Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC
Рассматриваемый блок питания не имеет каскада автогенератора, способного обеспечивать отдельные вторичные цепи постоянной подпиткой электрической энергией. Поэтому в состав полумостового усилителя мощности входит схема автозапуска, осуществляющая первоначальную подачу импульсов управления для запуска усилителя мощности. Особая конструкция трансформаторных цепей и полумостового усилителя создает условия для кратковременной подачи питания на узел управления после подключения блока питания к первичной сети. Временного интервала начального запуска оказывается достаточно для установки режима стабильной генерации импульсных последовательностей, возбуждающих силовой каскад, на выходе узла управления. Узел управления формирует последовательности особой формы, усиление которых приводит к появлению трехуровневого сигнала на обмотках силового импульсного трансформатора, включенного в диагональ полумостового усилителя мощности. Вторичные низковольтные обмотки силового импульсного трансформатора нагружены на диоды SBD1, SBD2, D19 – D22 блока выпрямителей. Для выпрямления импульсных сигналов применяются специальные дискретные диоды и матрицы диодов с малым временем восстановления обратного сопротивления. Выпрямители самых мощных каналов, то есть для вторичных напряжений +5 и +12 В, выполнены на матрицах, в состав которых входит по два диода. Для остальных каналов использованы дискретные элементы – диоды D19 – D22. Для ускоренного рассасывания избыточных зарядов в диодных структурах после изменения полярности импульсного входного сигнала параллельно выпрямительным элементам подключаются ускоряющие резистивно-емкостные цепи. Сглаживание и фильтрация импульсных сигналов производится на однозвенных LC каскадах блока фильтров.
В режиме устойчивой коммутации силовых транзисторов уровень энергетической мощности, поступающей во вторичные цепи, зависит от степени нагруженности каналов постоянных напряжений. Стабилизация значений вторичных напряжений выполняется системой автоматического регулирования. Датчики контроля уровня энергии, поступающей во вторичные цепи, входят в состав узла защиты и блокировки. Они подключены к выходной цепи канала +5 В. Сигнал обратной связи, вырабатываемый узлом защиты и блокировки, подается в узел управления блока питания. Основным элементом узла управления является формирователь ШИМ сигнала на микросхеме IC1. Внутренний источник микросхемы IC1 вырабатывает стабилизированное напряжение, используемое измерительными каскадами в качестве опорного. В рассматриваемом блоке питания применен принцип групповой регулировки выходных напряжений. Регулировка значений вторичных напряжений +12, -5 и -12 В производится косвенно по оценке состояния напряжения в канале +5 В. В связи с этим для устойчивой работы блока питания и поддержания значений вторичных напряжений в заданных пределах необходимо соблюдать баланс нагрузок по выходным каналам. Самая большая токовая нагрузка должна быть всегда у канала +5 В. Регулировка выполняется после сравнения этого напряжения с уровнем опорного напряжения. Формирователь ШИМ сигнала вырабатывает импульсные последовательности, частота которых поддерживается постоянной, а длительность импульсов управления варьируется в зависимости от состояния вторичных каналов. Если выходное напряжение падает ниже уровня опорного, то узел управления формирует сигнал воздействия на схемы усилителей как промежуточного, так и силового каскада на транзисторах Q5 и Q6 для увеличения уровня энергии, подаваемой во вторичные цепи. Реакция элементов управления на повышение вторичного напряжения обратная. Превышение выходным напряжением величины опорного напряжения посредством уменьшения длительности управляющих импульсов приводит к ограничению энергии, подаваемой на нагрузку.
В процессе эксплуатации блока питания могут возникать нештатные ситуации, в результате которых выходы каналов вторичных напряжений окажутся в состоянии перегрузки или КЗ. Организация системы защиты построена на различном подходе к оценке последствий воздействия КЗ на цепи основных и вспомогательных каналов вторичных напряжений. Для активизации защитного механизма блокировки по каналам отрицательных вторичных напряжений используются диодно-резистивные датчики узла защиты и блокировки. Слежение за перегрузкой по основным каналам осуществляется с помощью отдельного каскада, построенного на специальном импульсном трансформаторе. Датчик на импульсном трансформаторе имеет большую инерционность, чем датчики фиксации КЗ отрицательных каналов. Это объясняется увеличением времени, требуемого для правильной оценки процесса, который развивается в этом или обоих основных вторичных каналах. Принцип действия всех элементов защиты одинаков и направлен на прекращение работы узла управления, а также на блокировку активных элементов силового каскада преобразователя. Выпрямленное напряжение первичной сети продолжает поступать для питания силового каскада, но коммутация транзисторов прекращается, предотвращая их от повреждение нарастающим током.
