Текст книги "Импульсные блоки питания для IBM PC"

Автор книги: Александр Куличков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 17 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

1.2.3. Основные схемы транзисторных усилителей мощности

Выше на примерах построения автогенераторных схем были представлены силовые каскады транзисторных ИБП, также подробно описаны режимы работы элементов и приведены расчетные соотношения для компонентов, входящих в состав однотактных силовых каскадов. Основные положения по структуре каскадов, схемам включения силовых активных и индуктивных элементов справедливы и для случаев их использования в качестве усилителей мощности, то есть основных узлов для преобразователей напряжения с внешним управлением.

В заключение рассмотрим схему так называемого полумостового усилителя, широко применяющегося в импульсных источниках питания мощностью до 500 Вт. Упрощенная схема полумостового усилителя мощности представлена на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Схема полумостового усилителя мощности

На рис. 1.16 представлены два силовых транзистора VT1 иVT2 и два конденсатора С1 и С2, образующие мостовую схему. В диагональ моста, между точкой соединения конденсаторов С1, С2 и точкой соединения эмиттера VT1 и коллектора VT2, подключается первичная обмотка трансформатора TV.

Действие схемы основано на поочередном открывании транзисторов VT1 и VT2, которые работают в ключевом режиме. Вывод первичной обмотки трансформатора TV, соединенный с транзисторами, попеременно подключается то к положительному полюсу первичного источника питания (VT1 открыт, VT2 закрыт), то к отрицательному полюсу (VT2 открыт, VT1 закрыт). В первом случае ток протекает через транзистор VT1 – обмотку трансформатора TV – конденсатор C2. Во втором случае – через конденсатор C1 – обмотку трансформатора TV – транзистор VT2. Таким образом, в каждом цикле работы преобразователя через первичную обмотку трансформатора TV протекает ток как в прямом, так и обратном направлениях. При одинаковых временных интервалах открывания каждого из транзисторов и равенстве емкостей конденсаторов C1 и C2 в точке их соединения устанавливается напряжение, равное половине напряжения питания – U_п/2. Переменное напряжение на первичной обмотке TV представляет собой импульсы прямоугольной формы, амплитуда которых близка к значению U_п/2. Полный размах импульсного напряжения на этой обмотке равен напряжению первичного источника питания.

Последовательность открывания транзисторов устанавливается внешней схемой управления, примером которой может служить ШИМ регулятор, выполненный в соответствии со схемами, приведенными на рис. 1.12 и рис. 1.14. Импульсные сигналы, эпюры напряжений которых показаны на двух нижних диаграммах рис. 1.15, могут быть поданы на базовые цепи транзисторов VT1 и VT2 для управления работой этого усилителя мощности. Если абстрагироваться от задачи регулирования вторичного напряжения, то основным назначением схемы управления является формирование корректных сигналов, исключающих протекание сквозных токов через транзисторы VT1 и VT2, и обеспечение симметрии выходного импульсного напряжения. Симметрирование работы силовых транзисторов благоприятно отражается на их тепловом режиме. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер каждого из транзисторов в схеме полумостового усилителя равно напряжению питания U_п.

Амплитуду импульсного тока при заданной выходной мощности в нагрузке Р_н можно рассчитать по формуле:

где:

U_omin – минимальное значение напряжения питания силового каскада преобразователя;

γ_max – коэффициент заполнения, который рассчитывается по формуле (1.6);

η_и – КПД источника питания.

Таким образом, амплитудное значение импульсного тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT2, сопоставимо с аналогичным параметром для однотактного каскада с обратным включением диода.

Схема, показанная на рис. 1.16, предполагает питание постоянным или выпрямленным и отфильтрованным напряжением. В качестве конденсаторов для C1 и C2 необходимо применять лакопленочные или бумажные конденсаторы, рассчитанные на применение в диапазоне частот работы высокочастотного преобразователя, при значительном напряжении пульсаций на них. Минимальное значение емкости конденсаторов для двухтактного полумостового усилителя мощности определяется по формуле:

в которой:

F_п – частота преобразования;

U_с~ – допустимый уровень пульсаций на конденсаторах C1 и C2 с частотой преобразования.

Представленная в настоящем разделе схема имеет ряд неоспоримых достоинств. Основным считается способ включения трансформатора TV в силовую цепь, при котором исключается насыщение его сердечника вследствие разбросов по длительности и амплитуде воздействующих на него импульсов разной полярности. Используя схему внешнего управления, можно исключить протекание сквозных токов через транзисторы. Активные элементы, применяемые в полумостовом усилителе, могут иметь значительно низкие предельные параметры по напряжению, чем полупроводниковые приборы, используемые в однотактных каскадах.

