичная ситуация возникает в условиях аварийной эксплуатации блока питания, связанной с короткими замыканиями в нагрузке, контроль которых осуществляется специальной схемой контроля. Для облегчения тепловых режимов в блоке питания использовано принудительное охлаждение, основанное на принципе создания отрицательного давления (выброса теплого воздуха).

Принципиальная схема источника питания показана на рис.2.

Сетевой фильтр и низкочастотный выпрямитель используют элементы защиты от сетевых помех, пройдя которые сетевое напряжение выпрямляется схемой выпрямления мостового типа. Защита выходного напряжения от помех в сети переменного тока осуществляется с помощью пары звеньев заградительного фильтра. Первое звено выполнено на отдельной плате, элементами которой являются СХ1, FL1, второе звено составляют элементы основной платы источника питания СХ, CY1, CY2, FL1. Элементы Т, THR1 защищают источник питания от токов короткого замыкания в нагрузке и всплесков напряжения во входной сети.
Мостовой выпрямитель выполнен на диодах В1-В4. Конденсаторы С1, С2 образуют фильтр низкочастотной сети. Резисторы R2, R3 - элементы цепи разряда конденсаторов С1, С2 при выключении питания. Варисторы V3, V4 ограничивают выпрямленное напряжение при бросках сетевого напряжения выше принятых пределов.
Вспомогательный преобразователь подключен непосредственно к выходу сетевого выпрямителя и схематически представляет автоколебательный блокинг-генератор. Активными элементами бло-кинг-генератора являются транзистор Q1 п-каналь-ный полевой транзистор (MOSFET) и трансформатор Т1. Начальный ток затвора транзистора Q1 создается резистором R11R12. В момент подачи питания начинает развиваться блокинг-процесс, и через рабочую обмотку трансформатора Т1 начинает протекать ток. Магнитный поток, создаваемый этим током, наводит ЭДС в обмотке положительной обратной связи. При этом через диод D5, подключенный к этой обмотке, заряжается конденсатор С7, и происходит намагничивание трансформатора. Ток намагничивания и зарядный ток конденсатора С7 приводят к уменьшению тока затвора Q1 и его последующему запиранию. Демпфирование выброса в цепи стока осуществляется элементами R19, С8, D6, надежное запирание транзистора Q1 осуществляется биполярным транзистором Q4.

Основной преобразователь блока питания выполнен по двухтактной полумостовой схеме (рис.3). Силовая часть преобразователя транзисторная - Q2, Q3, обратно включенные диоды D1, D2 обеспечивают защиту транзисторов преобразователя от «сквозных токов». Вторая половина моста образована конденсаторами С1, С2, создающими делитель выпрямленного напряжения. В диагональ этого моста включены первичные обмотки трансформаторов Т2 и ТЗ, первый из них выпрямительный, а второй функционирует в схеме управления и защиты от «чрезмерных» токов в преобразователе. Для исключения возможности несимметричного подмагничивания трансформатора ТЗ, что может иметь место при переходных процессах в преобразователе, применяется разделительный конденсатор СЗ. Режим работы транзисторов задается элементами R5, R8, R7, R9.
Управляющие импульсы на транзисторы преобразователя поступают через согласующий трансформатор Т2. Однако запуск преобразователя происходит в автоколебательном режиме, при открытом транзисторе 03 ток протекает по цепи:
+U(В1...В4) -> Q3(к-э) -> Т2 - T3 -> СЗ -> С2 -> -U(BL..B4) .

В случае открытого транзистора Q2 ток протекает по цепи:
+U(B1...B4) -> С1 -> С3 -> Т3 -> Т2 -> Q2(к-э) -> -U(B1...B4) .

Через переходные конденсаторы С5, С6 и ограничительные резисторы R5, R7 в базу ключевых транзисторов поступают управляющие сигналы, режекторная цепь R4C4 предотвращает проникновение импульсных помех в переменную электрическую сеть. Диод D3 и резистор R6 образуют цепь разряда конденсатора С5, a D4 и R10 -цепь разряда Сб.
При протекании тока через первичную обмотку ТЗ происходит процесс накопления энергии трансформатором, передача этой энергии во вторичные цепи источника питания и заряд конденсаторов С1, С2. Установившийся режим работы преобразователя начнется после того, как суммарное напряжение на конденсаторах С1, С2 достигнет величины +310 В. При этом на микросхеме U3 (выв. 12) появится питание от источника, выполненного на элементах D9, R20, С15, С16.
Управление преобразователем осуществляется каскадом, выполненным на транзисторах Q5, Q6 (рис.3). Нагрузкой каскада являются симметричные полуобмотки трансформатора Т2, в точку соединения которых поступает питающее напряжение +16 В через элементы D9, R23. Режим работы транзисторов Q5 и Q6 задается резисторами R33, R32 соответственно. Управление каскадом осуществляется импульсами микросхемы ШИМ-формирователя U3, поступающими с выводов 8 и 11 на базы транзисторов каскада. Под воздействием управляющих импульсов один из транзисторов, например Q5, открывается, а второй, Q6 соответственно, закрывается. Надежное запирание транзистора осуществляется цепочкой D15D16C17. Так, при протекании тока через открытый транзистор Q5 по цепи:
+ 16В -> D9 -> R23 -> Т2 -> Q5(к-э) -> D15, D16 -> корпус.

В эмиттере этого транзистора формируется падение напряжения +1,6 В. Этой величины достаточно для запирания транзистора Q6. Наличие конденсатора С17 способствует поддержанию запирающего потенциала во время «паузы».
Диоды D13, D14 предназначены для рассеивания магнитной энергии, накопленной полуобмотками трансформатора Т2.
ШИМ-контроллер выполнен на микросхеме AZ7500BP (BCD Semiconductor), работающей в двухтактном режиме . Элементами времязадающей цепи генератора являются конденсатор С28 и резистор R45. Резистор R47 и конденсатор С29 образуют цепь коррекции усилителя ошибки 1 (рис.4) .

Для реализации двухтактного режима работы преобразователя вход управления выходными каскадами (выв. 13) соединен с источником эталонного напряжения (выв. 14). С выводов 8 и 11 микросхемы управляющие импульсы поступают в базовые цепи транзисторов Q5, Q6 каскада управления. Напряжение +16 В подводится на вывод питания микросхемы (выв. 12) от выпрямителя вспомогательного преобразователя.

Режим «медленного пуска» реализован с помощью усилителя ошибки 2, на неинвертирующий вход которого (выв. 16 U3) поступает напряжение питания +16 В через делитель R33R34R36R37C21, а на инвертирующий вход (выв. 15) поступает напряжение от источника опорного (выв. 14) с интегрирующего конденсатора С20 и резистора R39.
На неинвертирующий вход усилителя ошибки 1 (выв. 1 U3) через сумматор R42R43R48 поступает сумма напряжений +12 В и +3,3 В. На противоположный вход усилителя (выв. 2 U3) через делитель R40R49 подается напряжение от эталонного источника микросхемы (выв. 14 U3). Резистор R47 и конденсатор С29 - элементы частотной коррекции усилителя.
Цепи стабилизации и защиты. Длительность выходных импульсов ШИМ-контроллера (выв. 8, 11 U3) в установившемся режиме определяется сигналами обратной связи и пилообразным напряжением задающего генератора. Интервал времени, в течение которого «пила» превышает напряжение обратной связи, определяет длительность выходного импульса. Рассмотрим процесс их формирования.

С выхода усилителя ошибки 1 (выв. 3 U3) информация об отклонении выходных напряжений от номинального значения в виде медленно изменяющегося напряжения поступает на формирователь ШИМ. Далее с выхода усилителя ошибки 1 напряжение поступает на один из входов широт-но-импульсного модулятора (ШИМ). На его второй вход поступает пилообразное напряжение амплитудой +3,2 В. Очевидно, что при отклонении выходных напряжения от номинальных значений, например, в сторону уменьшения будет происходить уменьшение напряжения обратной связи при той величине пилообразного напряжения, поступающее на выв. 1, что приводит к увеличению длительности циклов выходных импульсов. При этом в трансформаторе Т1 накапливается больше электромагнитной энергии, отдаваемой в нагрузку, вследствие чего выходное напряжение повышается до номинального значения.
В аварийном режиме функционирования увеличивается падение напряжения на резисторе R46. При этом увеличивается напряжение на выводе 4 микросхемы U3, а это, в свою очередь, приводит к срабатыванию компаратора «пауза» и последующему уменьшению длительности выходных импульсов и, соответственно, к ограничению протекания тока через транзисторы преобразователя, предотвращая тем самым выход Q1, Q2 из строя.

В источнике также имеются цепи защиты от короткого замыкания в каналах выходного напряжения. Датчик короткого замыкания по каналам -12 В и -5 В образован элементами R73, D29, средняя точка которых соединена с базой транзистора Q10 через резистор R72. Сюда же через резистор R71 поступает напряжение от источника +5 В. Следовательно, наличие короткого замыкания в каналах -12 В (или -5 В) приведет к отпиранию транзистора Q10 и перегрузке по выводу 6 монитора напряжений U4, а это, в свою очередь, прекратит работу преобразователя по выводу 4 преобразователя U3.
Управление, контроль и защита источника питания. Практически всем компьютерам кроме высококачественного выполнения его функций требуется легкое и быстрое включение / выключение. Задача включения / выключения источника питания решается путем реализации в современных компьютерах принципа дистанционного включения / выключения. При нажатии кнопки «I/O», расположенной на передней панели корпуса компьютера, процессорной платой формируется сигнал PS_On. Для включения источника питания сигнал PS_On должен иметь низкий потенциал, т.е. нулевой, при выключении - высокий потенциал.

В источнике питания задачи управления, контроля и защиты реализованы на микросхеме U4 монитора выходных напряжений источника питания LP7510 . При поступлении нулевого потенциала (сигнал PS_On) на вывод 4 микросхемы, на выводе 3 также формируется нулевой потенциал с задержкой на 2,3 мс. Этот сигнал является запускающим для источника питания. Если же сигнал PS_On высокого уровня или же цепь поступления его разорвана, то на выводе 3 микросхемы устанавливается также высокий уровень .
Кроме того, микросхема U4 осуществляет контроль основных выходных напряжений источника питания. Так, выходные напряжения источников питания 3,3 В и 5 В не должны выходить за установленные пределы 2,2 В < 3,3В < 3,9 В и 3,5 В < 5 В < 6,1 В. В случае их выхода за эти пределы более чем на 146 мкс на выходе 3 микросхемы U4 устанавливается высокий уровень напряжения, и источник питания выключается по входу 4 микросхемы U3. Для источника питания +12 В, контролируемого по выводу 7, существует только контроль над его превышением. Напряжение питания этого источника не должно превышать больше чем 14,4 В. В перечисленных аварийных режимах основной преобразователь переходит в спящий режим путем установления на выводе 3 микросхемы U4 напряжения высокого уровня. Таким способом осуществляется контроль и защита блока питания от понижения и повышения напряжения на выходах его основных источников (рис.5).

