Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC

С помощью усилителя DA4 в схеме защиты выполняется слежение только за длительностью импульсов управления. Остальные функциональные узлы контроля состояния вторичных цепей воздействуют на микросхему TL494 через неинвертирующий вход внутреннего компаратора мертвой зоны DA1, соединенный с выводом 4 этой микросхемы.

К выводу TL494/4 подключены схемы «медленного» запуска, выход схемы защиты и каскад, шунтирующий схему защиты в течение инициализации узлов источника питания. «Медленный» запуск обеспечивается за счет применения дифференцирующей цепи на конденсаторе C2 и резисторе R14. Выходным активным элементом системы защиты является транзистор Q2. К его коллектору по схеме «монтажного ИЛИ» подключен ключевой транзистор Q1. К базе этого транзистора подсоединен резистивный делитель R7 и R8. Верхний по схеме резистор R7 делителя через конденсатор C1 соединен с шиной питания микросхемы TL494. Когда на этой шине появляется питающее напряжение, на базе транзистора Q1 возникает положительный импульс. Положительным импульсом транзистор Q1 открывается, и в течение времени перезарядки конденсатора C1 на его коллекторе поддерживается напряжение, близкое к потенциалу общего провода. Вторичные напряжения нарастают с задержкой относительно всех напряжений питания каскадов защиты и микросхемы ШИМ управления – TL494. Благодаря работе транзистора Q1, в начальный момент исключается возможность появления положительного потенциала на входе TL494/4. Только после появления нормальных уровней в цепях вторичных каналов транзистор Q1 переключается и остается в закрытом состоянии до конца рабочего цикла источника питания. Закрытый транзистор не мешает работе выходного каскада системы защиты на Q2.

Рабочее состояние источника питания сохраняется до тех пор, пока на коллекторе Q2 не появится положительный потенциал, который через диод D4 передается на вход TL494/4. С появлением этого напряжения прекращается функционирование импульсного преобразователя. Положительное напряжение достаточного уровня для блокировки микросхемы TL494 будет присутствовать на коллекторе Q2, если он окажется в закрытом состоянии. База транзистора Q2 постоянно подключена к общему проводу, поэтому для поддержания его в проводящем состоянии на эмиттере должен быть установлен потенциал, равный примерно -0,7… -0,8 В. Для формирования такого напряжения используется схема, состоящая из элементов D9, R21, R22, R13 и D6. На диоде D9 и резисторе R22 собран датчик фиксации КЗ, а на стабилитроне датчик превышения уровня напряжения по каналу +12 В. Если уровни напряжений по выходам отрицательных каналов нормальны, то в точке соединения диода D9 и резистора R22 напряжение составляет -5,8 В. Делителем напряжения, состоящим из резисторов R13 и R21, на эмиттере транзистора Q2 устанавливается напряжение -0,7. -0,8 В. Пока уровень напряжения в канале +12 В находится в допустимых пределах, наличие стабилитрона D6 на работу транзисторного каскада на Q2 влияния не оказывает. Переключение транзистора Q2 может произойти только в случае резкого падения уровня любого из вторичных каналов с отрицательными номиналами напряжений. При этом напряжение на катоде диода D9 приблизится к потенциалу общего провода, что также отразится на уровне напряжения на эмиттере Q2. Транзистор закроется, и напряжение опорного источника от TL494/14 через диод D4 поступит на вход TL494/4. Второе условие, которое окажется достаточным для увеличения положительного потенциала на эмиттере Q2, – рост напряжения по каналу +12 В выше уровня стабилизации стабилитрона D6, которое составляет 15 В. Если это условие выполняется, то, несмотря на нормальное состояние напряжений по отрицательным каналам, потенциал на эмиттере Q2 будет нулевым или даже положительным. Транзистор закроется, и далее заблокируется микросхема TL494.

Наряду с рассмотренными каскадами к эмиттеру Q2 подключены датчики короткого замыкания по основным вторичным каналам. Выполнены они на двух компараторах DA1 и DA2 из состава микросхемы LM339. На неинвертирующих входах каждого из компараторов установлен общий опорный уровень, сформированный от стабильного напряжения, вырабатываемого на выводе TL494/14. На инвертирующие входы компараторов поданы напряжения, пропорциональные уровням выходов по каналам +5 и +12 В. В исходном состоянии уровень опорного напряжения на входах DA1/7 и DA2/5 ниже, чем на инвертирующих входах. Напряжение на выходах низкое. Каждый выход подключен к эмиттеру Q2 через диоды развязки. Падение напряжения в одном или обоих основных каналах вызовет переключение выходного уровня компаратора. Через соответствующий диод развязки D2 или D3 и диод D5 положительное напряжение поступит на эмиттер Q2, вызывая его запирание. С момента запирания транзистора Q2 начинаются последовательные переключения внутренних элементов микросхемы TL494, которые приводят к отключению ее выходных каскадов и обесточиванию вторичных цепей.