Глава 2
Импульсный источник вторичного электропитания конструктива ATX фирмы DTK

С момента появления системных блоков персональных компьютеров они практически все комплектовались импульсными источниками питания, построенными на основе импульсных преобразователей напряжения с бестрансформаторным подключением к первичной сети. Развитие вычислительной техники отразилось и на импульсных преобразователях. Функциональные усовершенствования привели к некоторой стандартизации подхода в их разработке, повышению характеристик надежности и показателей электромагнитной совместимости. Значительно улучшились массогабаритные показатели источников питания компьютеров.

Внедрение нового ATX форм-фактора в конструкцию системного блока персонального компьютера, введенного фирмой IBM, было направлено на стандартизацию и унификацию узлов, традиционно входящих в состав ПЭВМ. Но введение нового стандарта повлияло и на требования к расширению функциональных возможностей отдельных компонентов. Определенным образом эти изменения затронули и блоки вторичного электропитания системного модуля.

Перечень требований, предъявляемых к проектированию и изготовлению блоков питания ATX конструктива, приведен в документе «Руководство по проектированию источников питания» версия 0.9 (в оригинальном написании «Intel ATX. Power supply design guide» version 0.9). Документ определяет требования по конструктивному исполнению, охлаждению, параметрам соединителей, временным параметрам выработки сигналов. В руководстве ряд требований предъявляется и к функциональным возможностям, а способы их реализации устанавливают фирмы-производители. Так, например, в нем указано лишь то, что источник питания должен иметь возможность работы от сети переменного тока с напряжениями 115 и 220 В, а способ селекции номинала этого напряжения жестко не регламентируется, то есть допускается как автоматическое определение, так и установка этого параметра переключателем.

Современные блоки питания имеют функцию дистанционного включения, независимый канал питания элементов дежурного режима с номиналом +5 В. В отличие от аналогичных блоков питания для компьютеров типа AT, в блоках ATX используется 20-контактный разъем подключения к системной плате, на который выведены все вторичные стабилизированные напряжения и служебные сигналы. Дополнением в части вторичных напряжений в варианте ATX блока является достаточно мощный канал с номинальным постоянным напряжением +3,3 В.

2.1. Основные технические характеристики

Технические характеристики приведены для импульсного преобразователя с максимальной мощностью 200 Вт (суммарная вторичная мощность по всем каналам). Параметры, представленные в данном разделе, являются стандартными для блоков ATX конструктива и могут быть использованы при работе с аналогичными изделиями других фирм-производителей. Распределение мощности в блоках питания по отдельным вторичным каналам отличаются в зависимости от максимальной мощности конкретного образца. Общие требования следующие:

• напряжения первичной питающей сети: 115 или 220 В;

• рабочий диапазон для первичных напряжений:

– для напряжения 115 В – 90-135 В;

– для напряжения 220 В – 180–265 В;

• диапазон частот первичного питающего напряжения – 47–63 Гц;

• устойчивость к нестабильности сетевого напряжения (на частотах 50–60 Гц), сохранение работоспособности при:

– изменении номинального значения напряжения на 10 % в течение 0-500 мс;

– изменении действующего значения напряжения на 15 % в течение 15 мин;

– провале/выбросе на 30 % номинального значения напряжения в течение 0–0,5 периода переменного напряжения;

– потере работоспособности с последующим самовосстановлением при провале на 50% действующего значения напряжения в течение 0–5 периодов переменного напряжения.

• КПД источника при полной нагрузке – не менее 68 %;

• параметры дежурного режима (на вход PS-ON подан высокий логический уровень):

– КПД канала дежурного режима 5VSB – не менее 50 % при токе нагрузки 500 мА;

– общая мощность потребления источника – не более 5 Вт при входном напряжении 230 В;

• размеры источника питания – 140x150x86 мм;

• диапазон рабочих температур от +10 до 50 ⁰ С;

• максимальная влажность окружающей среды без конденсата не более 85 %.

Номинальные значения каналов вторичных напряжений и их основные параметры приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Основные параметры вторичных каналов напряжений

Измерения вторичных напряжений необходимо проводить на контактах разъемных соединителей, предназначенных для подключения к устройствам. Канал +3,3 В должен иметь запас по напряжению в 100 мВ для компенсации падения на соединительных проводниках и проводниках печатной платы.

Кроме того:

• суммарная мощность по каналам +5 В и +3,3 В не должна превышать 125 Вт;

• токовая нагрузка по каналу +5 В должна превышать или быть эквивалентной нагрузке канала +3,3 В;

• разница времени нарастания напряжения канала +5 В до минимального значения диапазона регулирования и соответствующего значения по каналу +3,3 В не должна быть более 20 мс;

• источник должен быть снабжен встроенной защитой цепей преобразователя от короткого замыкания по каналам +5 В и +12 В;

• общий провод питания вторичных каналов напряжения должен иметь соединение с металлическим корпусом источника питания;

• преобразователь должен сохранять значения выходных напряжений в течение 17 мс после отключения первичного питающего напряжения;

• пульсации определяются как случайные или периодические отклонения от номинального значения напряжения с частотами в диапазоне от 10 Гц до 20 МГц. Для измерений должна использоваться емкостная нагрузка из комбинации керамического конденсатора емкостью 0,1 мкФ и электролитического конденсатора емкостью 10 мкФ.