Во всех случаях высокого уровня напряжения на выводе 3, напряжение на выводе 8 в норме, PG имеет низкий уровень (нулевой). В случае, когда все напряжения питания в норме, на выводе 4 устанавливается низкий уровень сигнала PSOn, а также на выводе 1 присутствует напряжение, не превышающее 1,15 В, на выводе 8 появляется сигнал высокого уровня с задержкой на 300 мс.
Схема терморегулирования предназначена для поддержания температурного режима внутри корпуса блока питания. Схема состоит из вентилятора и термистора THR2, которые подключены к каналу+12 В. Поддержание постоянной температуры внутри корпуса достигается регулированием скорости вращением вентилятора.
Выпрямители импульсного напряжения используют типовую двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой, обеспечивающую необходимый коэффициент пульсаций.
Выпрямитель источника питания +5 V_SB выполнен на диоде D12. Двухзвенный фильтр выходного напряжения состоит из конденсатора С15, дросселя L3 и конденсатора С19. Резистор R36 -нагрузочный. Стабилизация этого напряжения осуществляется микросхемами U1, U2.

Источник питания +5 В выполнен на диодной сборке D32. Двухзвенный фильтр выходного напряжения образован обмоткой L6.2 многообмоточного дросселя, дросселя L10, конденсаторами С39, С40. Резистор R69 - нагрузочный.
Аналогично исполнен источник питания +12 В. Его выпрямитель реализован на диодной сборке D31. Двухзвенный фильтр выходного напряжения образован обмоткой L6.3 многообмоточного дросселя, дросселя L9, конденсатора С38. Нагрузка источника питания - схема терморегулирования.
Выпрямитель напряжения +3,3 В - диодная сборка D30. В схеме использован стабилизатор параллельного типа с регулирующим транзистором Q9 и параметрическом стабилизаторе U5. На управляющий вход U5 напряжение поступает с делителя R63R58. Резистор R67 - нагрузка делителя.
Для снижения уровня помех, излучаемых импульсными выпрямителями в электрическую сеть, параллельно вторичным обмоткам трансформатора Т1 включены резистивно-емкостные фильтры на элементах R20, R21, СЮ, С11.
Источники питания отрицательных напряжений -12 В, -5 В формируются аналогично. Так для источника - 12 В выпрямитель выполнен на диодах D24, D25, D26, сглаживающий фильтр L6.4L5C42, резистор R74 - нагрузочный.
Напряжение -5 В формируется с помощью диодов D27, 28. Фильтры этих источников -L6.1L4C41. Резистор R75 - нагрузочный.

Типовые неисправности
Перегорание сетевого предохранителя Т или выходные напряжения отсутствуют. В этом случае необходимо проверить исправность элементов заградительного фильтра и сетевого выпрямителя (В1-В4, THR1, С1, С2, V3, V4, R2, R3), а также проверить исправность транзисторов Q2, Q3. Наиболее часто в случае выбора неправильной сети переменного тока выгорают ва-ристоры V3, V4.
Проверяется также исправность элементов вспомогательного преобразователя, транзисторов Q1.Q4.
Если неисправность не обнаруживается и выход и строя рассмотренных ранее элементов не подтвердился, то проверяется наличие напряжения 310 В на последовательно соединенных конденсаторах С1,C2. При его отсутствии проверяется исправность элементов сетевого выпрямителя.
Напряжение+5\/_ЗВ выше или ниже нормы. Проверить исправность цепи стабилизации U1, U2, неисправный элемент заменяется. В качестве элемента замены U2 можно использовать TL431, КА431.
Выходные напряжения питания выше или ниже нормы. Проверяем исправность цепи обратных связей - микросхемы U3, элементов обвязки микросхемы U3: конденсаторов С21, С22, С16. В случае исправности перечисленных выше элементов заменить U3. В качестве аналогов U3 можно использовать микросхемы TL494, КА7500В, МВ3759.
Отсутствует сигнал P.G. Следует проверить наличие сигнала Ps_On, наличие питающих напряжений +12 В, +5 В, +3,3 В, +5 B_SB. В случае их наличия заменить микросхему U4. В качестве аналога LP7510 можно использовать TPS3510.
Отсутствует дистанционное включение источника питания. Проверить наличие на контакте PS-ON потенциала корпуса (нуля), исправность микросхемы U4 и элементов ее обвязки. В случае исправности элементов обвязки заменить U4.
Отсутствие вращения вентилятора. Убедиться в работоспособности вентилятора, проверить элементы цепи его включения: наличие +12 В, исправность терморезистора THR2.

Д. Кучеров, Журнал Радиоаматор, №3, 5 2011г

ДОБАВЛЕНО 07/10/2012 04:08

От себя добавлю:
Сегодня пришлось себе делать БП на замену опять сгоревшего (думаю не скоро я его отремонтирую) Chieftec 1KWt. Был у меня 500вт Topower silent.

В принципе неплохой европейский БП, с честной мощностью. Проблема - срабатывает защита. Т.е. при нормальной дежурке только кратковременный старт. Дёрг вентилем и усё.
КЗ по основным шинам не обнаружил, начал исследовать - чудес то не бывает. И наконец нашёл то что искал - шину -12в. Банальный дефект - пробитый диод, даже не стал рассматривать какой. Просто заменил на HER207.
Установил сей БП себе в систему - полёт нормальный.

УПРАВЛЕНИЕ СИЛОВЫМИ КЛЮЧАМИ ИМПУЛЬСНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ
ПРИ ПОМОЩИ TL494

СТАТЬЯ ПОДГОТОВЛЕНА НА ОСНОВЕ КНИГИ А. В. ГОЛОВКОВА и В. Б ЛЮБИЦКОГО "БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT" ИЗДАТЕЛЬСТВА «ЛАД и Н»

СИЛОВОЙ КАСКАД

Построение силового каскада производится в подавляющем большинстве случаев по двухтактной полумостовой схеме и мало отличается в разных вариантах схем ИБП. Основное различие здесь заключается в схемотехнических решениях построения базовых цепей силовых ключевых транзисторов. Конфигурация этих цепей выбирается такой, чтобы обеспечить оптимальный для применяемых транзисторов режим переключения. При этом главным показателем эффективности переключения являются минимальные динамические потери мощности на ключевых транзисторах. При построении базовых цепей силового каскада учитываются следующие факторы:
величина коэффициента усиления по току применяемых транзисторов;
обеспечение оптимальной скорости нарастания и спада тока базы при переключении;
время рассасывания избыточных носителей в базе при запирании транзисторов (инерционность).
Примеры построения базовых цепей силовых каскадов приведены на рис. 22, 23.

Рисунок 22. Конфигурация базовых цепей силовых транзисторов в ИБП GT-200W(a), SMPS 5624-ISM (б), GT-150W (в) с самовозбуждением.

Рисунок 23. Конфигурация базовых цепей силовых транзисторов в импульсных блоков питания PS-200B (a), ESP 1003R (б), Appis (в), PS-6220C (г) с принудительным возбуждением.

Необходимо отметить, что конфигурация базовых цепей определяется еще и типом схемы запуска. Если в данном ИБП использована схема с самовозбуждением, то базовый для силовых транзисторов делитель обязательно имеет связь с шиной Uep (+310В), чтобы через него мог протекать начальный ток, являющийся первопричиной развития лавинообразного процесса открывания одного из транзисторов. ЭДС на вторичных обмотках управляющего трансформатора в первый момент после включения еще отсутствует. Поэтому, чтобы низкоомное сопротивление обмоток не шунтировало бы управляющие переходы база-эмиттер силовых ключей, приходится включатьразвязывающие диоды. Как видно из рис. 22, любая конфигурация базовых цепей при схеме запуска с самовозбуждением включает в себя эти диоды. На рис. 22,а - это D3, D4; на рис. 22,6 - это D4, D5; на рис. 22,в -это D7, D8. Если в ИБП используется схема запуска с принудительным возбуждением, то связи базовых цепей с шиной Uep нет, и развязывающие диоды отсутствуют (рис. 23).
Рассмотрим один период работы силового каскада, построенного по двухтактной полумостовой схеме на примере ИБП KYP-150W (Тайвань) (рис. 24). На этом рисунке показан весь преобразовательный тракт, что позволяет получить более полное представление о работе силового каскада. Эпюры напряжений и токов, поясняющие работу преобразовательного тракта, приведены на рис. 25.

Рисунок 24. Преобразовательный тракт импульсного блока питания KYP-150W.

Рисунок 25. Сквозные временные диаграммы, поясняющие работу преобразовательного тракта импульсного блока питания KYP-150W.
1), 2) - напряжения на выходах управляющей микросхемы TL494;
3), 4) - напряжения на коллекторах транзисторов согласующего каскада;
5) - напряжение в средней точке первичной обмотки управляющего трансформатора;
6), 7) - напряжения на вторичных обмотках управляющего трансформатора;
8) - напряжение в средней точке транзисторной стойки силового полумоста;
9) - ток через первичную обмотку силового импульсного трансформатора;
10), 12) - напряжения на вторичных обмотках силового импульсного трансформатора;
11) - выпрямленное напряжение в положительных каналах;
13) - выпрямленное напряжение в отрицательных каналах.

Рисунок 26. Формирование управляющих напряжений на базах силовых транзисторов.

Диоды D3, D4 препятствуют шунтированию управляющих переходов база-эмиттер транзисторов Q1, Q2 низкоомным сопротивлением управляющих обмоток 4-5 и 7-8 DT в пусковом режиме.
На рис. 25 (временная диаграмма 9) показана форма тока через первичную обмотку силового трансформатора. Такая форма обусловлена индуктивным характером полного сопротивления первичной обмотки. При подаче на индуктивность скачка напряжения, ток через нее, как известно, скачком измениться не может, а нарастает на начальном участке приблизительно линейно. Поэтому ток через первичную обмотку имеет вид пилообразных импульсов с линейно нарастающими передними фронтами. Прекращение нарастания тока определяется моментом закрывания силового транзистора, т.к. при этом первичная обмотка отключается от источника напряжения (шина Uep), и ток через нее протекать не может (кратковременно протекающий после запирания транзистора ток рекуперации в счет не идет). С уменьшением токовой нагрузки на ИБП изменяется не только ширина токовых импульсов, но и их амплитуда. Это объясняется тем, что за более короткий, чем ранее, промежуток времени ток не успевает достичь той же амплитуды при неизменной скорости нарастания. Скорость же нарастания тока через первичную обмотку импульсного трансформатора определяется ее индуктивностью и уровнем Uep, которые не меняются.

ВЫХОДНЫЕ ЦЕПИ

Рассмотрим особенности выходных каналов ИБП. Способ получения выходных напряжений блока может быть различным для разных схем. При этом напряжения основных (сильноточных) каналов +5В и +12В всегда получаются одним и тем же способом во всех схемах. Способ этот заключается в выпрямлении и сглаживании импульсных ЭДС со вторичных обмоток импульсного силового трансформатора. При этом выпрямление во всех двухтактных схемах осуществляется по двухполупериодной схеме со средней точкой. Этим обеспечивается симметричный режим пе-ремагничивания сердечника импульсного трансформатора, т.к. через вторичные обмотки протекает только переменный ток и, следовательно, отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника, неизбежное в однополупериодных схемах выпрямления, где ток протекает через вторичную обмотку трансформатора только в одном направлении.
Рассмотрим работу вторичной стороны на примере схемы ИБП KYP-150W (рис. 27).