Логика микропроцессорной системы персонального компьютера организована таким образом, что для инициализации ее нормального функционирования требуется подача не только определенного напряжения питания, но и служебных сигналов. Импульсный преобразователь напряжения вырабатывает сигнал высокого логического уровня для информирования вычислительной системы о том, что напряжения питания приняли номинальное значение и компьютер может начинать свою работу. В схеме, представленной на рис. 3.2, узлом на транзисторе Q7 вырабатывается сигнал «питание в норме» (POWERGOOD). Сигнал снимается с коллектора транзистора Q7. В исходном состоянии вторичных цепей, когда напряжения на них отсутствуют, каскад на Q7 обесточен. Питание коллекторной цепи транзистора Q7 осуществляется от выходной цепи вторичного напряжения канала +5 В. Принцип срабатывания каскада на этом транзисторе аналогичен функционированию узла на транзисторе Q2. Базовая цепь транзистора Q7 соединена с выходом канала +5 В через электролитический конденсатор C22. Появление положительного напряжения на выходе этого канала сопровождается возникновением положительного потенциала на отрицательной обкладке C22. Этот потенциал через резистор R36 поступает на базу транзистора Q7. Эмиттер транзистора Q7 соединен с общим проводом, поэтому возрастающее базовое напряжение открывает транзистор. Когда потенциал на базе увеличивается до уровня 0,7. 0,8 В, транзистор Q7 переходит в насыщение и напряжение на его коллекторе падает до низкого логического уровня. По мере заряда конденсатора C22 напряжение на базе транзистора Q7 снижается и он закрывается. Напряжение на коллекторе транзистора возрастает до уровня питания, равного +5 В. Сигнал «питание в норме» должен вырабатываться при каждом включении источника питания. Если через короткий промежуток времени появляется необходимость повторного включения источника питания, то необходимо полностью разрядить конденсатор C22. В цепь ускоренного разряда конденсатора введен диод D23, шунтирующий сопротивления резистивного делителя на R36 и R37. Разряд этого конденсатора после отключения электропитания осуществляется через диод D23, минуя резистивные элементы.

Существует определенное разнообразие схем формирования сигнала POWERGOOD. Они отличаются сложностью схемотехники и логикой работы. Приведем несколько примеров. Для формирования сигнала «питание в норме» в различных схемах очень часто применяется интегральная микросхема типа LM339, структурная схема которой представлена на рис. 3.20. Разводка выводов приведена для исполнения в пластиковом корпусе типа DIP.

Рис. 3.20. Структурная схема микросхемы LM339

Микросхема содержит четыре одинаковых компаратора напряжений. Выходные каскады в них содержат транзисторные ключи с открытым коллектором. Для нормального функционирования выход компаратора подключается к источнику положительного напряжения через токозадающий резистор. Положительное напряжение питания на все элементы микросхемы подается через вывод 3. Общий провод схемы, соединенный с выводом 12, подключается к отрицательному полюсу источника питания.

Высокий уровень сигнала «питание в норме» устанавливается при достижении вторичными напряжениями номинальных величин. В схемотехнике используется несколько способов формирования сигнала «питание в норме». Оно может выполняться прямым измерением пороговым устройством выходного напряжения в канале +5 В или применением каскада, обеспечивающего задержку нарастания основного напряжения на выходе схемы и подачи его на вывод PG. В схеме, представленной на рис. 3.21, генерация сигнала «питание в норме» происходит в результате косвенной оценки уровня напряжения вторичного канала +5 В.

В электронном каскаде применен один интегральный компаратор из состава микросхемы LM339 и эмиттерный повторитель напряжения на Q1. Благодаря применению компаратора на шине PG, сигнал имеет ступенчатый характер с крутым фронтом. Этим исключается неустойчивая работа цифровых схем нагрузки, возможная при плавном нарастании уровней импульсов.

В начальный момент работы схемы напряжение питания появляется на микросхеме ШИМ преобразователя – TL494. Внутреннй источник опорного напряжения на выводе TL494/14 формирует опорное стабилизированное напряжение +5 В, которое через резистивный делитель на R3, R4 подается на инвертирующий вход усилителя DA3 микросхемы TL494. Пока на выходе вторичного канала +5 В напряжение не достигнет номинального значения, напряжение на выходе усилителя DA3 будет иметь низкий уровень. К выходу TL494/3 подключена база эмиттерного повторителя напряжения. Низкий уровень с этого выхода микросхемы передается в эмиттерную цепь транзистора и далее на неинвертирующий вход компаратора микросхемы LM339. На втором входе выставлен опорный уровень напряжения, снимаемый с резистивного делителя напряжения на резисторах R9 и R10. Резистивный делитель включен между выходом TL494/14 и общим проводом. Напряжение на входе LM339/6 компаратора превышает уровень, установленный на выводе 7. Напряжение на выходе компаратора низкое. В процессе «медленного» запуска источника питания происходит постепенное повышение напряжения на выходе канала +5 В, которое передается на вход TL494/1 внутреннего усилителя ошибки DA3. По мере увеличения разности потенциалов между входами усилителя DA3 на его выходе происходит изменение напряжения. Оно получает положительное приращение и достигает уровня, при котором открывается диод D1. Через открытый диод положительный потенциал проходит на внутренние каскады микросхемы TL494, а также на базу транзистора Q1. Повышение базового напряжения повторяется на эмиттере Q1 и передается на вход 7 компаратора микросхемы LM339. Когда напряжение на этом входе сравняется с уровнем, установленным на втором входе – выводе 6, произойдет переключение компаратора и на его выходе возникнет потенциал, близкий по значению выходному напряжению канала +5 В. Напряжение на выходе 1 компаратора появляется с задержкой относительно момента установки выходных уровней во вторичных каналах источника питания. Дополнительная задержка обеспечивается подключением к эмиттеру транзистора Q1 электролитического конденсатора C2. Заряд на конденсаторе нарастает плавно, задержку появления высокого уровня сигнала «питание в норме» можно регулировать как величиной емкости конденсатора C2, так и номиналом резистора R7, через который происходит процесс заряда. Таким образом, данная схема не содержит элементов слежения за уровнем напряжения непосредственно на выходе канала +5 В (за исключением усилителя DA3 микросхемы TL494). Решение о достижении вторичными напряжениями номинальных уровней принимается по виду сигнала на выводе TL494/3 в момент начала их активной регулировки микросхемой TL494.