Схемотехника блоков питания: Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1.

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1.

Принцип работы импульсного блока питания

Один из самых важных блоков персонального компьютера - это, конечно, импульсный блок питания. Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции. Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 – 60 герц. Импортные блоки  на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

  • Сетевой выпрямитель.

    Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).

  • Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.

  • Узел управления. Является "мозгом" блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).

  • Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).

  • Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление - преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.

Упрощённая структура импульсного блока питания персонального компьютера

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель.

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

Схема сетевого фильтра и выпрямителя БП ПК

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

Плата с неустановленными элементами фильтра

Как говорится: "No comment Плата с неустановленными элементами фильтра".

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 ("230/115"). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110...127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220...230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост. При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180...220 вольт. Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит. При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов "моста" (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще). Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!

Далее

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

 

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 2.

Высокочастотный преобразователь (инвертор)

В первой части нашего рассказа о схемотехнике блоков питания персональных компьютеров мы познакомились со схемой входного сетевого выпрямителя и фильтра. Давайте продолжим изучение компьютерного блока питания. Здесь мы разберёмся в том, как работает высокочастотный преобразователь – инвертор.

Постоянное напряжение 310 вольт, снимаемое с сетевого выпрямителя, подаётся на высокочастотный преобразователь. Высокочастотный преобразователь - это двухтактный инвертор, выполненный по схеме полумоста. Преобразователь работает на частоте в десятки килогерц и нагружен на высокочастотный силовой трансформатор.

Частота преобразования выбирается порядка 18 – 50 КГц, что подразумевает маленькие размеры силового трансформатора и небольшие величины ёмкостей конденсаторов фильтров. Один из плюсов импульсного блока питания является высокий КПД, достигающий 80% и экономичность, поскольку блок потребляет энергию только в то время, когда один из транзисторов преобразователя открыт. Когда он закрыт, энергию на нагрузку отдаёт конденсатор фильтра вторичной цепи.

Управление полумостовым инвертором осуществляется ШИМ-контроллером (Узел управления). Об узле управления блоком питания будет рассказано в следующей части.

Итак, высокочастотный преобразователь работает следующим образом: на него приходит постоянное напряжение 310 вольт с сетевого выпрямителя и конденсаторов фильтра. Одновременно в базовые цепи мощных транзисторов подаются прямоугольные импульсы положительной полярности и с частотой следования допустим 20 кГц. С этой частотой транзисторы как ключевые элементы открываются и закрываются.

Ключевые транзисторы полумостового инвертора

На первичной обмотке трансформатора Т2 присутствует импульсное высокое напряжение с той же частотой 20 кГц. Трансформатор, естественно, понижающий и на его вторичных обмотках, которых несколько, формируются все необходимые для работы компьютера питающие напряжения, после этого все напряжения выпрямляются, фильтруются и подаются на системную плату.

Мощные ключевые транзисторы инвертора являются своеобразными "мускулами" блока питания. Именно через ключевые транзисторы инвертора "прокачивается" вся мощность, которая потребляется компьютером. Ключевые транзисторы устанавливаются на радиатор для принудительного охлаждения во время работы, а сам радиатор обдувается вентилятором.

В качестве ключевых транзисторов инвертора могут применяться как биполярные, так и полевые MOSFET транзисторы. Обычно же используются биполярные транзисторы.

Взглянем на схему. На ней изображена часть схемы ИБП марки GT-150W.

Схема высокочастотного преобразователя - инвертора

Биполярные транзисторы VT1 и VT2 поочерёдно открываются с частотой в десятки килогерц. Трансформатор T2 - импульсный силовой трансформатор. Он же обеспечивает гальваническую развязку от электросети. Импульсный силовой трансформатор заметно выделяется на фоне других трансформаторов, установленных на печатной плате. Найти его не сложно.

Импульсный силовой трансформатор

Со вторичных обмоток трансформатора T2 снимается пониженное переменное напряжение. На схеме показаны элементы одного из выходных выпрямителей +12 вольт (VD6, VD7, L1, C5). Электролитические конденсаторы C6, C7 - это конденсаторы сетевого фильтра и выпрямителя, речь о котором шла в первой части.

Трансформатор T1 - согласующий. Он является промежуточным звеном между микросхемой ШИМ-контроллера и мощными ключевыми транзисторами VT1, VT2. Габариты его заметно меньше, чем у трансформатора T2. Диоды VD4 и VD5 предохраняют мощные транзисторы от напряжения обратной полярности. У мощных полевых транзисторов эти диоды, как правило, уже встроены, поэтому на печатной плате диоды VD4, VD5 можно и не обнаружить. Так же защитные диоды встраивают в некоторые мощные биполярные транзисторы. Всё зависит от марки транзистора.

Схема запуска.

Узел управления инвертора питается выходным напряжением блока, но в момент включения все напряжения отсутствуют. Начальный запуск может осуществляться разными способами. Рассмотрим более подробно схему запуска инвертора, которая "заводит" мощный каскад инвертора.

После включения блока питания на базы транзисторов VT1, VT2 подаётся напряжение через делитель, выполненный на резисторах R3 - R6. При этом транзисторы "приоткрываются". При этом ещё начинается заряд конденсатора C4. Ток заряда конденсатора C4 проходя через часть вторичной обмотки (II) трансформатора T1 наводит в ней (обмотке II) и обмотке III напряжение. Это напряжение открывает один из транзисторов (VT1 или VT2). Какой именно из транзисторов откроется зависит от характеристик элементов каскада.

В результате открытия одного из ключевых транзисторов во вторичной обмотке трансформатора T2 появляется импульс тока, который проходит через один из диодов (VD6 или VD7) и заряжает конденсатор C3. Напряжения на C3 достаточно для питания узла управления в момент пуска инвертора. Далее в работу включается узел управления, который и начинает управлять транзисторами VT1 и VT2 в штатном режиме.

Вот так хитроумно реализована схема запуска инвертора.

В мощном каскаде наиболее частой неисправностью является выход из строя транзисторов, поскольку они работают в достаточно тяжёлом тепловом режиме. Ну, и, конечно, слабое звено это электролитические конденсаторы, которые со временем "высыхают" и теряют ёмкость. Также элктролиты выходят из строя из-за превышения рабочего напряжения.