Требования к условиям эксплуатации:

• температура полупроводниковых элементов в источнике питания не должна превышать + 110 °C при температуре окружающей среды +50 °C;

• корпус конденсаторов не должен нагреваться более 95 % от максимального значения, приведенного в паспорте;

• используемые резисторы должны иметь запас по мощности не менее 30 % от паспортного значения;

• изменение параметров элементов по максимально допустимым значениям напряжения и тока не должно быть более 10 % при температуре +50 °C.

При любом повреждении цепи первичного преобразователя никакие части источника не должны воспламеняться, создавать задымление, вызывать различного рода шум, печатная плата не должна обугливаться и иметь оплавленные проводники.

2.2. Конструкция блока питания

Блоки питания для IBM совместимых компьютеров выпускаются в корпусах, унифицированных по габаритным и посадочным размерам. Все узлы блока питания расположены в металлическом корпусе, который служит для механической защиты элементов блока питания и электромагнитной экранировки. Металлический корпус состоит из двух деталей: основания и съемной крышки. И крышка, и основание имеют П-образную форму, у каждой есть по две боковые стенки. В конструкции основания предусмотрены резьбовые отверстия под винты-саморезы. Крышка соединяется с основанием четырьмя саморезами. На основании винтами укрепляются все узлы блока питания. Электронные компоненты блока питания располагаются на единой односторонней печатной плате, закрепленной винтами на донной части основания. Между платой и дном основания располагается изолирующая прокладка из синтетического материала. На одной из боковых стенок основания закреплены: вентилятор, сетевая вилка типа IEC320 с тремя ножевыми контактами и аналогичная по конструкции розетка. Подключение сетевого напряжения к блоку производится стандартным шнуром через вилку с тремя ножевыми контактами. Розетка, установленная на корпусе, является транзитным разъемом для подключения к ней шнура питания монитора или иного устройства. На эту розетку подается напряжение сети непосредственно от корпусной вилки. Разводка питания на вилке и розетке осуществляется на одноименные крайние контакты. Средние (третьи) выводы каждого из этих приборных частей разъемов соединены между собой. К средним контактам подпаян проводник с металлическим лепестком на конце. Лепесток механически соединяется с винтом, закрепленным на донной части основания. Таким образом выполняется подключение корпуса блока питания к контуру заземления через стандартный шнур питания. Рядом с разъемами на той же боковой стенке установлен вентилятор, который используется для охлаждения элементов блока питания. Для прохождения направленного воздушного потока перед вентилятором в корпусе сделаны отверстия (круглые или в виде закругленных прорезей). Воздушный поток движется из внутренней полости корпуса источника наружу. Такое направление движения воздуха снижает уровень пылевого загрязнения как блока питания, так и вычислительного средства, в котором он установлен.

На этой же стенке установлен переключатель (селектор входного напряжения), которым осуществляется выбор напряжения питающей сети 115 или 220 В. В модификациях источников питания, имеющих узел автоматического определения напряжения питающей сети, такой переключатель не устанавливается.

На второй боковой стенке основания имеются отверстия в виде продольных жалюзей для вентиляции и два эллиптических отверстия, через которые из блока питания выводятся кабели вторичных напряжений. Для дополнительной электроизоляции кабели вторичного питания выходят из блока питания через пластиковое кольцо. Это кольцо плотно зажимается стенками корпуса при сборке крышки и основания.

На концах кабелей вторичных напряжений монтируются розетки разъемных соединителей трех типов. Все розетки имеют собственный «ключ» для правильного соединения с ответной частью. Проводники для каждого номинала напряжения и логического сигнала снабжены индивидуальной цветовой маркировкой. Хотя к цветовой гамме проводников нет твердых требований, однако большинство производителей придерживается некоторой унификации.

Один 20-контактный разъем предназначен для подключения к системной плате персонального компьютера. Тип такого разъемного соединителя – MOLEX 39-01-2200 или аналогичный. Разводка разъема стандартизована. В табл. 2.2 приведена разводка вторичных напряжений и служебных сигналов по контактам этого разъема.

Таблица 2.2. Разводка системного разъема питания компьютера

С помощью четырехконтактных разъемов большего размера подключаются периферийные устройства и вентилятор процессора. Тип этих разъемов обязательно должен быть аналогичным AMP 1-480424-0 либо MOLEX 8981-04Р. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах этих разъемов следующие: 1 – желтый, +12 В; 2,3 – черные, общий; 4 – красный, +5 В.