Рисунок 27. Получение выходных напряжений в импульсного блока питания KYP-150W (TUV FAR EAST CORP)

Поскольку все четыре выходных канала схемотехнически реализованы примерно одинаково, то ограничимся подробным рассмотрением работы только одного из них (канал +12В). Когда через первичную обмотку 1-2 силового трансформатора РТ протекает линейно нарастающий ток в направлении от вывода 1 к выводу 2, на вторичных обмотках РТ действуют ЭДС постоянного уровня. Полярность этих ЭДС такова, что на выводе 3 присутствует положительный потенциал ЭДС относительно корпуса. На выводе 7 этот потенциал будет отрицательным. Поэтому протекает линейно нарастающий ток по цепи: 3 РТ - верхний диод сборки BD2 - обмотка W2 дросселя L1 - дроссель 12 - конденсатор С21 -корпус - 5 РТ.
Нижний диод сборки BD2 на этом интервале закрыт отрицательным напряжением на аноде, и ток через него не протекает.
Помимо подзарядки конденсатора С21 происходит передача энергии на выход канала (поддерживается ток нагрузки). На этом же интервале времени в сердечниках дросселей L1, L2 запасается магнитная энергия.
Далее ток через первичную обмотку силового трансформатора прерывается как результат закрывания силового транзистора (на схеме не показан). ЭДС на вторичных обмотках исчезают. Длится "мертвая зона". На этом интервале энергия, запасенная в дросселях L1, L2 передается в конденсатор С21 и в нагрузку. При исчезновении ЭДС на вторичных обмотках в дросселя" наводится ЭДС самоиндукции, стремящаяся поддержать ток прежнего направления. Поэтому ток подзарядки С21 во время "мертвой зоны" протекает по цепи: правый (по схеме) вывод L2 - С21 - корпус - 5-3 и 5-7 РТ - диоды BD2 - левый (по схеме) вывод W2L1.
Ток этот - линейно спадающий во времени. Далее открывается второй силовой транзистор (на схеме не показан) и через первичную обмотку РТ начинает протекать линейно нарастающий ток противоположного предыдущему случаю направления (от вывода 2 к выводу 1). Поэтому полярность ЭДС на вторичных обмотках РТ также будет противоположной: на выводе 7 - положительный потенциал относительно корпуса, а на выводе 3 - отрицательный. Поэтому проводящим элементом на этом интервале будет теперь нижний диод сборки BD2, а верхний ее диод будет закрыт. Ток через обмотку W2, L1 и L2 опять будет линейно нарастающим и подзарядит конденсатор С21, а также поддержит ток нагрузки: 7 РТ - нижний диод BD2 - W2L1 - L2-C21 - корпус -5РТ.
В сердечниках L1, L2 вновь накапливается магнитная энергия, которая опять передается в конденсатор С21 и нагрузку на интервале следующей за этим "мертвой зоны". Далее процессы повторяются. При этом разрядка конденсатора С21 на нагрузку происходит в течение всего периода работы.
Из сказанного ясно, что силовая часть представляет собой комбинацию из двух прямоходо-вых преобразователей, образующих двухтактную схему.
В качестве выпрямительных диодов в выходных цепях используются импульсные (высокочастотные) силовые диоды, которые кроме статических параметров, определяемых по вольтампер-ным характеристикам, характеризуются параметрами, определяющими их инерционные свойства при переключении с прямого тока на обратное напряжение. При смене полярности входного напряжения из-за инерционности процесса рассасывания избыточных носителей заряда, накопленных в базе за время открытого состояния, диод восстанавливает свое обратное сопротивление не мгновенно, а через некоторое время восстановления tBoc (trr). В течение этого времени диод остается открытым, и через него протекает обратный ток!обр., значение которого зависит от характера нагрузки выпрямителя и длительности фронта входного переменного напряжения. При этом пока диод не восстановит свое обратное сопротивление, импульсный трансформатор фактически работает в режиме короткого замыкания по выходу, что неблагоприятно сказывается на режиме работы силовых транзисторов и может привести к выходу их из строя, т.к. короткое замыкание на выходе ИБП приводит к резкому броску коллекторного тока через силовой транзистор в момент его переключения. Поэтому применяемые в качестве выпрямительных элементов диоды должны обладать минимально возможным временем восстановления, которое является одним из основных параметров выпрямительных диодов и характеризует их инерционные свойства.
Для уменьшения динамических коммутационных потерь и устранения режима короткого замыкания при переключении в самом сильноточном канале выработки +5В, где эти потери наиболее значительны, в качестве выпрямительных элементов используется диодная сборка (полумост) из двух диодов Шоттки, например, СТВ-34, S15SC4M, S30D40C и т.п.
Применение диодов Шоттки в канале выработки +5 В обусловлено следующими соображениями: диод Шоттки практически безынерционный прибор с почти мгновенным восстановлением обратного сопротивления (время обратного восстановления порядка 0,1мкс) при коммутации [однако они существенно медленнее, чем современные диоды с быстрым восстановлением (Ultrafast Recovery), применяемые нынче, и имеющие trr порядка 30..55нс - прим. АЛ]; прямое падение напряжение на диоде Шоттки равно примерно 0,4В в отличие от кремниевого диода с прямым падением напряжения в0,8-1,2В, что при токе нагрузки 15-20А дает дополнительный выигрыш в КПД ИБП.
В канале выработки +12В обычно применяется либо диодная сборка из двух кремниевых диодов (полумост) типа С25, ESA С25-020 и т.п., либо два дискретных кремниевых диода.
Применение диодов Шоттки в канале выработки напряжения +12В нецелесообразно, т.к. при обратном напряжении выше 50В (а в канале выработки +12В обратное напряжение достигает 60В!) диоды Шоттки плохо переключаются (значительно возрастают обратные токи) и практически не работают.
В качестве выпрямительных элементов в каналах выработки -5В и -12В используются обычные кремнивые импульсные диоды, например, типа PXPR1002.
Все выпрямленные напряжения сглаживаются LC-фильтрами.
Получение выходных напряжений отрицательных каналов может быть различным. В некоторых схемах эти напряжения получают тем же способом, что и +5В и +12В, т.е. выпрямлением и сглаживанием импульсных ЭДС со вторичных обмоток силового трансформатора. В этом случае на вторичной стороне устанавливаются 4 диодных полумоста, каждый из которых работает на свой канал. Силовой трансформатор в этом случае имеет две вторичные обмотки с выводами от средней точки. Такая схема используется, например, в ИБП KYP-150W (рис. 27).

Рисунок 28. Получение выходных напряжений в импульсного блока питания LPS-02-150XT.

Имеются варианты схем, в которых со вторичных обмоток силового трасформатора получают только три выходных напряжения: +5, +12, -12 В. Напряжение -5В получают из -12В с помощью интегрального линейного трехвыводного стабилизатора типа 7905. Силовой трансформатор в этих схемах также имеет две вторичные обмотки с выводом от средней точки. Так как путем выпрямления здесь получают только три выходных напряжения, то на вторичной стороне установлены не 4, а только 3 выпрямительных диодных полумоста. Такой вариант построения схемы используется, например, в ИБП LPS-02-150XT (рис.28).
Количество вторичных обмоток силового импульсного трансформатора может быть различным в разных схемах. Например, в схеме ИБП PS-200В (рис. 29) силовой трансформатор имеет три вторичные обмотки с выводом от средней точки, т.е. каждая из вторичных обмоток работает со своим полумостом.

Рисунок 29. Получение выходных напряжений в импульсном блоке питания PS-200B

В схеме импульсного блока питания KYP-150W (рис.27) у силового трансформатора всего две вторичные обмотки, каждая из которых работает с двумя полумостами.
Соблазн использовать диоды Шоттки в канале выходного напряжения +12В привел разработчиков к оригинальному схемному решению. Суть этого решения заключается в том, что средняя точка вторичной обмотки силового трансформатора, с которой получается выходное напряжение +12В, подключается не к корпусу (как в классических схемах), а к шине выходного напряжения +5В. Пример такой схемы показан на рис. 30.

Рисунок 30. Получение выходных напряжений в импульсном блоке питания PS-6220C (BENAVIOR TECH. COMPUTER CORP).

Другими словами, в среднюю точку обмотки канала +12В подается "подпорка", уменьшающая величину обратного напряжения, приложенного к выпрямительным диодам. Поэтому использование диодов Шоттки в канале +12В становится возможным.Как уже отмечалось, конструктивно и электрически в схему ИБП входит вентилятор принудительного охлаждения схемы самого ИБП и системного блока. Обычно он представляет собой бесколлекторный вентильный двухфазный двигатель постоянного тока. Обмотки двигателя вентилятора запитыватюся в большинстве схем ИБП с шины выходного напряжения +12В. Однако имеются схемы, в которых питание для двигателя вентилятора берется с шины -12В. Вентилятор на зарубежных принципиальных электрических схемах обозначается как D.C. FAN. В ИБП KYP-150W, например, используется вентилятор типа SU8025-M, имеющий следующие основные характеристики: номинальное напряжение питания 12В, потребляемый ток 0.12А. Принцип действия и конструкция двигателя вентилятора будут подробно рассмотрены далее. Здесь же отметим лишь то, что воздушный поток, создаваемый двигателем вентилятора, направлен из системного модуля на ружу (в окружающую среду), т.е. теплый воздух выдувается из системного блока. Обычно на корпусе вентилятора имеются указатели в виде стрелок, показывающие направления вращения крыльчатки и направление воздушного потока. Корпус БП имеет отверстия или щелевые прорези на стороне, противоположной вентилятору. Благодаря этому при вращении крыльчатки создается воздушный поток, охлаждающий как элементы узлов системного модуля, так и схему самого ИБП.
Таким образом вторичная сторона ИБП на основе управляющей микросхемы TL494 и полумостового инвертора схемотехнически может отличаться:
способом получения выходного напряжения -5В и, следовательно, количеством выпрямительных диодных полумостов;
количеством вторичных обмоток силового импульсного трансформатора;
способом подачи питания на двигатель вентилятора.
Кроме того, в схемах с самовозбуждением выпрямленное импульсное напряжение с выхода диодного полумоста канала +12В используется для получения вспомогательного напряжения питания управляющей микросхемы и согласующего каскада. Это напряжение было обозначено ранее как Upom. Для получения этого напряжения к выходу полумоста через развязывающий диод подключается сглаживающая емкость, напряжение с которой обычно через дополнительный Г-образный RC-фильтр развязки подается на шину Upom, с которой и запитывается по выводу 12 управляющая микросхема, а также базовые делители транзисторов согласующего каскада и коллекторы этих транзисторов. Например, на рис.27 диод D14 - диод развязки. С19 - сглаживающая емкость. Элементы R36, С11 образуют Г-образный RC-фильтр.
Необходимость включения развязывающего диода объясняется тем, что при его отсутствии накопительная емкость С19 шины Upom, которая подзаряжается импульсами со вторичной обмотки силового трансформатора, во время пауз разряжалась бы на низкоомную нагрузку канала +12В. Это привело бы к значительному возрастанию пульсации на шине Upom, что нежелательно. Г-образный RC-фильтр также способствует подавлению пульсации на шине Upom.
Уровень напряжения Upom в схемах с самовозбуждением, как уже отмечалось, составляет около +26В. Это объясняется тем, что размах импульсного напряжения на вторичной обмотке импульсного трансформатора, работающее на каналы +12В и -12В, составляет около 60В. Поэтому амплитуда импульсов на выходе выпрямительного полумоста в канале +12В составит половину этой величины, т.е. около +ЗОВ. Примерно до этого уровня и заряжается через диод развязки сглаживающая емкость шины Upom.
Попутно отметим, что размах импульсного напряжения на вторичной обмотке, работающей на каналы +5В и -5В, примерно вдвое меньше и составляет около 26В. Поэтому амплитуда импульсов на выходах диодных полумостов каналов +5В и -5В составляет около 13В.
К шине выходного напряжения +5В во всех схемах ИБП рассматриваемого семейства подключается резистивный делитель, выполняющий функцию измерительного элемента в цепи обратной связи в контуре стабилизации выходных напряжений (см.ниже).
Между шинами -5В и -12В обычно включается диодно-резистивный делитель, выполняющий функцию измерительного элемента схемы защиты от КЗ в нагрузках каналов -5В и -12В (см. ниже).
Кроме того, к выходным шинам (ко всем четырем или к некоторым в зависимости от построения схемы ИБП) подключены разрядные резисторы. Назначение их - быстрая разрядка всех выходных конденсаторов, а также конденсаторов различных вспомогательных схем после выключения ИВП из сети с целью привести всю схему ИБП в исходное состояние перед последующим включением. Ранее уже была отмечена принципиальная важность этого обстоятельства. Однако здесь повторим еще раз, что для нормального выхода ИБП на режим, все конденсаторы его схемы к моменту включения в питающую сеть должны быть полностью разряжены. На рис.27, например, разрядным резистором в канале +5В является R37, в канале -5В- R43, в канале +12В - R45, в канале -12В - R42.
Токи, протекающие через эти резисторы в процессе работы ИВП, незначительны по сравнению с токами нагрузок. Поэтому можно считать, что в процессе работы эти резисторы не влияют на работу схемы ИБП.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ IBM		Рассматриваются основные параметры импульсных блоков питания, приведена цоколевка разъема, принцип работы от напряжения сети 110 и 220 вольт,
УПРАВЛЕНИЕ СИЛОВЫМИ КЛЮЧАМИ ИМПУЛЬСНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ ПРИ ПОМОЩИ TL494		Подробно расписана микросхема TL494, схема включения и варианты использования для управления силовыми ключами импульсных блоков питания.
УПРАВЛЕНИЕ СИЛОВЫМИ КЛЮЧАМИ ИМПУЛЬСНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ ПРИ ПОМОЩИ TL494		Описаны основные способы управления базовыми цепями силовых транзисторов импульсных блоков питания, варианты построения выпрямителей вторичного питания.		Полное описание принципиальной схемы и ее работы импульсного блока питания