НазадДалее

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

 

Принцип работы компьютерного блока питания

Статья написана на основе книги А.В.Головкова и В.Б Любицкого"БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT" Материал взят с сайта интерлавка. Переменное напряжение сети подается через сетевой выключатель PWR SW через сетевой предохранитель F101 4А, помехоподавляющие фильтры, образованные элементами С101, R101, L101, С104, С103, С102 и дроссели И 02, L103 на: 
• выходной трехконтактный разъем, к которому может подстыковываться кабель питания дисплея;
• двухконтактный разъем JP1, ответная часть которого находится на плате.
С разъема JP1 переменное напряжение сети поступает на:
• мостовую схему выпрямления BR1 через терморезистор THR1;
• первичную обмотку пускового трансформатора Т1.

На выходе выпрямителя BR1 включены сглаживающие емкости фильтра С1, С2. Терморезистор THR ограничивает начальный бросок зарядного тока этих конденсаторов. Переключатель 115V/230V SW обеспечивает возможность питания импульсного блока питания как от сети 220-240В, так и от сети 110/127 В.

Высокооомные резисторы R1, R2, шунтирующие конденсаторы С1, С2 являются симметрирующими (выравнивают напряжения на С1 и С2), а также обеспечивают разрядку этих конденсаторов после выключения импульсного блока питания из сети. Результатом работы входных цепей является появление на шине выпрямленного напряжения сети постоянного напряжения Uep, равного +310В, с некоторыми пульсациями. В данном импульсном блоке питания используется схема запуска с принудительным (внешним) возбуждением, которая реализована на специальном пусковом трансформаторе Т1, на вторичной обмотке которого после включения блока питания в сеть появляется переменное напряжение с частотой питающей сети. Это напряжение выпрямляется диодами D25, D26, которые образуют со вторичной обмоткой Т1 двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. СЗО - сглаживающая емкость фильтра, на которой образуется постоянное напряжение, используемое для питания управляющей микросхемы U4. 

В качестве управляющей микросхемы в данном импульсном блоке питания традиционно используется ИМС TL494.

Питающее напряжение с конденсатора СЗО подается на вывод 12 U4. В результате на выводе 14 U4 появляется выходное напряжение внутреннего опорного источника Uref=-5B, запускается внутренний генератор пилообразного напряжения микросхемы, а на выводах 8 и 11 появляются управляющие напряжения, которые представляют собой последовательности прямоугольных импульсов с отрицательными передними фронтами, сдвинутые друг относительно друга на половину периода. Элементы С29, R50, подключенные к выводам 5 и 6 микросхемы U4 определяют частоту пилообразного напряжения, вырабатываемого внутренним генератором микросхемы. 

Согласующий каскад в данном импульсном блоке питания выполнен по бестранзисторной схеме с раздельным управлением. Напряжение питания с конденсатора СЗО подается в средние точки первичных обмоток управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Выходные транзисторы ИМС U4 выполняют функции транзисторов согласующего каскада и включены по схеме с ОЭ. Эмиттеры обоих транзисторов (выводы 9 и 10 микросхемы) подключены к "корпусу". Коллекторными нагрузками этих транзисторов являются первичные полуобмотки управляющих трансформаторов Т2, ТЗ, подключенные к выводам 8, 11 микросхемы U4 (открытые коллекторы выходных транзисторов). Другие половины первичных обмоток Т2, ТЗ с подключенными к ним диодами D22, D23 образуют цепи размагничивания сердечников этих трансформаторов.

Трансформаторы Т2, ТЗ управляют мощными транзисторами полумостового инвертора. 

Переключения выходных транзисторов микросхемы вызывают появление импульсных управляющих ЭДС на вторичных обмотках управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Под действием этих ЭДС силовые транзисторы Q1, Q2 попеременно открываются с регулируемыми паузами ("мертвыми зонами"). Поэтому через первичную обмотку силового импульсного трансформатора Т5 протекает переменный ток в виде пилообразных токовых импульсов. Это объясняется тем, что первичная обмотка Т5 включена в диагональ электрического моста, одно плечо которого образовано транзисторами Q1, Q2, а другое - конденсаторами С1, С2. Поэтому при открывании какого-либо из транзисторов Q1, Q2 первичная обмотка Т5 оказывается подключена к одному из конденсаторов С1 или С2, что и обуславливает протекание через нее тока в течение всего времени, пока открыт транзистор.
Демпферные диоды D1, D2 обеспечивают возврат энергии, запасенной в индуктивности рассеяния первичной обмотки Т5 за время закрытого состояния транзисторов Q1, Q2 обратно в источник (рекуперация).

Цепочка С4, R7, шунтирующая первичную обмотку Т5, способствует подавлению высокочастотных паразитных колебательных процессов, которые возникают в контуре, образованном индуктивностью первичной обмотки Т5 и ее меж-витковой емкостью, при закрываниях транзисторов Q1, Q2, когда ток через первичную обмотку резко прекращается. 

Конденсатор СЗ, включенный последовательно с первичной обмоткой Т5, ликвидирует постоянную составляющую тока через первичную обмотку Т5, исключая тем самым нежелательное подмагничивание его сердечника.

Резисторы R3, R4 и R5, R6 образуют базовые делители для мощных транзисторов Q1, Q2 соответственно и обеспечивают оптимальный режим их переключения с точки зрения динамических потерь мощности на этих транзисторах. 

Протекание переменного тока через первичную обмотку Т5 обуславливает наличие знакопеременных прямоугольных импульсных ЭДС на вторичных обмотках этого трансформатора.
Силовой трансформатор Т5 имеет три вторичные обмотки, каждая из которых имеет вывод от средней точки.
Обмотка IV обеспечивает получение выходного напряжения +5В. Диодная сборка SD2 (полумост) образует с обмоткой IV двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой (средняя точка обмотки IV заземлена).
Элементы L2, СЮ, С11, С12 образуют сглаживающий фильтр в канале +5В.
Для подавления паразитных высокочастотных колебательных процессов, возникающих при коммутациях диодов сборки SD2, эти диоды за-шунтированы успокаивающими RC-цепочками С8, R10nC9, R11.

Диоды сборки SD2 представляют собой диоды с барьером Шоттки, чем достигается необходимое быстродействие и повышается КПД выпрямителя. 