Процесс инициализации схем материнской платы компьютера начинается не после подачи питающего напряжения, а при получении внешнего сигнала высокого логического уровня «питание в норме». Это единственный служебный сигнал, который подается от блока питания внешним устройствам. Появление высокого уровня на сигнальном выходе «питание в норме» происходит с задержкой относительно выхода вторичных напряжений на номинальные уровни. Временной интервал задержки жестко не регламентирован, находится в диапазоне от 100 до 500 мс и устанавливается в схеме резистивно-емкостными элементами.3.4. Принципиальная схема
Импульсные источники питания данного класса имеют несколько различных модификаций схемотехнической реализации отдельных вспомогательных узлов. Принципиальных различий в их рабочих характеристиках нет, а разнообразие объясняется множеством производителей блоков питания. Поэтому при описании узлов и каскадов источников питания и особенностей их функционирования будут также приведены и графические иллюстрации вариантов их исполнения. Для подробного обсуждения принципа построения и функционирования блока питания компьютеров типа AT/XT в качестве базовой выбрана модель, принципиальная схема которой показана на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Принципиальная схема импульсного блока питания
На принципиальной схеме не показан сетевой выключатель, так как он относится к системному модулю компьютера. В самом блоке питания по входу первичной электрической сети установлен предохранитель – необходимый элемент системы защиты. Предохранитель предназначен для отключения импульсного источника питания от питающей сети при возникновении в нем неисправностей и не используется для сохранения работоспособности активных элементов источника питания, так как обладает высокой тепловой инерционностью. Процессы пробоя развиваются лавинообразно, остановить их может только электронная защита. Предохранитель способен лишь предотвратить лавинообразное нарастание процесса, который разрушает конструктивные элементы блока питания и повреждает проводники печатной платы.
Терморезистор TR1, также подключенный по входу первичной цепи, имеет отрицательный коэффициент сопротивления. Этот элемент имеет максимальное значения сопротивления в холодном состоянии, то есть в момент включения источника. Основным назначением терморезистора TR1 является ограничение пускового тока, протекающего по входной цепи блока питания. При включении источника питания возникает скачок тока, так как конденсаторы сглаживающего фильтра C10 и C11 в начальный момент времени не заряжены и их сопротивление крайне мало. По мере их заряда уровень тока, протекающего по входным цепям блока питания, постепенно снижается. Под действием тока терморезистор TR1 медленно разогревается, а его сопротивление снижается. После выхода на рабочий режим сопротивление TR1 имеет значение десятых долей Ома и практически не влияет на общие энергетические показатели блока питания.
После терморезистора и предохранителя в первичную цепь источника питания включен сетевой фильтр. В конструкции фильтра использованы элементы, которые должны обеспечивать значительный уровень затухания помех, проникающих в источник питания и исходящих из него. В отсутствие сетевого фильтра блок питания можно применять только в идеальных условиях, при полном отсутствии приборов, способствующих возникновению помех. Но даже в этом случае целесообразность его установки вполне оправдана, так как фильтр значительно ограничивает уровень паразитных колебаний, проникающих в сеть от самого источника с импульсным преобразователем. Конструкцию входного фильтра рассчитывают из условий, обеспечивающих работу блока питания при кратковременных бросках и провалах сетевого напряжения. Стандарт отечественной сети переменного тока допускает изменение напряжения в диапазоне 220 В ±15 %. Но стандарт не может предусмотреть уровней кратковременных импульсных помех, источником которых являются приборы и устройства на основе электродвигателей, электромагнитных пускателей. Импульсные помехи от таких приборов могут проникать во вторичные цепи источника питания и оказывать негативное влияние на функционирование нагрузочных элементов. Наличие входного фильтра способствует устранению или значительному ослаблению влияния внешних помех на работоспособность блока питания и элементов нагрузки, подключенных к его вторичным цепям.