Большинство современных лабораторных источников питания снабжены цифровыми индикаторами для контроля выходных токов и напряжений. Вместе с тем, использование для этих целей специализированных микросхем АЦП типа ICL 7106 и ICL 7107 наблюдается реже. Эти микросхемы громоздки и не снабжены динамическим управлением индикаторов. Производители КИП стараются реализовывать функции измерения и управления на одной микросхеме – микроконтроллере. Это упрощает и удешевляет конструкцию прибора за счёт снижения количества элементов. Возможность обновлять ПО также является немаловажным достоинством схем на микроконтроллерах.

В предлагаемом устройстве, помимо основных функций, микроконтроллер выполняет подсчёт мощности отдаваемой в нагрузку, при необходимости включает охлаждение, а в дежурном режиме переводит устройство в режим часов с календарём.

Технические характеристики:

Основные возможности и режимы:

1. Режим отображения времени даты с учётом високосного года.
2. Функция автоматической коррекции времени.
3. Режим снижения яркости в дежурном режиме (только для VFD версии).
4. Отображение температуры нагретой зоны.
5. Режим отображения напряжений, токов и мощностей в рабочем режиме.
6. Функция проверки исправности датчика температуры.
7. Функция автоматического включения/выключения вентилятора охлаждения.
8. Функция ручного управления подачей мощности в нагрузку.

Лабораторный источник питания состоит из следующих функциональных блоков:

1. Блок управления и индикации.
2. Блок измерения.
3. Источник питания для блока управления и индикации и блока измерения.
4. Силовой блок.
5. Устройство стабилизации напряжений и токов.
6. Устройство охлаждения.

Блок управления и индикации

Блок управления и индикации представляет собой устройство, построенное на базе микроконтроллера ATMEGA8 (схема 1.1 и 1.2).

В нём имеются четыре аналоговых входа для измерения напряжений и токов, выходы для включения реле подачи напряжения в нагрузку и включения вентилятора охлаждения, вход для подключения датчика температуры, кнопки управления и индикаторная панель.
Программа для микроконтроллера ATMEGA8 была написана для VFD — вакуумного флюоресцентного дисплея 4*20 CU20045SCPB-T23A FUTABA и стандартного 4*20 ЖКИ.

Питание блока – стабилизированное 5 вольт. Максимальное паспортное потребление тока VFD – 1 ампер. Это на два порядка больше чем у ЖКИ, что следует учесть при выборе источника питания для этого блока.

Блок измерения

Блок измерения (схема 2) представляет собой гальванически развязанную между входом и выходом систему двойного преобразования аналогового сигнала – напряжение- частота-напряжение (V — F — V).

Блок измерения является прецизионным устройством с нелинейностью не хуже 0,01%. Питание устройства со стороны измерения (левая часть согласно схеме 2) 8,5 вольт и может лежать в пределах 5…40 вольт. Следует обратить внимание, что значительное изменение питающих напряжений от указанных на схеме потребует изменение номиналов в цепях питания светодиодов оптопар. Правая часть блока измерения гальванически связана с блоком управления и индикации и имеет тоже питание 5 вольт.

На схеме блока измерения изображён только один канал, канал напряжения и тока А. Канал В идентичен каналу А.

Настройка блока сводится к установке выходного напряжения при соответствующем напряжении на входе при помощи подстроечных резисторов RS – 10k и 50k для тока и напряжения соответственно. Для простоты настройки блока измерения необходимо использовать один источник питания 5…10 вольт, включенный параллельно всем питаниям каналов и второй, в качестве источника измеряемого напряжения на входе.

Затем необходимо проверить прохождение сигнала от входа к выходу в соответствии с указанными на схеме значениями. Во избежание выхода из строя блока измерения при настройке не следует превышать максимально допустимое значение напряжения на входе микросхем LM331.

Источник питания для блока управления и индикации и блока измерения

Источник питания для блока управления и индикации и блока измерения является наиболее сложным устройством и требует некоторого опыта при изготовлении (схема 3). Источник питает соответствующие блоки несколькими стабилизированными напряжениями, гальванически изолированными друг от друга.

В авторском варианте использован импульсный трансформатор Т1 37P-6000 от отслужившего свой срок драйвера мотора. Это стандартный трансформатор, который использовался для питания цепей управления силовых модулей с составными транзисторами и питания процессорной части. Вполне допустимо применение любого импульсного трансформатора с 5-ти вольтовой обмоткой на 1,5 ампера и четырьмя изолированными обмотками с напряжениями 8…20 вольт 30-100 мА для блока измерения. Такие трансформаторы установлены во всех драйверах моторов серво- и переменного тока. Подойдут и импульсные трансформаторы для питания цепей управления IGBT-модулей. Иногда проще использовать готовый импульсный источник питания, доматав недостающие обмотки. При этом следует соблюдать фазировку согласно схеме 3 и не соединять корпус обмотки питания контроллера с общими шинами вторичных обмоток.

В таблице 1 указаны выходные напряжения и токи трансформатора Т1.

Таблица 1

Номер контакта трансформатора Т1	Назначение	Напряжение после выпрямителя	Минимально допустимый ток
	Первичная обмотка
	Обмотка для питания контроллера IC1
	Обмотка для питания блока управления и индикации (схема 1) и правой части блока измерения (схема 2)
	блока измерения (схема 2)
	Обмотка для питания левой части блока измерения (схема 2)
	Обмотка для питания левой части блока измерения (схема 2)
	Обмотка для питания левой части блока измерения (схема 2)

Силовой блок

Силовой блок представляет собой четыре адаптированных источника питания от ноутбука. Адаптация сводится к переключению шины заземления и экрана от минусовой шины 19 вольт и подключению их через разделительные конденсаторы 4,7нФ 1кВ к обоим полюсам выходного напряжения 19 вольт согласно схеме 4. Это сделано для того, чтобы при последовательном включении каналов не происходило короткое замыкание через шину заземления. В силовом блоке следует использовать источники питания с выходным током не менее 3,5 ампер и напряжением 17-20 вольт. Готовые блоки питания следует вставить в изогнутый стальной экран из лужёной жести, затем спаять его по шву и заземлить.

Устройство стабилизации напряжения и тока

Устройство стабилизации напряжения и тока представляет собой линейную схему регулирования мощности. На схеме 5 изображён один канал А. Каналы А и В идентичны. Общие шины и шины питания каналов изолированы друг от друга. Вход устройства подключен к силовому блоку, а выход к входным контактам коммутационных реле pwrout1_2 в блоке управления и индикации. Выходные контакты коммутационных реле pwrout1_2 подключены непосредственно к клемам, расположенным на передней панели устройства. К этим клемам подключены входы блока измерения напряжения. Для измерения тока соответствующие входы блока измерения подключены к токовым шунтам R16 в соответствии с указанной на схеме полярностью.

Для настройки устройства стабилизации напряжения и тока необходимо установить напряжения питания +/-17,5 вольт в контрольных точках согласно схеме с неустановленными или отключенными микросхемами операционных усилителей ОР1 и установить границу включения индикатора защиты по току limit_I.

Напряжения питания +/-17,5 вольт в контрольных точках устанавливаются потенциометрами R23 и R24 при помощи цифрового вольтметра.

Граница включения индикатора защиты по току limit_I устанавливается потенциометром R20 в положении, когда регулятор тока R11 находится на минимуме – в крайнем левом положении. Индикатор защиты должен светиться ровно и без мерцаний.

Измерительные резисторы R16, составные транзисторы VT1 от двух каналов, датчик температуры IC2 от блока управления и индикации, вентилятор охлаждения размещают на основном радиаторе (площадью 2100 см²) в задней части корпуса источника питания. Микросхемы стабилизаторов напряжения двух каналов DA3 и DA4 также необходимо устанавить на радиатор. Это может быть как основной, так и установленный в устройстве стабилизации напряжения и тока радиатор. Установленные на корпус основного радиатора элементы необходимо изолировать, а радиатор заземлить. Общий провод питания 5В также необходимо заземлить. Трансформаторы питания каналов маломощные 220В/2*22В-2,5Вт.

Для удобства на плате устройства стабилизации напряжения и тока установлена линейка параллельно включеных разъёмов для питания 220 вольт всех блоков источника (схема 6).

При использовании указанных на схеме элементов и соблюдении номиналов подстроечных элементов дополнительной настройки устройства стабилизации напряжения и тока не требуется.

В случае наблюдения осциллографом возбуждений на выходе элемента ОР1.2 операционного усилителя, необходимо увеличить ёмкость конденсатора С6.

Устройство охлаждения

Устройство охлаждения состоит из радиатора и вентилятора охлаждения, установленного на основной радиатор. Для питания вентилятора охлаждения и подсветки светодиодов ЖКИ (если индикатор с подсветкой) используется готовый миниатюрный источник питания для зарядки мобильного телефона, расчитанный на ток 500 мА и напряжение 12 вольт. Его выходное напряжение поступает на вход контактной группы реле COLLER в блоке управления и индикации и ко входу подсветки ЖКИ вышеописанным способом. Выход контактной группы реле COLLER подключается непосредственно к вентилятору охлаждения.

На передней панели располагают кнопки управления, индикаторы включения защиты по току, клеммы и регуляторы. Регуляторы напряжения – многооборотные. При необходимости на боковой стороне размещают сетевой выключатель.

О деталях

Резисторы в измерительных цепях в блоке измерения и устройстве стабилизации напряжения и тока должны быть с точностью не хуже 1%, оптопары IC2, IC5 — 4N35, CNY17 или аналогичные. Транзистор VT1 в устройстве стабилизации напряжения и тока – любой N-P-N дарлингтон транзистор 60 – 250 вольт, мощностью не менее 150 ватт и током коллектора не менее 10 ампер. Измерительный шунт – резистор R16 – мощностью не менее 5 ватт. Без изменений схемы микросхема KA1M0565R может быть заменена на KA1H0565R. С определёнными доработками допустимо использование контроллеров серий TOP или VIPER. Контактные группы комутационных реле должны быть расчитаны на токи, указанные на схеме.