Обмотка III совместно с обмоткой IV обеспечивает получение выходного напряжения +12В вместе с диодной сборкой (полумостом) SD1. Эта сборка образует с обмоткой III двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. Однако средняя точка обмотки III не заземлена, а подключена к шине выходного напряжения +5В. Это даст возможность использовать диоды Шоттки в канале выработки +12В, т.к. обратное напряжение, прикладываемое к диодам выпрямителя при таком включении, уменьшается до допустимого для диодов Шоттки уровня.

Элементы L1, С6, С7 образуют сглаживающий фильтр в канале +12В. 

Резисторы R9, R12 предназначены для ускорения разрядки выходных конденсаторов шин +5В и +12В после выключения ИБП из сети.
RC-цепочка С5, R8 предназначена для подавления колебательных процессов, возникающих в паразитном контуре, образованном индуктивностью обмотки III и ее межвитковой емкостью.
Обмотка И с пятью отводами обеспечивает получение отрицательных выходных напряжений -5В и-12В.
Два дискретных диода D3, D4 образуют полумост двухполупериодного выпрямления в канале выработки -12В, а диоды D5, D6 - в канале -5В.
Элементы L3, С14 и L2, С12 образуют сглаживающие фильтры для этих каналов.
Обмотка II, также как и обмотка III, зашунтиро-вана успокоительной RC-цепочкой R13, С13.

Средняя точка обмотки II заземлена. 

Стабилизация выходных напряжений осуществляются разными способами в разных каналах.
Отрицательные выходные напряжения -5В и -12В стабилизируются при помощи линейных интегральных трехвыводных стабилизаторов U4 (типа 7905) и U2 (типа 7912).
Для этого на входы этих стабилизаторов подаются выходные напряжения выпрямителей с конденсаторов С14, С15. На выходных конденсаторах С16, С17 получаются стабилизированные выходные напряжения -12В и -5В.
Диоды D7, D9 обеспечивают разрядку выходных конденсаторов С16, С17 через резисторы R14, R15 после выключения импульсного блока питания из сети. Иначе эти конденсаторы разряжались бы через схему стабилизаторов, что нежелательно.
Через резисторы R14, R15 разряжаются и конденсаторы С14, С15.

Диоды D5, D10 выполняют защитную функцию в случае пробоя выпрямительных диодов. 

Если хотя бы один из этих диодов (D3, D4, D5 или D6) окажется "пробитым", то в отсутствие диодов D5, D10 ко входу интегрального стабилизатора U1 (или U2) прикладывалось бы положительное импульсное напряжение, а через электролитические конденсаторы С14 или С15 протекал бы переменный ток, что привело бы к выходу их из строя.
Наличие диодов D5, D10 в этом случае устраняет возможность возникновения такой ситуации, т.к. ток замыкается через них.
Например, в случае, если "пробит" диод D3, положительная часть периода, когда D3 должен быть закрыт, ток замкнется по цепи: к-а D3 - L3 -D7- D5- "корпус".
Стабилизация выходного напряжения +5В осуществляется методом ШИМ. Для этого к шине выходного напряжения +5В подключен измерительный резистивный делитель R51, R52. Сигнал, пропорциональный уровню выходного напряжения в канале +5В, снимается с резистора R51 и подается на инвертирующий вход усилителя ошибки DA3 (вывод 1 управляющей микросхемы). На прямой вход этого усилителя (вывод 2) подается опорный уровень напряжения, снимаемый с резистора R48, входящего в делитель VR1, R49, R48, который подключен к выходу внутреннего опорного источника микросхемы U4 Uref=+5B. При изменениях уровня напряжения на шине +5В под воздействием различных дестабилизирующих факторов происходит изменение величины рассогласования (ошибки) между опорным и контролируемым уровнями напряжения на входах усилителя ошибки DA3. В результате ширина (длительность) управляющих импульсов на выводах 8 и 11 микросхемы U4 изменяется таким образом, чтобы вернуть отклонившееся выходное напряжение +5В к номинальному значению (при уменьшении напряжения на шине +5В ширина управляющих импульсов увеличивается, а при увеличении этого напряжения -уменьшается).
Устойчивая (без возникновения паразитной генерации) работа всей петли регулирования обеспечивается за счет цепочки частотно-зависимой отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель ошибки DA3. Эта цепочка включается
между выводами 3 и 2 управляющей микросхемы U4 (R47, С27).

Выходное напряжение +12В в данном ИБП не стабилизируется. 

Регулировка уровня выходных напряжений в данном ИБП производится только для каналов +5В и +12В. Эта регулировка осуществляется за счет изменения уровня опорного напряжения на прямом входе усилителя ошибки DA3 при помощи подстроечного резистора VR1.
При изменении положения движка VR1 в процессе настройки ИБП будет изменяться в некоторых пределах уровень напряжения на шине +5В, а значит и на шине +12В, т.к. напряжение с шины +5В подается в среднюю точку обмотки III.

Комбинированная зашита данного ИБП включает в себя: 

• ограничивающую схему контроля ширины управляющих импульсов;
• полную схему защиты от КЗ в нагрузках;
• неполную схему контроля выходного перенапряжения (только на шине +5В).

Рассмотрим каждую из этих схем. 

Ограничивающая схема контроля использует в качестве датчика трансформатор тока Т4, первичная обмотка которого включена последовательно с первичной обмоткой силового импульсного трансформатора Т5.
Резистор R42 является нагрузкой вторичной обмотки Т4, а диоды D20, D21 образуют двухпо-лупериодную схему выпрямления знакопеременного импульсного напряжения, снимаемого с нагрузки R42.

Резисторы R59, R51 образуют делитель. Часть напряжения сглаживается конденсатором С25. Уровень напряжения на этом конденсаторе пропорционально зависит от ширины управляющих импульсов на базах силовых транзисторов Q1, Q2. Этот уровень через резистор R44 подается на инвертирующий вход усилителя ошибки DA4 (вывод 15 микросхемы U4). Прямой вход этого усилителя (вывод 16) заземлен. Диоды D20, D21 включены так, что конденсатор С25 при протекании тока через эти диоды заряжается до отрицательного (относительно общего провода) напряжения. 