Самые маленькие розетки разъемов типа AMP 171822-4 предназначены для соединения с устройствами накопителей на гибких магнитных дисках. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах для них следующие: 1 – красный, +5 В; 2, 3 – черный, общий; 4 – желтый, +12 В.

Внимание! Для блоков питания с выходной мощностью 300 Вт применяется дополнительный разъем типа MOLEX 90331-0010. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах для него: 1, 2, 3 – черные, общий; 4, 5 – коричневый или оранжевый, +3,3 В; 6 – красный, +5 В.

Как правило, на внешней стороне корпуса источника питания наклеена этикетка, на которой приведена цветовая маркировки проводников вторичного питания для данного изделия. В этом случае при работе следует использовать сведения, приведенные на этикетке.

В корпусе системного модуля компьютера блок питания крепится таким образом, что его стенка с установленными приборными частями разъемов и вентилятором выходят на тыльную сторону корпуса. Противоположная боковая стенка основания и кабели вторичных напряжений с разъемными соединителями находятся внутри корпуса системного модуля.

Поскольку первичное напряжение питания подается на входные цепи ATX блока питания непосредственно, сетевой выключатель для него в компьютерной системе отсутствует. Системная плата компьютеров ATX конструктива содержит узел формирования маломощных сигналов для управления состоянием входной цепи PS-ON блока питания. Узел находится постоянно под напряжением, поступающим от специального каскада блока питания – автогенераторного источника для питания элементов схемы дежурного режима. Питание на узел подается независимо от режима работы остальной схемы компьютера. Включение/выключение блока питания и устройств компьютера производится коммутацией кнопки Switch power, установленной на лицевой панели системного модуля компьютера.

2.3. Структурная схема

Структурная схема импульсного блока питания персонального компьютера конструктива ATX приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема импульсного блока питания фирмы DTK конструктива ATX

Входное переменное напряжение 220 В, 50 Гц поступает на входной каскад импульсного преобразователя напряжения – на сетевой фильтр. Этот узел предназначен для подавления помех, возникающих в промышленной сети переменного тока и проникающих на вход данного источника питания. В направлении от данного источника питания в сеть распространяются помехи, производимые самим преобразователем и частично импульсными устройствами электронной схемы вычислительного средства. Помеха такого рода является кондуктивной, то есть может распространяться в проводах питающей сети и по проводникам вторичного питания источника. Помехи, распространяющиеся по проводам, могут быть симметричными и несимметричными. Так как заранее вид помехи предсказать трудно, то схема фильтра строится в расчете на подавление обоих видов помех.

К выходу сетевого фильтра подключается выпрямитель, выполненный по двухполупериодной схеме. В его состав входит селектор входного питающего напряжения – переключатель, установленный в корпусе источника питания. Позиции переключателя обозначены на его движке. Положение переключателя определяется по маркировке, которая видна через специальное окошко. С его помощью осуществляется выбор номинала напряжения питающей сети 115 или 220 В. Нагрузкой выпрямителя являются: полумостовой усилитель мощности основного высокочастотного преобразователя напряжения первичной сети и маломощная схема автогенераторного вспомогательного источника.

Во вторичную цепь АВИ включена схема линейного параметрического стабилизатора для формирования напряжения +5 В, обеспечивающая питание элементов компьютера в течение дежурного режима.

Для гальванической развязки с вторичными напряжениями питания к усилителю мощности подключен импульсный трансформатор Т3. Позиционное обозначение трансформатора соответствует принципиальной схеме источника питания. Импульсные напряжения с вторичных обмоток трансформатора поступают на блок выпрямителей. В схемах выпрямителей вторичных напряжений используются диоды различных модификаций, что определяется номинальной токовой нагрузкой каждого отдельного канала. Во вторичном канале напряжения +3,3 В введен дополнительный стабилизатор. Регулировка и подстройка номиналов вторичных напряжений по всем каналам осуществляется с помощью системы обратной связи, вход которой подключен к выходам блока фильтров.

Для управления работой усилителя мощности в цепи обратной связи применен каскад широтно-импульсного модулятора длительности импульсов возбуждения. После сравнения поступившего сигнала с эталонным уровнем, ШИМ каскад формирует сигналы об увеличении поступления энергии во вторичную цепь или о ее сокращении. В соответствии с этим производится модуляция длительности импульсов, которые через согласующий каскад, усиливающий их, подаются на входные цепи усилителя мощности.

Воздействие на ШИМ регулятор оказывается не только при изменении вторичных напряжений в пределах диапазона регулирования, соответствующего нормальной работе, но и в случае возникновения экстренной ситуации (неконтролируемого увеличения или снижения напряжений на нагрузке). Ключевая СИП воздействует на ШИМ модулятор, блокируя его работу в случае возникновения аномальных процессов в цепи нагрузки.