Для снижения общих габаритов устройства целесообразно использовать поверхностные SMD-компоненты, а нужные значения сопротивлений для измерительных цепей можно получить, используя программу Parcalc (http://pgurovich.ru/parcalc/) .

Работа с устройством

Устройство предназначено для отображения на индикаторе информации в 2-х режимах:
режим 0 – отображается время, календарь и температура на пониженной яркости;
режим 1 – отображаются напряжения, токи и мощности 2-х каналов на полной яркости.

Выбор режима производится соответствующим логическим уровнем напряжения на входе MODE (вывод 19 ATmega) .

При переходе из режима 0 в режим 1, удерживая кнопку MODE, напряжение с ЛИП не поступит в нагрузку до отпускания этой кнопки. Это сделано для контролирования момента подачи напряжения.

При превышении температуры датчика значения +45,0°С, независимо от режима индикации, включится вентилятор, а при снижении её до +35,5°С, вентилятор выключится.

При превышении температуры датчика значения +85,0°С в режиме 1 на индикаторе вместо значений мощностей отобразится надпись “ ALARM !” .

При нарушении нормальной работы термодатчика, независимо от режима индикации, в нижней строке индикатора отобразится надпись “ TempERR”.

Редактирование времени и календаря

Установка новых значений времени и календаря возможна только в режиме 0. Кнопкой Sel (вывод 17 ATmega) производится выбор параметра для его изменения в следующем порядке: часы, минуты, день, месяц, день недели, год, секунды. Выбранный параметр мигает на индикаторе. Он устанавливается в нужное значение кнопками “+” и “-“ (выводы 18 и 19 ATmega) кроме секунд, кнопкой Sel секунды обнуляются, т.е. текущая минута начинается сначала.

Устройство выходит из режима редактирования:
— через 3 секунды после последнего нажатия на любую кнопку;
— после редактирования секунд;
— после редактирования точности хода часов.

После удержания кнопки “+” или “-“ нажатой более 3-х секунд увеличится скорость изменения значения выбранного параметра.

Редактирование точности хода часов

При необходимости подстроить точность хода часов нужно в режиме 0 подержать кнопку Sel нажатой не менее 3-х секунд. На индикаторе появится параметр, управляющий точностью. При изменении этого числа на единицу кнопками “+” и “-“ точность хода изменится в ту же сторону примерно на 1 секунду за 3 месяца. После установки нового значения параметра для его записи в EEPROM и выхода из редактирования нужно нажать кнопку Sel. Параметр точности может быть в пределах от 0 до 2000000.

Устройство источника питания не является критичным в плане ЭМС, не требует дополнительных мер и может быть собрано на тестовых платах с использованием SMD -компонентов. Важно, чтобы все экраны импульсных источников питания были соединены с заземлением, а высоковольтные первичные цепи были надёжно изолированы и закрыты. ленты. Both comments and pings are currently closed.

Микросхемы супервизора напряжения становятся все более популярными при производстве системных блоков питания. Наличие микросхемы супервизора выходных напряжений становится поистине признаком современной и хорошо продуманной схемотехники блока питания. На сегодняшний день на рынке представлен целый ряд микросхем супервизоров, отличающихся внутренней архитектурой и характеристиками.

SG6521 относится к классу супервизоров напряжений, и позволяет разработчикам системных блоков питания минимизировать количество элементов в цепях контроля выходных напряжений, что, в итоге, положительно сказывается на надежности и стоимости блока питания.

Контроллер SG6521 оптимизирован для применения в блоках питания класса ATX, хотя может использоваться и в любых импульсных источниках питания и системах электропитания сервосистем. SG6521 представляет собой микросхему, выполняющую следующие функции:

- супервизор напряжений;

- супервизор токов;

- удаленное управление блоком питания (его включение/выключение) посредством сигнала PSON;

- формирование сигнала Power Good (питание в норме);

- защита от различных аварийных режимов блока питания.

Основными особенностями микросхемы SG6521 являются:

- наличие отдельных входов для контроля двух выходных напряжений номинала 12В (т.е. для 12V1 и для 12V2);

- обеспечение защиты от превышения напряжений (OVP) в каналах +3.3В, +5В и в обоих каналах +12В;

- обеспечение защиты от снижения напряжений (UVP) в каналах +3.3В, +5В и в обоих каналах +12В;

- обеспечение защиты от превышения тока (OCP) в каналах +3.3В, +5В и в обоих каналах +12В;

- наличие выходов с открытым стоком для формирования сигналов Power Good и FPO;

- обеспечение задержки в 300мс при формировании сигнала Power Good;

- обеспечение временной задержки 2.8 мс при формировании сигнала FPO после активизации сигнала PSON;

- обеспечение временной задержки в 48 мс для сигнала PSON;

- широкий диапазон питающих напряжений (от 4В до 15В);

- отсутствие блокировки при быстром включении/выключении переменного тока;

- наличие встроенной термической защиты;

- наличие добавочного входа защиты PEXT.

Микросхема выпускается в 16-контактоном корпусе типа DIP (SG6521DZ) или SOP (SG6521SZ). Распределение сигналов по контактам микросхемы представлено на рис.1, назначение контактов микросхемы описано в табл.1.

Рис.1 Цоколевка супервизора напряжений SG6521

Таблица 1. Назначение контактов SG6521

№	Наименов.	Тип	Описание
		Аналоговый вход	Вход, управляющий состоянием сигнала Power Good . В блоках питания ATX с помощью этого сигнала определяется наличие переменного тока в обмотках силового трансформатора. Этот сигнал используется для упреждающего сброса сигнала Power Good при пропадании сетевого напряжения. Если входное напряжение сигнала PGI становится менее 1.25 В, сигнал Power Good переводится в низкий уровень.
			Земля
		Логический выход	Выходной сигнал защиты от аварийных режимов работы. Этот сигнал управляет ШИМ-контроллером, разрешая или запрещая его работу. Если ШИМ-контроллер находится в первичной части блока питании, то он управляется сигналом FPO через оптопару. Низкий уровень сигнала FPO разрешает работу ШИМ-контроллера, а высокий уровень сигнала - запрещает.
	PSON	Логический вход	Сигнал удаленного управления, формируемый системной платой персонального компьютера. Установка этого сигнала в низкий уровень приводит к запуску блока питания, а установка в высокий уровень – к выключению блока питания. Блок питания включается и выключается с временной задержкой в 48 мс после изменения состояния сигнала PSON .
	IS 12	Аналоговый вход	Вход токовой защиты канала +12В. На этот контакт, чаще всего, подается напряжение, снимаемое с «положительного» контакта резистора, являющегося токовым датчиком канала +12 V 1. Напряжение этого контакта сравнивается внутренним компаратором микросхемы с напряжением контакта VS 12. Если напряжение контакта IS 12 превышает напряжение на контакте VS 12 более, чем на 5мВ, то токовая защита активизируется, что должно приводить к установке сигнала FPO в высокий уровень.
		Аналоговый вход	Контакт установки величины внутреннего опорного тока микросхемы. Внешний резис-тор (RI ), подключенный между данным контактом и землей, определяет значение опор-ного тока. Величина опорного тока IREF определяется, как отношение 1.25/ RI . Опор-ный ток используется для программирования порога срабатывания токовой защиты.
	IS 12 V 2	Аналоговый вход	Вход токовой защиты канала +12 V 2 (это второй канал напряжения +12В, используемый для питания ядра микропроцессора). На этот контакт, чаще всего, подается напряжение, снимаемое с «положительного» контакта резистора, являющегося токовым датчиком канала +12 V 2. Напряжение этого контакта сравнивается внутренним компаратором микросхемы с напряжением контакта VS 12 V 2. Если напряжение контакта IS 12 V 2 превышает напряжение на контакте VS 12 V 2 более, чем на 3мВ, то токовая защита активизируется, что должно приводить к установке сигнала FPO в высокий уровень.
	VS 12 V 2	Аналоговый вход	Вход защиты канала +12 V 2 от превышения и от понижения напряжения. На этот контакт подается выходное напряжение блока питания, т.е. напряжение с «отрицательного» вывода резистора, являющегося токовым датчиком канала.
	PEXT	Аналоговый вход	Вход дополнительной защиты через который можно организовать защиту блока питания от самых разных воздействий, например, защиту от превышения температуры (термическую защиту). В этом наиболее распространенном варианте на данный контакт подается сигнал с датчика температуры, которым является терморезистор, размещаемый, чаще всего, на радиаторе вторичных выпрямителей.
	IS 5	Аналоговый вход	Вход токовой защиты канала +5В. На этот контакт, чаще всего, подается напряжение, снимаемое с «положительного» контакта резистора, являющегося токовым датчиком канала +5 V . Напряжение контакта IS 5 сравнивается внутренним компаратором микросхемы с напряжением контакта VS 5 и, если оно становится выше на 3мВ, то срабатывает токовая защита.
	IS 33	Аналоговый вход	Вход токовой защиты канала +3.3В. На этот контакт чаще всего подается напряжение, снимаемое с «положительного» контакта резистора, являющегося токовым датчиком канала +3.3 V . Напряжение контакта IS 33 сравнивается внутренним компаратором микросхемы с напряжением контакта VS 33 и, если оно становится выше на 3мВ, то срабатывает токовая защита.
	VS 12	Аналоговый вход	Вход защиты канала +12 V 1 от превышения и от понижения напряжения. На этот контакт подается выходное напряжение блока питания, т.е. напряжение с «отри-цательного» вывода резистора, являющегося токовым датчиком канала.
	VS 33	Аналоговый вход	Вход защиты канала +3.3 V от превышения и от понижения напряжения. На этот контакт подается выходное напряжение блока питания, т.е. напряжение с «отри-цательного» вывода резистора, являющегося токовым датчиком канала.
	VS 5	Аналоговый вход	Вход защиты канала +5 V от превышения и от понижения напряжения. На этот контакт подается выходное напряжение блока питания, т.е. напряжение с «отрицательного» вывода резистора, являющегося токовым датчиком канала.
		Питание	Напряжение питания микросхемы. Допустимый диапазон напряжений на контакте 4.2…15В. В блоках питания ATX на этот контакт подается напряжение +5 VSB , снимаемое с дежурного источника питания. После запуска блока питания, микросхема обычно питается напряжением +12В, подаваемым на этот контакт через развязывающий диод.
		Логический выход	Выходной сигнал Power Good . Высокий уровень сигнала означает, что все выходные напряжения блока питания находятся в допустимом диапазоне значений. Сигнал Power Good формируется микросхемой с временной задержкой в 300 мс, после установки всех напряжений в допустимые значения.

Типовой вариант включения микросхемы представлен на рис.2, а на рис.3 изображается ее функциональная схема.

Рис.2 Типовое включение супревизора напряжений системного блока питания - микросхемы SG6521

Рис.3 Внутренняя архитектура супревизора напряжений SG6521

Функционирование микросхемы

Питание микросхемы осуществляется дежурным источником, формирующим напряжением +5VSB. Поэтому, как только на блок питания начинает подаваться сетевое напряжение, микросхема SG6521 запускается и начинает контролировать состояние сигнала PSON , удерживая при этом сигнал FPO в высоком уровне. Высокий уровень сигнала FPO запрещает работу микросхемы ШИМ-контроллера.