В нормальном режиме работы, когда ширина управляющих импульсов не выходит за допустимые пределы, потенциал вывода 15 положителен, благодаря связи этого вывода через резистор R45 с шиной Uref. При чрезмерном увеличении ширины управляющих импульсов по какой-либо причине, отрицательное напряжение на конденсаторе С25 возрастает, и потенциал вывода 15 становится отрицательным. Это приводит к появлению выходного напряжения усилителя ошибки DA4, которое до этого было равно 0В. Дальнейший рост ширины управляющих импульсов приводит к тому, что управление переключениями ШИМ-ком-паратора DA2 передается к усилителю DA4, и последующего за этим увеличения ширины управляющих импульсов уже не происходит (режим ограничения), т.к. ширина этих импульсов перестает зависеть от уровня сигнала обратной связи на прямом входе усилителя ошибки DA3. 

Схема защиты от КЗ в нагрузках условно может быть разделена на защиту каналов выработки положительных напряжений и защиту каналов выработки отрицательных напряжений, которые схемотехнически реализованы примерно одинаково.
Датчиком схемы защиты от КЗ в нагрузках каналов выработки положительных напряжений (+5В и +12В) является диодно-резистивный делитель D11, R17, подключенный между выходными шинами этих каналов. Уровень напряжения на аноде диода D11 является контролируемым сигналом. В нормальном режиме работы, когда напряжения на выходных шинах каналов +5В и +12В имеют номинальные величины, потенциал анода диода D11 составляет около +5,8В, т.к. через делитель-датчик протекает ток с шины +12В на шину +5В по цепи: шина +12В - R17- D11 - шина +56.

Контролируемый сигнал с анода D11 подается на резистивный делитель R18, R19. Часть этого напряжения снимается с резистора R19 и подается на прямой вход компаратора 1 микросхемы U3 типа LM339N. На инвертирующий вход этого компаратора подается опорный уровень напряжения с резистора R27 делителя R26, R27, подключенного к выходу опорного источника Uref=+5B управляющей микросхемы U4. Опорный уровень выбран таким, чтобы при нормальном режиме работы потенциал прямого входа компаратора 1 превышал бы потенциал инверсного входа. Тогда выходной транзистор компаратора 1 закрыт, и схема ИБП нормально функционирует в режиме ШИМ. 

В случае КЗ в нагрузке канала +12В, например, потенциал анода диода D11 становится равным 0В, поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 1 станет выше, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора откроется. Это вызовет закрывание транзистора Q4, который нормально открыт током базы, протекающим по цепи: шина Upom - R39 - R36 -б-э Q4 - "корпус".

Открывание выходного транзистора компаратора 1 подключает резистор R39 к "корпусу", и поэтому транзистор Q4 пассивно закрывается нулевым смещением. Закрывание транзистора Q4 влечет за собой зарядку конденсатора С22, который выполняет функцию звена задержки срабатывания защиты. Задержка необходима из тех соображений, что в процессе выхода ИБП на режим, выходные напряжения на шинах +5В и +12В появляются не сразу, а по мере зарядки выходных конденсаторов большой емкости. Опорное же напряжение от источника Uref, напротив, появляется практически сразу же после включения ИБП в сеть. Поэтому в пусковом режиме компаратор 1 переключается, его выходной транзистор открывается, и если бы задерживающий конденсатор С22 отсутствовал, то это привело бы к срабатыванию защиты сразу при включении ИБП в сеть. Однако в схему включен С22, и срабатывание защиты происходит лишь после того как напряжение на нем достигнет уровня, определяемого номиналами резисторов R37, R58 делителя, подключенного к шине Upom и являющегося базовым для транзистора Q5. Когда это произойдет, транзистор Q5 открывается, и резистор R30 оказывается подключен через малое внутреннее сопротивление этого транзистора к "корпусу". Поэтому появляется путь для протекания тока базы транзистора Q6 по цепи: Uref - э-6 Q6 - R30 - к-э Q5 -"корпус". 

Транзистор Q6 открывается этим током до насыщения, в результате чего напряжение Uref=5B, которым запитан по эмиттеру транзистор Q6, оказывается приложенным через его малое внутреннее сопротивление к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Это, как было показано ранее, ведет к останову работы цифрового тракта микросхемы, пропаданию выходных управляющих импульсов и прекращению переключении силовых транзисторов Q1, Q2, т.е. к защитному отключению. КЗ в нагрузке канала +5В приведет к тому, что потенциал анода диода D11 будет составлять всего около +0.8В. Поэтому выходной транзистор компаратора (1) окажется открыт, и произойдет защитное отключение.
Аналогичным образом построена защита от КЗ в нагрузках каналов выработки отрицательных напряжений (-5В и -12В) на компараторе 2 микросхемы U3. Элементы D12, R20 образуют диодно-резистивный делитель-датчик, подключаемый между выходными шинами каналов выработки отрицательных напряжений. Контролируемым сигналом является потенциал катода диода D12. При КЗ в нагрузке канала -5В или -12В, потенциал катода D12 повышается (от -5,8 до 0В при КЗ в нагрузке канала -12В и до -0,8В при КЗ в нагрузке канала -5В). В любом из этих случаев открывается нормально закрытый выходной транзистор компаратора 2, что и обуславливает срабатывание защиты по приведенному выше механизму. При этом опорный уровень с резистора R27 подается на прямой вход компаратора 2, а потенциал инвертирующего входа определяется номиналами резисторов R22, R21. Эти резисторы образуют двуполярно запитанный делитель (резистор R22 подключен к шине Uref=+5B, а резистор R21 - к катоду диода D12, потенциал которого в нормальном режиме работы ИБП, как уже отмечалось, составляет -5,8В). Поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 2 в нормальном режиме работы поддерживается меньшим, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора будет закрыт.

Защита от выходного перенапряжения на шине +5В реализована на элементах ZD1, D19, R38, С23. Стабилитрон ZD1 (с пробивным напряжением 5,1В) подключается к шине выходного напряжения +5В. Поэтому, пока напряжение на этой шине не превышает +5,1 В, стабилитрон закрыт, а также закрыт транзистор Q5. В случае увеличения напряжения на шине +5В выше +5,1В стабилитрон "пробивается", и в базу транзистора Q5 течет отпирающий ток, что приводит к открыванию транзистора Q6 и появлению напряжения Uref=+5B на выводе 4 управляющей микросхемы U4, т.е. к защитному отключению. Резистор R38 является балластным для стабилитрона ZD1. Конденсатор С23 предотвращает срабатывание защиты при случайных кратковременных выбросах напряжения на шине +5В (например, в результате установления напряжения после скачкообразного уменьшения тока нагрузки). Диод D19 является развязывающим. 

