Книга: Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников
Назад: 2.2. Типовые схемы усилителей мощности в ИИП
Дальше: 2.4. Методы стабилизации напряжения в ИИП
2.3. Схемотехника ИИП с несколькими выходными напряжениями для разной токовой нагрузки
Современные источники питания, применяемые в широком спектре пользовательских задач, имеют функцию дистанционного включения, независимый канал питания элементов дежурного режима с номиналом +5 В. Однако многофункциональные ИИП, к которым можно отнести блоки питания персональных компьютеров различного форм-фактора и назначения, имеют и несколько дополнительных каналов, обеспечивающих выходные напряжения положительной и даже отрицательной полярности.
Номинальные значения каналов вторичных напряжений и их основные параметры приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Основные параметры вторичных каналов ИИП
Измерения вторичных напряжений необходимо проводить на контактах разъемных соединителей, предназначенных для подключения к устройствам.
Так, 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 225 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 следующие:
• 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.
Большинство производителей ИИП придерживается определенных стандартов, унификации.
К примеру, в ИИП для ПК нового поколения 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 современного системного блока компьютера
С помощью 4-контактных разъемов большего размера подключаются периферийные устройства и вентилятор процессора. Тип этих разъемов обязательно должен быть аналогичным АМР 1 480424 0 либо MOLEX 8981 04Р.
Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах разъемов следующие:
1 – желтый, +12 В;
2, 3 – черные, общий;
4 – красный, +5 В.
Самые маленькие ответные части разъемов типа АМР 171822 4 предназначены для соединения с другими устройствами и блоками. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах для них следующие:
1 – красный, +5 В;
2, 3 – черный, общий;
4 – желтый, +12 В.
К примеру, для ИИП с выходной мощностью более 500 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.
На корпусе источника питания наклеена этикетка, на которой приведена цветовая маркировка проводников вторичного питания.
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 AB И 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 со 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 и достаточно эффективный стабилизатор.
Регулировка вторичных напряжений реализуется с помощью схемы обратной связи, электронный узел которой, в свою очередь, 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.
К схемотехнике компьютерных блоков питания мы еще вернемся позже, когда будем рассматривать частные варианты защиты ИИП.
В этом случае схема подключения питающего напряжения выглядит так, как показано на рис. 2.7. Переключатель S1 на этом рисунке показан в замкнутом положении.
Согласно схеме, приведенной на рисунке, в активной выпрямительной схеме реально работают только диоды D12 и D14. Диоды же
D11 и D13 не влияют на состояние схемы, так как они оказываются шунтированными замкнутым переключателем S1.
Такой вид выпрямителя известен как схема с удвоением входного напряжения. Выходное выпрямленное напряжение будет иметь значение 325 В.
Рис. 2.7. Схема подключения питающего напряжения
Условия работы основных каскадов по напряжению первичного питания сохранены и выполняются. Общая мощность потребления переменного тока источником питания от сети при изменении напряжения сохраняет свое значение.
Но при питании от напряжения 115 В ток потребления возрастает примерно в 2 раза (по сравнению с аналогичными условиями работы при питании источника от напряжения 220 В).
К установке переключателя селектора входного напряжения следует относиться осторожно. Если селектор напряжения будет установлен в положение 115 В и в таком состоянии источник питания будет подключен к питающей сети на 220 В, то сработает схема удвоения напряжения. Напряжение на положительной обкладке конденсатора С5 будет стремиться к значению 220 В х 1,41 х 2 = 620 В.
Уровни рабочих напряжений большинства элементов не рассчитаны на такой режим электропитания. Поэтому произойдет пробой силовых транзисторов усилителя мощности, диодов выпрямительного моста, сгорит предохранитель и могут выйти из строя конденсаторы сетевого фильтра С5 и С6, предельное напряжение которых обычно не превышает более 200 В; предохранитель не сможет защитить активные элементы схемы до их пробоя.
Менее критичным является включение источника питания в сеть 115 В с переключателем, установленным в положение 220 В. В этом случае значение входного напряжения будет ниже минимального значения, определенного в основных технических характеристиках в 180 В.
Условия работы схемы не будут выполнены, и преобразователь не запустится.
Плавкий предохранитель F1 перегорает, когда через пробитые транзисторы начинает протекать значительно увеличенный ток. Сгоревший предохранитель не позволит развиваться процессу повреждения источника питания.
Контроль уровня входного напряжения выполняется с помощью 2 варисторов Z1 и Z2 (на некоторых схемах и платах обозначены как ZU), установленных во входной цепи источника питания.
Внимание, важно!Варисторы – нелинейные элементы, сопротивление которых зависит от приложенного к ним напряжения. Если напряжение на варисторе не превышает определенного значения, то его сопротивление остается высоким и практически не изменяется. В случае повышения напряжения его сопротивление резко снижается. Эта способность варисторов используется и для создания узла защиты от повышения входного питающего напряжения.