Как только сигнал PSON устанавливается в логический «0» , SG6521 переводит свой выходной сигнал FPO в низкий уровень, в результате чего разрешается работа ШИМ-контроллера, и блок питания запускается. Блок питания запускается спустя 48 мс после установки сигнала PSON в низкий уровень. Как только все выходные напряжения блока питания достигнут заданного диапазона значений, микросхемой устанавливается сигнал PGO в высокий уровень, разрешая запуск центрального процессора персонального компьютера.

После запуска основного преобразователя блока питания, микросхемой SG6521 отслеживается величина выходного напряжения и тока каждого из положительных каналов. И как только напряжение или ток выходят за пределы допустимых значений, сигнал FPO устанавливается в высокий уровень, запрещая работу блока питания. Блокировка при снижении напряжений (UVP ) срабатывает в том случае, если:

Местоположение микросхемы SG6521 в составе блока питания демонстрирует рис.4.

Рис.4 Блок-схема системного источника питания с микросхемой SG6521

Кроме выходных напряжений микросхемой SG6521 анализируется еще и наличие переменного напряжения на выходе силового трансформатора. Для такого анализа используется сигнал PGI . Этот сигнал получают путем выпрямления импульсов одной из вторичных обмоток силового трансформатора. Однако в этой выпрямительной цепи используется сглаживающий конденсатор малой емкости (рис.5). Именно поэтому, прекращение генерации основного преобразователя блока питания приводит к очень быстрому падению напряжения сигнала PGI . В результате, уровень сигнала PGI становится ниже 1.25В в то время, как в остальных каналах напряжение продолжает еще удерживаться в допустимом диапазоне значений за счет больших емкостей сглаживающих конденсаторов. Таким образом, с помощью сигнала PGI микросхеме SG6521 удается заранее «узнать» о том, что блок питания выключается. Так как резкое пропадание напряжение очень плохо влияет на работу микропроцессора, сигнал Power Good должен запрещать его работу до того, как пропадет питающее напряжение. Именно с помощью сигнала PGI можно упредить неожиданное отключение процессора, деактивируя сигнал Power Good раньше, чем пропадет питающее напряжение.

Рис.5 Построение схемы предупреждения о пропадании питания

Здесь также хочется напомнить (хотя об этом уже очень много говорилось в наших обзорах, посвященных стандартам блоков питания), что в соответствии с действующими нормативами, на выходе блока питания должно формироваться два напряжения номиналом +12В – это +12V1 и +12V2 . Напряжение +12V2 должно использоваться для питания ядра процессора, а напряжение +12V1 используется для питания всех остальных потребителей этого напряжения. В соответствии с современными стандартами, каждый из этих каналов должен быть оснащен отдельным, независимым, датчиком тока. Именно это и позволяет реализовать микросхема SG6521 в блоках питания.

Выходными сигналами микросхемы являются сигналы PGO и FPO. Зависимость уровней PGO и FPO от состояния входных сигналов микросхемы, представлены в табл.2.

Т аблица 2. Состояние выходных сигналов PGO и FPO в зависимости от различных режимов работы

PGI	PSON	UVP12V и OCP	OVP	FPO	PGO
PGI<1.25V	«0»	нет	нет	«0»	«0»
PGI<1.25V	«0»	нет	да	«1»	«0»
PGI<1.25V	«0»	да	нет	«0»	«0»
PGI<1.25V	«0»	да	да	«1»	«0»
PGI>1.25V	«0»	нет	нет	«0»	«1»
PGI>1.25V	«0»	нет	да	«1»	«0»
PGI>1.25V	«0»	да	нет	«1»	«0»
PGI>1.25V	«0»	да	да	«1»	«0»
Примечание «0» - означает, что сигнал установлен в низкий уровень, а «1» - означает, что сигнал установлен в высокий уровень UVP 12 V – защита от снижения напряжения в канале 12В; «да» - означает, что защита сработала OCP – защита от превышения тока в любом из каналов; «да» - означает, что защита сработала OVP – защита от превышения напряжения в любом из каналов; «да» - означает, что защита сработала

У микросхемы SG6521 имеется контакт дополнительной защиты. Этот входной контакт обозначается PEX T. Наличие контакта PEXT обеспечивает гибкость при разработке нестандартных защит. Так, например, с помощью этого входа можно организовать защиту от перегрева, для чего к входу PEXT необходимо будет подключить датчик температуры в виде терморезистора с отрицательным ТКС (NTC), как это показано на рис.2.

SG6521 позволяет организовать токовую защиту по каждому выходному каналу, причем все эти защиты функционируют независимо друг от друга, т.е. к аварийному отключению блока питания может привести чрезмерно увеличение тока даже в каком-то одном из каналов, в то время как ток в остальных каналах будет находиться в допустимом диапазоне значений. Для организации токовой защиты в каждом питающем канале напряжения устанавливается токовый датчик, функцию которого выполняют низкоомные резисторы. Падение напряжения на этих резисторах оценивается внутренними прецизионными компараторами, смещающее напряжение которых равно 3 мВ . Входной ток контактов IS33, IS5 и IS12 равен восьмикратному значению опорного тока (IREF ), величина которого задается контактом RI (см. табл.1). Эквивалентная схема токовой защиты (OCP ) представлена на рис.6.

Рис.6 Эквивалентная схема токовой защиты

Здесь в качестве примера представлена схема OCP канала +12V , и именно для нее рассчитаем параметры используемых элементов. Так как сравнивающим элементом схемы является компаратор, то защита OCP становится активной при условии соблюдения следующего неравенства (1):

I1xR1 > IRIxR2 (1)

Если резистор R1 =5 мОм , а резистор RI =30 кОм (напомним, что резистор RI подключен к конт.6 микросхемы SG6521), то защита OCP активизируется при величине тока 35А. При этом номинал резистора R2 рассчитывается по формуле (2):

R2 = I1xR1 / IRIx8 = 525 Ом (2)

Конденсатор С предназначен для шунтирования помех, его емкость должна находиться в диапазоне 1...2.2 мкФ .

Временные диаграммы, поясняющие процессы включения и выключения блока питания и активизируемые с помощью микросхемы SG6521, представлены на рис.7.

Рис.7 Временные диаграммы включения и выключения SG6521

А на рис.8 приведены временные диаграммы срабатывания различных защит, осуществляемых микросхемой SG6521.

Рис.8 Функционирование защит в SG6521

Пороговые уровни активизации защит представлены в табл.3.

Таблица 3. Уровни активации защит в SG6521

Параметр	Значение, [ В ]
	мин	тип	макс
Защита от превышения напряжения для канала +3.3 V (OVP 33)
Защита от превышения напряжения для канала +5 V (OVP 5)
Защита от превышения напряжения для каналов +12 V 1 и +12 V 2 (OVP 12)	13.2	13.8	14.4
Защита от снижения напряжения для канала +3.3 V (UVP 33)
Защита от снижения напряжения для канала +5 V (UVP 5)
Защита от снижения напряжения для каналов +12 V 1 и +12 V 2 (UVP 12)

Следует обратить внимание на важность входного сигнала PGI , который используется для управления состоянием обоих выходных сигналов (FPO и PGO ) а также разрешает прохождение сигналов от схем OCP, OVP и UVP . Если уровень входного сигнала PGI становится ниже 1.25В , то это приводит к выключению блока питания (посредством установки FPO в высокий уровень) и сбросу в низкий уровень сигнала PGO . Однако. при включении и запуске микросхемы супервизора, порог активизации находится на уровне 0.6В . Это означает, что как только напряжение PGI достигнет величины 0.6В , работа схем OVP, UVP и OCP разрешена, т.е. запуск защит происходит несколько раньше, что позволяет значительно раньше отслеживать аварийные режимы работы блока питания – в самом начале его работы. Другими словами, включение защит происходит при превышении сигналом PGI уровня 0.6В , а выключение - при снижении уровня PGI до 1.25В . Все это демонстрируется на рис.9.

Неотъемлемой частью каждого компьютера является блок питания (БП) . Он важен так же, как и остальные части компьютера. При этом покупка блока питания осуществляется достаточно редко, т. к. хороший БП может обеспечить питанием несколько поколений систем. Учитывая все это к приобретению блока питания необходимо отнестись очень серьезно, так как судьба компьютера в прямой зависимости от работы блока питания.

Основное назначение блока питания - формирование напряжения питания , которое необходимо для функционирования всех блоков ПК. Основные напряжения питания компонентов это:

• +12В
• +3,3В

Существуют также дополнительное напряжение:

• −12В

Для осуществления гальванической развязки достаточно изготовить трансформатор с необходимыми обмотками. Но для питания компьютера нужна немалая мощность , особенно для современных ПК . Для питания компьютера пришлось бы изготовлять трансформатор, который имел бы не только большой размер, но и очень много весил. Однако с ростом частоты питающего тока трансформатора для создания того же магнитного потока необходимо меньше витков и меньше сечение магнитопровода. В блоках питания, построенных на основе преобразователя, частота питающего напряжения трансформатора в 1000 и более раз выше. Это позволяет создавать компактные и легкие блоки питания.

Простейший импульсный БП

Рассмотрим блок-схему простого импульсного блока питания , который лежит в основе всех импульсных блоков питания.

Блок схема импульсного блока питания .

Первый блок осуществляет преобразование переменного напряжения сети в постоянное . Такой преобразователь состоит из диодного моста, выпрямляющего переменное напряжение, и конденсатора, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения. В этом боке также находятся дополнительные элементы: фильтры сетевого напряжения от пульсаций генератора импульсов и термисторы для сглаживания скачка тока в момент включения. Однако эти элементы могут отсутствовать с целью экономии на себестоимости.

Следующий блок – генератор импульсов , который генерирует с определенной частотой импульсы, питающие первичную обмотку трансформатора. Частота генерирующих импульсов разных блоков питания различна и лежит в пределах 30 – 200 кГц. Трансформатор осуществляет главные функции блока питания: гальваническую развязку с сетью и понижение напряжения до необходимых значений.

Переменное напряжение, получаемое от трансформатора, следующий блок преобразует в постоянное напряжение. Блок состоит из диодов выпрямляющих напряжение и фильтра пульсаций. В этом блоке фильтр пульсаций намного сложнее, чем в первом блоке и состоит из группы конденсаторов и дросселя. С целью экономии производители могут устанавливать конденсаторы малой емкости, а также дроссели с малой индуктивностью.

Первый импульсный блок питания представлял собой двухтактный или однотактный преобразователь . Двухтактный означает, что процесс генерации состоит из двух частей. В таком преобразователе по очереди открываются и закрываются два транзистора. Соответственно в однотактном преобразователе один транзистор открывается и закрывается. Схемы двухтактного и однотактного преобразователей представлены ниже.

.

Рассмотрим элементы схемы подробнее:

Х2 — разъем источник питания схемы.

Х1 — разъем с которого снимается выходное напряжение.

R1 — сопротивление, задающее начальное небольшое смещение на ключах. Оно необходимо для более стабильного запуска процесса колебаний в преобразователе.

R2 — сопротивление, которое ограничивает ток базы на транзисторах, это необходимо для защиты транзисторов от сгорания.

ТР1 — Трансформатор имеет три группы обмоток. Первая выходная обмотка формирует выходное напряжение. Вторая обмотка служит нагрузкой для транзисторов. Третья формирует управляющее напряжение для транзисторов.