Схема образования сигнала PG в данном импульсном блоке питания является двухфункциональной и собрана на компараторах (3) и (4) микросхемы U3 и транзисторе Q3. 

Схема построена на принципе контроля наличия переменного низкочастотного напряжения на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1, которое действует на этой обмотке лишь при наличии питающего напряжения на первичной обмотке Т1, т.е. пока импульсный блок питания включен в питающую сеть.
Практически сразу после включения ИБП в питающую сеть появляется вспомогательное напряжение Upom на конденсаторе СЗО, которым запитывается управляющая микросхема U4 и вспомогательная микросхема U3. Кроме того, переменное напряжение со вторичной обмотки пускового трансформатора Т1 через диод D13 и то-коограничивающий резистор R23 заряжает конденсатор С19. Напряжением с С19 запитывается резистивный делитель R24, R25. С резистора R25 часть этого напряжения подается на прямой вход компаратора 3, что приводит к закрыванию его выходного транзистора. Появляющееся сразу вслед за этим выходное напряжение внутреннего опорного источника микросхемы U4 Uref=+5B за-питывает делитель R26, R27. Поэтому на инвертирующий вход компаратора 3 подается опорный уровень с резистора R27. Однако этот уровень выбран меньшим, чем уровень на прямом входе, и поэтому выходной транзистор компаратора 3 остается в закрытом состоянии. Поэтому начинается процесс зарядки задерживающей емкости С20 по цепи: Upom - R39 - R30 - С20 - "корпус".
Растущее по мере зарядки конденсатора С20 напряжение подается на инверсный вход 4 микросхемы U3. На прямой вход этого компаратора подается напряжение с резистора R32 делителя R31, R32, подключенного к шине Upom. Пока напряжение на заряжающемся конденсаторе С20 не превышает напряжения на резисторе R32, выходной транзистор компаратора 4 закрыт. Поэтому в базу транзистора Q3 протекает открывающий ток по цепи: Upom - R33 - R34 - 6-э Q3 - "корпус".
Транзистор Q3 открыт до насыщения, а сигнал PG, снимаемый с его коллектора, имеет пассивный низкий уровень и запрещает запуск процессора. За это время, в течение которого уровень напряжения на конденсаторе С20 достигает уровня на резисторе R32, импульсный блок питания успевает надежно выйти в номинальный режим работы, т.е. все его выходные напряжения появляются в полном объеме.
Как только напряжение на С20 превысит напряжение, снимаемое с R32, компаратор 4 переключится, него выход ной транзистор откроется.
Это повлечет за собой закрывание транзистора Q3, и сигнал PG, снимаемый с его коллекторной нагрузки R35, становится активным (Н-уровня) и разрешает запуск процессора.
При выключении импульсного блока питания из сети на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1 переменное напряжение исчезает. Поэтому напряжение на конденсаторе С19 быстро уменьшается из-за малой емкости последнего (1 мкф). Как только падение напряжения на резисторе R25 станет меньше, чем на резисторе R27, компаратор 3 переключится, и его выходной транзистор откроется. Это повлечет за собой защитное отключение выходных напряжений управляющей микросхемы U4, т.к. откроется транзистор Q4. Кроме того, через открытый выходной транзистор компаратора 3 начнется процесс ускоренной разрядки конденсатора С20 по цепи: (+)С20 - R61 - D14 - к-э выходного транзистора компаратора 3 - "корпус".

Как только уровень напряжения на С20 станет меньше, чем уровень напряжения на R32, компаратор 4 переключится, и его выходной транзистор закроется. Это повлечет за собой открывание транзистора Q3 и переход сигнала PG в неактивный низкий уровень до того, как начнут недопустимо уменьшаться напряжения на выходных шинах ИБП. Это приведет к инициализации сигнала системного сброса компьютера и к исходному состоянию всей цифровой части компьютера. 

Оба компаратора 3 и 4 схемы выработки сигнала PG охвачены положительными обратными связями с помощью резисторов R28 и R60 соответственно, что ускоряет их переключение.
Плавный выход на режим в данном ИБП традиционно обеспечивается при помощи формирующей цепочки С24, R41, подключенной к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Остаточное напряжение на выводе 4, определяющее максимально возможную длительность выходных импульсов, задается делителем R49, R41.
Питание двигателя вентилятора осуществляется напряжением с конденсатора С14 в канале выработки напряжения -12В через дополнительный развязывающий Г-образный фильтр R16, С15.
Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 5.

Выходные выпрямители

Предыдущие статьи цикла "Схемотехника блоков питания персональных компьютеров":

Здесь мы поговорим о выходных выпрямителях блоков питания персональных компьютеров.

В блоках питания форм-фактора АТ используются четыре вторичных напряжения: +5V, -5V, +12V, -12V рассчитанные на разные токи нагрузки. Выпрямители выполняются только по двухполупериодным схемам со средней точкой, а «мостовые» схемы из-за больших потерь, как правило, не используют. О типах выпрямителей переменного тока можно почитать здесь.

Использование двухполупериодной схемы выпрямления привело к тому, что в выпрямителях +5V и +12V стали применятся сдвоенные диоды с общим катодом.

Сдвоенный диод - это два полупроводниковых диода, выполненных в одном общем корпусе. Один из трёх выводов такого диода является общим. Могут быть объёдинены выводы катодов, анодов, а также анода одного диода и катода другого.

В выпрямителях -5V и -12V обычно используются отдельные, дискретные маломощные диоды, так как потребление по шине питания -5V и -12V мало. В исколючительных случаях в них могут применяться маломощные сдвоенные диоды с общим анодом. На практике же это редкость.

Вот фото показаны выпрямительные диоды, которые демонтированы с печатной платы вместе с радиатором. Как видим диоды крепятся к радиатору через изоляционную прокладку.

Выпрямительные сдвоенные диоды

Самый "здоровый" сдвоенный диод, расположенный в центре (SBL3040PT) используется в выпрямителе +5V. Диод SBL3040PT - это сдвоенный диод Шоттки. Он рассчитан на прямой ток до 15 ампер (один диод) и обратное напряжение до 40 вольт.