Наиболее распространенный тип варисторов, применяемых в источниках питания, – 07D241.
Первый варистор Z1 постоянно подключен параллельно входным клеммам источника питания. Он рассчитан на срабатывание при напряжении, превышающем значение 260 В, когда его сопротивление снижается настолько, что увеличенный ток выжигает предохранитель F1.
Варистор Z2 установлен между средней точкой конденсаторов С5 и С6 сетевого фильтра и корпусом источника питания. Этот элемент выполняет защитные функции при попадании потенциала на корпус прибора.
Напряжение на Z2 в нормальных рабочих условиях не превышает 170 В или, если быть точным, 155 В при первичном питании от 220 В и 162 В при питании от 115 В. Попадание фазного напряжения на корпус вызовет увеличение напряжения на Z2, его сопротивление уменьшится, и предохранитель F1 сгорит.
Принцип работы
Общий принцип функционирования источника питания заключается в следующем.
После подачи на вход источника переменного напряжения питания, выпрямления его диодным мостом на диодах D11-D14 и фильтрации на сглаживающем фильтре, образованном дросселем Т и конденсаторами С5, С6, постоянное напряжение с номинальным значением 310 В поступает на каскад усилителя мощности, основными активными элементами которого являются транзисторы Q9, Q10, и на каскад однотактного высокочастотного преобразователя; последний выполнен на транзисторе Q3.
Если выпрямленное питающее напряжение превышает 180 В х 1,41 = 254 В (уровень нижней границы питающего напряжения), происходит самовозбуждение преобразователя на Q3.
В состав каскада этого автогенератора входит трансформатор Тб, ко вторичной обмотке которого подключены выпрямители на диодах D8 и D9, с выхода которых снимается напряжение для питания ШИМ-формирователя и стабилизатора канала питания схемы компьютера в дежурном режиме (+5 VSB).
Один вывод вторичной обмотки трансформатора Тб подсоединен к общему проводу вторичного питания. Выпрямители ШИМ-канала и стабилизатора напряжения питания в дежурном режиме подключены к двум включенным последовательно полуобмоткам трансформатора Тб.
Выпрямитель ШИМ-формирователя образован диодом D9. Фильтрация напряжения с выхода выпрямителя осуществляется конденсатором С24. Выпрямитель и фильтр канала дежурного режима (+5 VSB) образован диодом D8 и конденсатором С14 соответственно.
При поступлении питания ШИМ-преобразователь запускается и начинает формировать импульсные сигналы для возбуждения усилителя мощности.
Усилитель мощности выполнен на транзисторах Q9 и Q10 по полумостовой схеме.
Для нормальной работы усилителя мощности необходимо, чтобы транзисторы открывались по очереди и в разные промежутки времени.
Включение транзисторов в полумостовой схеме требует, чтобы была исключена возможность их одновременного открывания и протекания сквозного тока, так как это выведет их из строя.
Обеспечение корректной работы транзисторов силового каскада выполняется логикой формирования управляющих последовательностей ШИМ-регулятора.
С вторичных обмоток трансформатора ТЗ импульсные напряжения поступают во вторичные цепи, где происходят их выпрямление и фильтрация. Полученные напряжения затем стабилизируются и используются для питания.
К каналам вторичных напряжений подключены датчики, выполняющие функции измерительных цепей по выявлению короткого замыкания в нагрузке, неконтролируемого повышения напряжений по каналам и контролю текущего уровня основных вторичных напряжений. Сигналы этих датчиков воздействуют на ШИМ-преобразователь, определяя род его работы в каждый момент времени.
Устройство всех основных узлов импульсного источника: автогенераторный вспомогательный источник на транзисторе Q3, ШИМ-регулятор и относящиеся к нему цепи, усилитель мощности, каналы вторичных напряжений, цепи защиты источника питания.
Набор этих узлов является типовым для блоков питания АТХ формфактора. Их построение у разных фирм-производителей может отличаться в деталях, но основные принципы остаются неизменными. Ниже приводится информация, которая может служить практической базой для изучения и работы с аналогичными ИИП.
Большой плюс ИИП в том, что он стабильно работает при изменении сетевого напряжения в широких пределах. От такого источника питания мощностью от 400 Вт и выше можно получить полезный ток нагрузки 15–17 А и выше, а в импульсном (кратковременном режиме повышенной нагрузки) – до 30 А. Такие ИИП выполнены на микросхемах 2003, AT2005Z, SG6105, КА3511, LPG-899, DR-B2002, IW1688; содержат меньшее количество дискретных элементов на плате, имеют меньшую стоимость, чем построенные на основе популярного ШИМ микросхемы TL494.
Назад: 2.2. Типовые схемы усилителей мощности в ИИП
Дальше: 2.4. Методы стабилизации напряжения в ИИП