В начальный момент включения первой схемы транзистор немного приоткрыт, т. к. к базе через резистор R1 приложено положительное напряжение. Через приоткрытый транзистор протекает ток, который также протекает и через II обмотку трансформатора. Ток, протекающий через обмотку, создает магнитное поле. Магнитное поле создает напряжение в остальных обмотках трансформатора. В следствии на обмотке III создается положительное напряжение, которое еще больше открывает транзистор. Процесс происходит до тех пор, пока транзистор не попадет в режим насыщения. Режим насыщения характеризуется тем, что при увеличении приложенного управляющего тока к транзистору выходной ток остается неизменным.

Так как напряжение в обмотках генерируется только в случае изменения магнитного поля, его роста или падения, то отсутствие роста тока на выходе транзистора, следовательно, приведет к исчезновению ЭДС в обмотках II и III. Пропадание напряжения в обмотке III приведет к уменьшению степени открытия транзистора. И выходной ток транзистора уменьшится, следовательно, и магнитное поле будет уменьшаться. Уменьшение магнитного поля приведет к созданию напряжения противоположной полярности. Отрицательное напряжение в обмотке III начнет еще больше закрывать транзистор. Процесс будет длиться до тех пор, пока магнитное поле полностью не исчезнет. Когда магнитное поле исчезнет, отрицательное напряжение в обмотке III тоже исчезнет. Процесс снова начнет повторяться.

Двухтактный преобразователь работает по такому же принципу, но отличие в том, что транзисторов два, и они по очереди открываются и закрываются. То есть когда один открыт - другой закрыт. Схема двухтактного преобразователя обладает большим преимуществом, так как использует всю петлю гистерезиса магнитного проводника трансформатора. Использование только одного участка петли гистерезиса или намагничивание только в одном направлении приводит к возникновению многих нежелательных эффектов, которые снижают КПД преобразователя и ухудшают его характеристики. Поэтому в основном везде применяется двухтактная схема преобразователя с фазосдвигающим трансформатором. В схемах, где нужна простота, малые габариты, и малая мощность все же используется однотактная схема.

Блоки питания форм-фактора АТХ без коррекции коэффициента мощности

Преобразователи, рассмотренные выше, хоть и законченные устройства, но в практике их использовать неудобно. Частота преобразователя, выходное напряжение и многие другие параметры «плавают», изменяются в зависимости от изменения: напряжения питания, загруженности выхода преобразователя и температуры. Но если ключами управлять контроллером, который бы мог осуществлять стабилизацию и различные дополнительные функции, то можно использовать схему для питания устройств. Схема блока питания с применением ШИМ-контроллера довольно проста, и, в общем, представляет собой генератор импульсов, построенный на ШИМ-котроллере.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция . Она позволяет регулировать амплитуду сигнала прошедшего ФНЧ (фильтр низких частот) с изменением длительности или скважности импульса. Главные достоинства ШИМ это высокое значение КПД усилителей мощности и большие возможности в применении.

Данная схема блока питания имеет небольшую мощность и в качестве ключа использует полевой транзистор, что позволяет упростить схему и избавиться от дополнительных элементов, необходимых для управления транзисторных ключей. В блоках питания большой мощности ШИМ-контроллер имеет элементы управления («Драйвер») выходным ключом. В качестве выходных ключей в блоках питания большой мощности используются IGBT-транзисторы.

Сетевое напряжение в данной схеме преобразуется в постоянное напряжение и чрез ключ поступает на первую обмотку трансформатора. Вторая обмотка служит для питания микросхемы и формирования напряжения обратной связи. ШИМ-котроллер генерирует импульсы с частотой, которая задана RC-цепью подключенной к ножке 4. Импульсы подаются на вход ключа, который их усиливает. Длительность импульсов изменяется в зависимости от напряжения на ножке 2.

Рассмотрим реальную схему АТХ блока питания. Она имеет намного больше элементов и в ней присутствуют еще дополнительные устройства. Красными квадратами схема блока питания условно поделена на основные части.

Схема АТХ блока питания мощностью 150–300 Вт

Для питания микросхемы контроллера, а также формирования дежурного напряжения +5, которое используется компьютером, когда он выключен, в схеме находиться еще один преобразователь. На схеме он обозначен как блок 2. Как видно он выполнен по схеме однотактного преобразователя. Во втором блоке также есть дополнительные элементы. В основном это цепочки поглощения всплесков напряжений, которые генерируются трансформатором преобразователя. Микросхема 7805 – стабилизатор напряжения формирует дежурное напряжение +5В из выпрямленного напряжения преобразователя.

Зачастую в блоке формирования дежурного напряжения установлены некачественные или дефектные компоненты, что вызывает снижение частоты преобразователя до звукового диапазона. В результате чего из блока питания слышен писк.

Так как блок питания питается от сети переменного напряжения 220В , а преобразователь нуждается в питании постоянным напряжением, напряжение необходимо преобразовать. Первый блок осуществляет выпрямление и фильтрацию переменного сетевого напряжения. В этом блоке также находится заграждающий фильтр от помех, генерируемых самим блоком питания.

Третий блок это ШИМ-контроллер TL494. Он осуществляет все основные функции блока питания. Защищает блок питания от коротких замыканий, стабилизирует выходные напряжения и формирует ШИМ-сигнал для управления транзисторными ключами, которые нагружены на трансформатор.

Четвертый блок состоит из двух трансформаторов и двух групп транзисторных ключей. Первый трансформатор формирует управляющее напряжение для выходных транзисторов. Поскольку ШИМ-контроллер TL494 генерирует сигнал слабой мощности, первая группа транзисторов усиливает этот сигнал и передает его первому трансформатору. Вторая группа транзисторов, или выходные, нагружены на основной трансформатор, который осуществляет формирование основных напряжений питания. Такая более сложная схема управления выходными ключами применена из-за сложности управления биполярными транзисторами и защиты ШИМ-контроллера от высокого напряжения.

Пятый блок состоит из диодов Шоттки, выпрямляющих выходное напряжение трансформатора, и фильтра низких частот (ФНЧ). ФНЧ состоит из электролитических конденсаторов значительной емкости и дросселей. На выходе ФНЧ стоят резисторы, которые нагружают его. Эти резисторы необходимы для того, чтобы после выключения емкости блока питания не оставались заряженными. Также резисторы стоят и на выходе выпрямителя сетевого напряжения.

Оставшиеся элементы, не обведенные в блоке это цепочки, формируют «сигналы исправности ». Этими цепочками осуществляется работа защиты блока питания от короткого замыкания или контроль исправности выходных напряжений.

Теперь посмотрим, как на печатной плате блока питания мощностью 200 Вт расположены элементы. На рисунке показаны:

Конденсаторы, выполняющие фильтрацию выходных напряжений.

Место не распаянных конденсаторов фильтра выходных напряжений.

Катушки индуктивности, выполняющие фильтрацию выходных напряжений. Более крупная катушка играет роль не только фильтра, но и еще работает в качестве ферромагнитного стабилизатора. Это позволяет немного снизить перекосы напряжений при неравномерной нагрузке различных выходных напряжений.

Микросхема ШИМ-стабилизатора WT7520.

Радиатор на котором установлены диоды Шоттки для напряжений +3.3В и +5В, а для напряжения +12В обычные диоды. Необходимо отметить, что часто особенно в старых блоках питания, на этом же радиаторе размещаются дополнительно элементы. Это элементы стабилизации напряжений +5В и +3,3В. В современных блоках питания размещаются на этом радиаторе только диоды Шоттки для всех основных напряжений или полевые транзисторы, которые используются в качестве выпрямительного элемента.

Основной трансформатор, который осуществляет формирование всех напряжений, а также гальваническую развязку с сетью.

Трансформатор, формирующий управляющие напряжения для выходных транзисторов преобразователя.

Трансформатор преобразователя, формирующий дежурное напряжение +5В.

Радиатор, на котором размещены выходные транзисторы преобразователя, а также транзистор преобразователя формирующего дежурное напряжение.

Конденсаторы фильтра сетевого напряжения. Их не обязательно должно быть два. Для формирования двухполярного напряжения и образования средней точки устанавливают два конденсатора равной емкости. Они делят выпрямленное сетевое напряжение пополам, тем самым формируя два напряжения разной полярности, соединенных в общей точке. В схемах с однополярным питанием конденсатор один.

Элементы фильтра сети от гармоник (помех), генерирующихся блоком питания.

Диоды диодного моста, осуществляющие выпрямление переменного напряжения сети.

Блок питания 350 Вт устроен эквивалентно. Сразу бросается в глаза больших размеров плата, увеличенные радиаторы и большего размера трансформатор преобразователя.

Конденсаторы фильтра выходных напряжений.

Радиатор, охлаждающий диоды, выпрямляющие выходное напряжение.

ШИМ-контролер АТ2005 (аналог WT7520), осуществляющий стабилизацию напряжений.

Основной трансформатор преобразователя.

Трансформатор, формирующий управляющее напряжение для выходных транзисторов.

Трансформатор преобразователя дежурного напряжения.

Радиатор, охлаждающий выходные транзисторы преобразователей.

Фильтр сетевого напряжения от помех блока питания.

Диоды диодного моста.

Конденсаторы фильтра сетевого напряжения.

Рассмотренная схема долго применялась в блоках питания и сейчас иногда встречается.

Блоки питания формата АТХ с коррекцией коэффициента мощности

В рассмотренных схемах нагрузкой сети служит конденсатор, подключаемый к сети через диодный мост. Заряд конденсатора происходит только в том случае если на нем напряжение меньше чем сетевое. В результате ток носит импульсный характер, что имеет множество недостатков.

Перечислим эти недостатки:

1. токи вносят в сеть высшие гармоники (помехи);
2. большая амплитуда тока потребления;
3. значительная реактивная составляющая в токе потребления;
4. сетевое напряжение не используется в течение всего периода;
5. КПД таких схем имеет небольшое значение.

Новые блоки питания имеют усовершенствованную современную схему, в ней появился еще один дополнительный блок – корректор коэффициента мощности (ККМ) . Он осуществляет повышение коэффициента мощности. Или более простым языком убирает некоторые недостатки мостового выпрямителя сетевого напряжения.

S=P + jQ

Формула полной мощности

Коэффициент мощности (КМ) характеризует, сколько в полной мощности активной составляющей и сколько реактивной. В принципе, можно сказать, а зачем учитывать реактивную мощность, она же мнимая и не несет пользу.

Допустим, у нас есть некий прибор, блок питания, с коэффициентом мощности 0,7 и мощностью 300 Вт. Видно из расчетов, что наш блок питания имеет полную мощность (сумму реактивной и активной мощности) больше, чем указанная на нем. И эту мощность должна дать сеть питания 220В. Хотя эта мощность не несет пользы (даже счетчик электричества ее не фиксирует) она все же существует.

То есть внутренние элементы и сетевые провода должны быть рассчитаны на мощность 430 Вт, а не 300 Вт. А представьте себе случай, когда коэффициент мощности равен 0,1 … Из-за этого ГОРСЕТЬЮ запрещается использовать приборы с коэффициентом мощности менее 0,6, а в случае обнаружения таковых на владельца налагается штраф.

Соответственно кампаниями были разработанные новые схемы блоков питания, которые имели ККМ. Вначале в качестве ККМ использовался включенный на входе дроссель большой индуктивности, такой блок питания называют блок питания с PFC или пассивным ККМ. Подобный блок питания обладает повышенным КМ. Для достижения нужного КМ необходимо оснащать блоки питания большим дросселем, так как входное сопротивление блока питания носит емкостной характер из-за установленных конденсаторов на выходе выпрямителя. Установка дросселя значительно увеличивает массу блока питания, и повышает КМ до 0,85, что не так уж и много.