Рядом установлен диод F12C20C. Он используется в выпрямителе +12V. Этот диод выдерживает прямой ток до 6 ампер (один диод) и обратное напряжение до 200 вольт. В отличие от SBL3040PT, диод F12C20C - это обычный (не Шоттки) быстродействующий выпрямительный диод с общим катодом.

Также на радиаторе закреплён полевой MOSFET-транзистор 40N03P. Внешне он очень похож на сдвоенный диод. Этот транзистор используется в импульсных блоках питания формата ATX.

Основная особенность всех вторичных источников в импульсных блоках питания это сглаживающие фильтры, которые начинаются с дросселей, а уже потом стоят конденсаторы.

Только в фильтрах, начинающихся с дросселя, напряжение на выходе зависит и от амплитуды и от скважности поступающих на вход импульсов. Поэтому изменяя скважность легко регулировать выходное напряжение.

Скважность - внесистемная единица выражающая отношение длительности импульса к периоду повторения. Процесс изменения скважности называется ШИМ – широтно-импульсная модуляция. (англ. PWM – Pulse Width Modulation).

Далее обратимся к схеме. На рисунке изображена схема выходных выпрямителей импульсного блока типания ПК. Трансформатор T2 - это высокочастотный понижающий силовой трансформатор, речь о котором уже заходила во второй части. У него имеется несколько вторичных обмоток с которых снимается пониженное переменное напряжение.

Схема выходного выпрямителя БП формата AT

На схеме можно заметить, что в цепях всех выпрямителей присутствует дроссель с обозначением L1.1, L1.2, L1.3, L1.4. Если обратится к схеме, то можно подумать, что это отдельные дроссели. Но на самом деле это четыре дросселя, наматанных на одном общем кольцевом магнитопроводе. Обмотки дросселей электрически не связаны, но вот магнитное поле у них общее. И это неспроста.

За счёт такого приёма обеспечивается так называемая групповая стабилизация выходных напряжений. За счёт общего магнитного поля в дросселе L1 удаётся стабилизировать сразу все выходные напряжения. Если дроссель L1 выпаять из схемы и замерить выходные напряжения, то можно убедиться в том, что они начинают заметно "гулять". Вот так выглядит дроссель L1 с общим колцевым магнитопроводом на печатной плате.

Дроссель с общим магнитопроводом

Или вот так.

Дроссель выходных выпрямителей

Далее в фильтрах стоят электролитические конденсаторы С4 - С8 ёмкостью от 330 мкф до 2200 мкф. Рабочее напряжение электролитов, как правило, зависит от того, в каком из выпрямителей установлен конденсатор (в +5V и -5V - на 10...16 вольт, а в +12V и -12V - на 16...25 вольт). Резисторы R4 - R7 создают небольшую начальную нагрузку для правильной работы выпрямителя с индуктивным фильтром. Они же служат для разряда электролитических конденсаторов после выключения импульсного блока питания.

Как уже отмечалось, в качестве диодов вторичных источников часто используют диоды Шоттки. Они обладают малым падением напряжения в прямом направлении и быстрым временем восстановления, но низкое обратное напряжение не позволяют использовать положительные качества этих диодов в полном объёме. Поскольку схемы вторичных источников питания сложности не представляют, ремонт сводится к замене электролитических конденсаторов и диодов выпрямителей.

Есть определённые сложности, связанные с диагностикой диодов Шоттки. У них есть очень нехорошее явление, как "утечка". Если проверить диод, то он окажется исправным, но после некоторого времени нормальной работы, вследствие разогрева он начинает "плыть". При малейшем подозрении на исправность такого диода не стоит зря тратить время, а есть смысл просто заменить его на заведомо исправный.

Вообще с ремонтом компьютерных блоков питания связаны некоторые трудности. Отдельные фирмы просто не хотят допустить постороннего внутрь своей техники. Есть блоки, завёрнутые на специальные болты, которые не отвернуть без особого инструмента, а корпуса отдельных типов блоков питания просто наглухо заклёпаны и мастеру приходится эти заклёпки просто высверливать.

Производители как бы намекают: не надо ремонтировать блок питания. Купите и поставьте новый блок.

Продолжение следует...

Назад

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

 

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 3.

Узел управления

Первые две статьи цикла "Схемотехника блоков питания персональных компьютеров":

Узел управления импульсного блока питания выполняет много важных функций.

  • Во-первых, формирование прямоугольных импульсов с их последующим усилением для управления мощными транзисторами высокочастотного преобразователя.

  • Во-вторых, стабилизация выходных напряжений.

"Сердцем" узела управления является ШИМ-контроллер TL494CN. Аналогами этой микросхемы являются DBL494, KIA494AP, KA7500, MB3759, IR3MO2 и наша отечественная КР1114ЕУ4.

Внешний вид и цоколёвка микросхемы ШИМ-контроллера TL494

Узел управления состоит из, собственно, микросхемы с небольшим количеством дискретных элементов и промежуточного каскада, задачей которого, является усиление импульсов сформированных микроконтроллером до величины достаточной для управления мощными транзисторами высокочастотного преобразователя. Далее на рисунке показана внутренняя структура микросхемы TL494CN.

Внутренняя структура ШИМ-контроллера TL494CN

В состав микросхемы входит задающий генератор пилообразного напряжения G1. Элементы C3 и R8 задают частоту следования импульсов. Затем импульсы поступают на инвертирующие входы схем сравнения (компараторов) А3 и А4.

Выходы компараторов объединяются на логический элемент 2ИЛИ (D1), то есть импульс на выходе элемента появится при наличии импульса на любом из входов. Далее импульсы поступают на счётный вход (С) триггера D2. Каждый приходящий импульс изменяет состояние триггера на противоположное. Далее через логический элемент 2И (D3, D4) импульсы приходят на логический элемент 2ИЛИ-НЕ (D5, D6). Благодаря конфигурации схемы импульсы появляются поочерёдно на выходах элементов D5 и D6, а, следовательно, и на базах транзисторов V3 и V4, что и требуется для работы двухтактной схемы.

Микросхема TL494Если высокочастотный преобразователь выполнен по однотактной схеме, то 13 вывод микросхемы соединяют с корпусом и импульсы на выходах D5 и D6 появляются одновременно.

Схема сравнения А1 представляет собой формирователь-усилитель сигнала ошибки в схеме стабилизации выходного напряжения. +5V через делитель из резисторов R1,R2 поступает на один из входов. На другой вход (вывод 2) через регулируемый делитель подаётся эталонное напряжение, которое вырабатывает встроенный в микросхему стабилизатор А5.

Выходное напряжение А1 пропорционально разности входных напряжений. Оно задаёт порог срабатывания компаратора А4, то есть скважность импульсов на его выходе. Величина выходного напряжения вторичных источников питания зависит от скважности импульсов. В результате получается замкнутая в кольцо система автоматического сравнения и регулирования выходного напряжения. Компаратор А3 предназначен для формирования паузы между импульсами на выходе элемента 2ИЛИ (D1).

Минимальный порог срабатывания компаратора А3 задан источником напряжения GV1. Если напряжение на выводе 4 микросхемы растёт, длительность паузы так же увеличивается, а максимальное выходное напряжение источника питания уменьшается. Поскольку амплитуда импульсов на входах всех выпрямителей изменяется одинаково, стабилизация с помощью широтно-импульсной модуляции любого из выходных напряжений, стабилизирует и все остальные. В данном случае стабилизируемым напряжением является +5V.

Следует отметить, что определение и точная локализация неисправности ШИМ-контроллера, это самая сложная процедура при ремонте импульсного блока питания своими силами. Для этого необходим лабораторный источник питания и главное двухлучевой или двухканальный осциллограф. И если после проверки всех элементов блока питания, что в принципе не сложно, блок всё же «плывёт», то лучше заменить микросхему TL494CN на заведомо исправную, тем более что стоимость её весьма невысока.

НазадДалее

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

 

Из чего состоит импульсный блок питания часть 3

Что вообще такое - инвертор.
Данный узел предназначен для преобразования постоянного тока в переменный. В данном случае мы имеем на входе 310 Вольт постоянного тока, которые надо подать на трансформатор. Но так как трансформаторы не хотят работать на постоянном токе, то и нужен инвертор.

Инвертор состоит из двух основных узлов.
ШИМ контроллера.

А также выходных высоковольтных транзисторов. Попутно весьма кстати попал в кадр трансформатор управления этими транзисторами.

Впрочем инвертор может выглядеть заметно проще, например у известного блока питания.

Микросхема, жменька деталей, вот и весь ШИМ контроллер.

В данном случае схемотехника блока питания, а также его мощность заметно отличаются от предыдущего варианта, потому транзистор всего один.

Еще один вариант, слева конденсаторы входного фильтра, справа трансформатор, между ними инвертор.
Так как на силовом транзисторе выделяется значительная мощность, то чаще всего он устанавливается на радиатор.

Но давайте немного отвлечемся на историю, с чего собственно все начиналось. Возможно конечно начиналось не с этого, потому точнее будет сказать, с чего начинал я.
Как вы понимаете, раньше не было ШИМ контроллеров, а иногда и обычную "кренку" купить была проблема, но прогресс не стоял на месте и радиолюбители пытались заменить большие трансформаторы на импульсные блоки питания.
На схеме показан типичный автогенератор, но были схемы и с простой логикой в качестве генератора импульсов.

Тогда схемы подобных блоков питания часто встречались в журнале Радио в контексте усилителей мощности. Но мое знакомство было на примере блока питания для Синклера. Кстати на фото один из них, который я оставил себе на память 🙂
Правда вышеприведенная схема требовала подбора транзисторов и в моем случае сильно перегревалась.

Схема с автогенератором считается самой простой, в данном примере она даже не имеет стабилизации выходного напряжения.

При всем современном разнообразии микросхем показанная выше схема также нашла себя в современном мире, в качестве "электронного трансформатора" для галогенных ламп.

Правда постепенно такие лампы заменяют на светодиоды, но все равно электронные трансформаторы довольно популярны, в основном из-за свой простоты и дешевизны.

Уже через довольно большое время подобные схемы получили второе дыхание. Известная фирма International Rectifier выпустила весьма простую микросхему для электронного балласта люминесцентных ламп. Но выяснилось, что данная микросхема отлично работает в качестве задающей для импульсного БП. К ним относятся микросхемы IR2151, IR2153 и подобные.
Вообще некоторые радиолюбители делали и стабилизированные блоки питания на базе этой микросхемы, но работает это не всегда корректно.

По сути для этой микросхемы надо только несколько мелких деталей и пара полевиков, вот и вся схема инвертора. Именно с применением этой микросхемы я делал первичный блок питания для своего лабораторного.
Кстати, именно эту микросхему я рекомендую для питания усилителей мощности, как неприхотливую и довольно надежную. А также хочу сказать, что нерегулируемые БП лучше себя ведут в плане шумов.

Так выглядит трехканальный блок питания с мощностью в 300 Ватт и ШИМ регулировкой вентилятора. Более полная информация есть в обзоре лабораторника.

Также довольно часто можно встретить и однотактные блоки питания на основе автогенератора. Особенно часто они попадались в АТХ боках в качестве дежурки.

Также они могут попасться и в очень бюджетных зарядных для телефонов. Автогенератор является самым простым типом инвертора.

Хотя бывают и исключения, например блок питания довольно дорогого фирменного кондиционера также имел в своем составе автогенератор, правда сделан довольно качественно и имеет стабилизацию напряжения.

В следующий раз мне попались импульсные блоки питания в новых тогда телевизорах. После больших и тяжелых трансформаторов это был прогресс.

Схемотехника правда была жуткая, ремонтопригодность слабая, да и габарит я не назвал маленьким. На фото блок питания мощностью 80 Ватт.
Сначала они также делались по схеме с автогенератором, но потом начали ставить микросхему, правда особо ничего это не изменило.

Вот и подошли мы к теме более современных инверторов, так как на этом этапе блоки питания вышли на тот схемотехнический уровень, который мы сейчас наблюдаем в современных блоках.
Да, поднимали частоту, расширяли диапазон работы, мощность, но суть осталась той же что и была 30 лет назад. Правда так как тогда интегральные ШИМ контроллеры были слабо развиты, то делали их в виде сборок.

Впрочем и в современных блоках питания не стесняются применять такие вот унифицированные модули, по своему это даже удобно.

Типовая блок схема распространенных моделей инверторов состоит из пяти узлов.
1. Узел контроля напряжения питания, защита от работы при пониженном и повышенном напряжении.
2. Вспомогательное питания или цепь запуска.
3. Силовой элемент и датчик тока. Этот узел может заметно отличаться в зависимости от топологии блока питания.
4. Собственно ШИМ контроллер, мозги блока питания.
5. Узел основного питания ШИМ контроллера.