На рисунке представлен блок питания компании FSP мощностью 400 Вт с пассивной коррекцией коэффициента мощности. Он содержит следующие элементы:

Конденсаторы фильтра выпрямленного сетевого напряжения.

Дроссель, осуществляющий коррекцию коэффициента мощности.

Трансформатор главного преобразователя.

Трансформатор, управляющий ключами.

Трансформатор вспомогательного преобразователя (дежурного напряжения).

Фильтры сетевого напряжения от пульсаций блока питания.

Радиатор, на котором установлены выходные транзисторные ключи.

Радиатор, на котором установлены диоды, выпрямляющие переменное напряжение главного трансформатора.

Плата управления скоростью вращения вентилятора.

Плата, на которой установлен ШИМ-контроллер FSP3528 (аналог KA3511).

Дроссель групповой стабилизации и элементы фильтра пульсаций выходного напряжения.

1. Конденсаторы фильтра пульсаций выходного напряжения.

Вследствие не высокой эффективности пассивной ККМ в блок питания была введена новая схема ККМ, которая построена на основе ШИМ-стабилизатора, нагруженного на дроссель. Эта схема приносит множество плюсов блоку питанию:

• расширенный диапазон рабочих напряжений;
• появилась возможность значительно уменьшить емкость конденсатора фильтра сетевого напряжения;
• значительно повышенный КМ;
• уменьшение массы блока питания;
• увеличение КПД блока питания.

Есть и недостатки у этой схемы – это снижение надежности БП и некорректная работа с некоторыми источниками бесперебойного питани я при переключениях режимов работы батарея / сеть. Некорректная работа этой схемы с ИБП вызвана тем, что в схеме существенно снизилась емкость фильтра сетевого напряжения. В момент, когда кратковременно пропадает напряжение, сильно возрастает ток ККМ, необходимый для поддержания напряжения на выходе ККМ, в результате чего срабатывает защита от КЗ (короткого замыкания) в ИБП.

Если посмотреть на схему, то она представляет собой генератор импульсов, который нагружен на дроссель. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом и подается на ключ, который нагружен дросселем L1 и трансформатором Т1. Трансформатор введен для обратной связи контроллера с ключом. Напряжение с дросселя снимается с помощью диодов D1 и D2. Причем напряжение снимается поочередно с помощью диодов, то с диодного моста, то с дросселя, и заряжает конденсаторы Cs1 и Cs2. Ключ Q1 открывается и в дросселе L1 накапливается энергия нужной величины. Размер накопленной энергии регулируется длительностью открытого состояния ключа. Чем больше накоплено энергии, тем большее напряжение отдаст дроссель. После выключения ключа происходит отдача накопленной энергии дросселем L1 через диод D1 конденсаторам.

Такая работа позволяет использовать полностью всю синусоиду переменного напряжения сети в отличие от схем без ККМ, а также стабилизировать напряжение, питающее преобразователь.

В современных схемах блоков питания, часто применяют двухканальные ШИМ-контроллеры . Одна микросхема осуществляет работу, как преобразователя, так и ККМ. В результате существенно снижается количество элементов в схеме блока питания.

Рассмотрим схему простого блока питания на 12В с использованием двуканального ШИМ-контроллера ML4819. Одна часть блока питания осуществляет формирование постоянного стабилизированного напряжения +380В. Другая часть представляет собой преобразователь, формирующий постоянное стабилизированное напряжение +12В. ККМ состоит, как и в выше рассмотренном случае, из ключа Q1, нагруженного на него дросселя L1 трансформатора Т1 обратной связи. Диоды D5, D6 заряжают конденсаторы С2,° C3,° C4. Преобразователь состоит из двух ключей Q2 и Q3, нагруженных на трансформатор Т3. Импульсное напряжение выпрямляется диодной сборкой D13 и фильтруется дросселем L2 и конденсаторами С16,° C18. С помощью патрона U2 формируется напряжение регулирования выходного напряжения.

Рассмотрим конструкцию блока питания, в которой есть активный ККМ:

1. Плата управления токовой защитой;
2. Дроссель, выполняющий роль как фильтра напряжений +12В и +5В, так и функцию групповой стабилизации;
3. Дроссель фильтра напряжения +3,3В;
4. Радиатор, на котором размещены выпрямительные диоды выходных напряжений;
5. Трансформатор главного преобразователя;
6. Трансформатор, управляющий ключами главного преобразователя;
7. Трансформатор вспомогательного преобразователя (формирующий дежурное напряжение);
8. Плата контроллера коррекции коэффициента мощности;
9. Радиатор, охлаждающий диодный мост и ключи главного преобразователя;
10. Фильтры сетевого напряжения от помех;
11. Дроссель корректора коэффициента мощности;
12. Конденсатор фильтра сетевого напряжения.

Конструктивные особенности и типы разъемов

Рассмотрим виды разъемов , которые могут присутствовать на блоке питания. На задней стенке блока питания размещается разъем для подключения сетевого кабеля и выключатель. Раньше рядом с разъемом сетевого шнура размещался также разъем для подключения сетевого кабеля монитора. Опционально могут присутствовать и другие элементы:

• индикаторы сетевого напряжения, или состояния работы блока питания
• кнопки управления режимом работы вентилятора
• кнопка переключения входного сетевого напряжения 110 / 220В
• USB-порты встроенные в блок питания USB hub
• другое.

На задней стенке все реже размещают вентиляторы, вытягивающие из блока питания воздух. Все чаше вентилятор размещают в верхней части блока питания из-за большего пространства для установки вентилятора, что позволяет установить большой и тихий активный элемент охлаждения. На некоторых блоках питания устанавливают даже два вентилятора и сверху и сзади.

С передней стенки выходит провод с разъемом подключения питания материнской платы . В некоторых блоках питания, модульных, он, как и другие провода, подключается через разъем. Ниже на рисунке указана .

Можно заметить, что каждое напряжение имеет свой цвет провода:

• Желтый цвет - +12 В
• Красный цвет - +5 В
• Оранжевый цвет - +3,3В
• Черный цвет - общий или земля

Для остальных напряжений цвета проводов у каждого производителя могут варьироваться.

На рисунке не отображены разъемы дополнительного питания видеокарт, так как они подобны разъема дополнительного питания процессора. Также существуют другие виды разъемов, которые встречаются в компьютерах фирменной сборки компаний DelL, Apple и других.

Электрические параметры и характеристики блоков питания

Блок питания имеет множество электрических параметров, большинство из которых не отмечаются в паспорте. На боковой наклейке блока питания отмечается обычно только несколько основных параметров – рабочие напряжения и мощность.

Мощность блока питания

Мощность часто обозначают на этикетке большим шрифтом. Мощность блока питания, характеризует, сколько он может отдать электрической энергии подключаемым к нему приборам (материнская плата, видеокарта, жесткий диск и др.).

По идее, достаточно просуммировать потребление используемых компонентов и выбрать блок питание немного большей мощности для запаса. Для подсчета мощности вполне годятся рекомендации указанные в паспорте видеокарты , если таковой есть, тепловой пакет процессора и т. д.

Но на самом деле все намного сложнее, т. к. блок питания выдает различные напряжения - 12В, 5В, −12В, 3,3В и др. Каждая линия напряжения рассчитана на свою мощность. Логично было подумать, что эта мощность фиксированная, а сума их равна мощности блока питания. Но в блоке питания стоит один трансформатор для генерации всех этих напряжений, используемых компьютером (кроме дежурного напряжения +5В). Правда, редко, но все же можно найти блок питания с двумя раздельными трансформаторами, но такие источники питания дорогие и чаще всего используются в серверах. Обычные же БП ATX имеют один трансформатор. Из-за этого мощность каждой линии напряжений может плавать: увеличивается, если другие линии слабо нагружены, и уменьшаться, если остальные линии сильно нагружены. Поэтому часто на блоках питания пишут максимальную мощность каждой линии, и в результате, если их просуммировать, выйдет мощность даже больше, чем действительная мощность блока питания. Таким образом, производитель может запутать потребителя, например, заявляя слишком большую номинальную мощность, которую БП обеспечить не способен.

Отметим, что если в компьютере установлен блок питания недостаточной мощности , то это вызовет не корректную работу устройств («зависания», перезагрузки, щелкание головок жесткого диска ), вплоть до невозможности включения компьютера . А если в ПК установлена материнская плата, которая не рассчитана на мощность компонентов, которые на ней установлены, то зачастую материнская плата функционирует нормально, но со временем разъемы подключения питания выгорают вследствие постоянного их нагрева и окисления.

Стандарты и сертификаты

При покупке БП, в первую очередь необходимо посмотреть на наличие сертификатов и на соответствие его современным международным стандартам. На блоках питания чаще всего можно встретить указание следующих стандартов:

RoHS, WEEE – не содержит вредных веществ

UL, cUL – сертификат на соответствие своим техническим характеристикам, а также требованиям безопасности для встроенных электроприборов

CE - сертификат который показывает, что блок питания соответствует строжайшим требованиям директив европейского комитета

ISO – международный сертификат качества

CB - международный сертификат соответствия своим техническим характеристикам

FCC – соответствие нормам электромагнитных наводок (EMI) и радионаводок (RFI), генерируемых блоком питания

TUV - сертификат соответствия требованиям международного стандарта ЕН ИСО 9001:2000

1. ССС – сертификат Китая соответствия безопасности, электромагнитным параметрам и защите окружающей среды

Также есть компьютерные стандарты форм-фактора АТХ, в котором определены размеры, конструкция и многие другое параметры блока питания, включая допустимые отклонения напряжений при нагрузке. Сегодня существуют несколько версий стандарта АТХ:

1. ATX 1.3 Standard
2. ATX 2.0 Standard
3. ATX 2.2 Standard
4. ATX 2.3 Standard

Отличие версий стандартов АТХ в основном касается введения новых разъемов и новых требованиям к линиям питания блока питания.

Рекомендации по выбору блока питания

Когда возникает необходимость покупки нового блока питания ATX, то вначале необходимо определится с мощностью, которая необходима для питания компьютера, в который этот БП будет установлен. Для ее определения достаточно просуммировать мощности компонентов, используемых в системе, например воспользовавшись специальным калькулятором. Если нет такой возможности, то можно исходить из правила, что для среднестатистического компьютера с одной игровой видеокартой вполне хватает блока питания мощностью 500–600 ватт.

Учитывая, что большинство параметров блоков питания можно узнать только протестировав его, следующим этапом настоятельно рекомендуем ознакомиться с тестами и обзорами возможных претендентов - моделей блоков питания , которые доступны в вашем регионе и удовлетворяю ваши запросы как минимум по обеспечиваемой мощности. Если же таковой возможности нет, то выбирать необходимо по соответствию блока питания современным стандартам (чем большему числу, тем лучше), при этом желательно наличие в блоке питания схемы АККМ (APFC). Приобретая блок питания, также важно включить его, по возможности прямо на месте покупки или сразу по приходу домой, и проследить, как он работает, чтоб источник питания не издавал писков, гудения или другого постороннего шума.

В общем, необходимо выбрать блок питания, который был бы мощным, качественно сделанным, с хорошими заявленными и реальными электрическими параметрами, а также окажется удобным в эксплуатации и тихим во время работы, даже при высокой нагрузке на него. И ни в коем случае при покупке источника питания не стоит экономить пару долларов. Помните, что от работы этого устройства главным образом зависит стабильность, надежность и долговечность работы всего компьютера.