Рассмотрим как происходит запуск большинства блоков питания, эта информация может помочь в поиске неисправностей.
После того как подали высокое напряжение, оно через резистор попадает в цепь питания ШИМ контроллера.

Как только напряжение достигнет порога включения ШИМ контроллер запускается, питаясь в это время от конденсатора в цепи питания.
Если ваш блок питания не подает признаков жизни, проверьте, есть ли питание на входе ШИМ контроллера, иногда эти резисторы уходят в обрыв.

Затем ШИМ контроллер проверяет, в порядке ли питающее напряжение. Эта цепь есть далеко не у всех инверторов, потому если ее нет, то можно сразу перейти к следующему шагу.

Если с питанием все отлично, то контроллер начинает выдавать управляющие импульсы силовому транзистору. попутно при этом контролируется ток в цепи этого транзистора и если он превышен, то ШИМ контроллер переходит в режим защиты.

Если все нормально, то буквально после нескольких тактов на выходе цепи основного питания появляется рабочее напряжение, которое и питает контроллер. Кстати это один из узлов отказа, если питания нет, то блок питания будет работать в старт-стоп режиме.

Если все этапы запуска прошли корректно, то дальше вступает в дело ШИМ стабилизация. В данном случае я всегда сравниваю ее с бочкой, в которую мы порциями подаем воду и сливая ее через другой кран с разным напором. Задача контроллера поддерживать всегда один и тот же уровень воды в бочке при том, что вводной кран может быть только в двух состояниях, открыто и закрыто.
Кстати, многие видели на выходе блоков питания резистор, подключенный параллельно питанию, он нужен чтобы обеспечить некую минимальную нагрузку, так как блоку питания тяжело работать при очень малой ширине импульса.

Для примера ширина импульсов при небольшой нагрузке.

Если увеличить нагрузку, то ШИМ контроллер увеличит подачу энергии в трансформатор, а через него в нагрузку.

Даже если к примеру нагрузить блок питания на полную, то ширина импульсов не будет полной.

Запас необходим для компенсации снижения входного напряжения.

Если снизить входное напряжение еще больше, то ШИМ контроллер просто выставит максимальную ширину импульса. Кстати, ШИМ контроллеры блоков питания не формируют 100% заполнение, так как всегда необходимо "мертвое" время для защиты выходных транзисторов. В это время выходные транзисторы закрыты.
Для обратноходовых однотактных блоков питания, а именно они используются в качестве блоков питания небольшой мощности, максимальное заполнение составляет 50%.

Самым первым ШИМ контроллером, с которым я познакомился, была легендарная TL494. Микросхема очень старая, но так получилось, что у разработчика дешевый и очень универсальный контроллер и даже спустя много лет и при наличии современных решений он еще весьма широко применяется в блоках питания.
Выпускается она многими фирмами и иногда под разными названиями, например аналог от Самсунга называется КА7500.

На первый взгляд его внутреннее устройство может показаться довольно сложным, но на самом деле таковым не является.

Если немного упростить картинку, то будет примерно так:
1 и 2, стабилизатор питания и источник опорного напряжения.
3. Генератор импульсов, задает частоту работы контроллера.
4. Два компаратора, один обычно используется для стабилизации тока, второй - напряжения.
5. Задатчик мертвого времени, т.е. минимальной паузы между открытым состоянием выходов.
6. Узел сложения всех сигналов.
7. Триггер, который управляет выходными ключами и задает логику работы, двухтактный или однотактный режим. В некоторых аналогах этот триггер сбоил на частотах ниже 100 Гц, чем доставлял немало сюрпризов строителям повышающих инверторов в 220 Вольт.

Микросхема выполнена в корпусе с 16 выводами. Сама по себе надежна, но иногда в блоках питания АТХ, где ее питание идет от источника дежурного напряжения, выходит из строя после его ухода в разнос, когда высыхал конденсатор по выходу 5 Вольт. Пробивало стабилизатор опорного напряжения и на выходе БП запросто могло появиться высокое напряжение. Потому при проверке прежде всего смотреть наличие 5 Вольт на выводе 14.

В блоках питания АТ, а потом в распространенных китайских БП в кожухе она питается от своего же силового трансформатора. Запуск происходит за счет резисторов в базовых цепях силовых ключей. При включении они сначала входят в автогенераторный режим, на выходе трансформатора появляется небольшое напряжение, микросхема начинает работать и перехватывает управление на себя. Потому если БП не запускается, то в первую очередь проверяем резисторы выделенные на схеме резисторы.

Вторым, не менее легендарным ШИМ контроллером является семейство однотактных UC384х.
Думаю что вы могли из встречать раньше в блоках питания и преобразователях напряжения.

Внутреннее устройство весьма похоже на TL494, но немного отличается. Для начала у микросхемы только один выход, а не два.
Кроме того компараторы привязаны к определенному напряжению, заданному внутри микросхемы, а не универсальные.
Ну и конечно ключевая особенность, микротоковый старт. пока микросхема не начнет работать, он потребляет очень маленький ток, потому запустить ее можно прямо от входного напряжения через резистор, TL494 так не умеет.
Чтобы запуск проходил корректно, у микросхемы есть пороговая схема определяющая напряжение включения и выключения микросхемы. Существует два варианта, около 9 и 15 Вольт.
Кроме того микросхема может иметь 50 и 100% рабочий цикл, первая идет в блоки питания, вторая в преобразователи напряжения.
Так получается четыре варианта исполнения этого контроллера.

Микросхема выпускается в разных корпусах, но наиболее распространен корпус с восемью выводами.

Типовая схема блока питания с этой микросхемой выглядит примерно так.

Сейчас на рынке есть много блоков питания с другими микросхемами, но если посмотреть на их схему, то вы увидите очень много общего, все те же узлы и элементы. Отличия если и есть, то они минимальны.

Инверторы блоков питания могут иметь разную топологию, и об этом я обязательно расскажу отдельно, но большинство выполнено по схемотехнике флайбек или полумост, две верхние схемы на чертеже. Собственно все описанные сегодня блоки питания работают именно так.

Но вернемся к ШИМ контроллерам. Перед этим я описывал варианты, когда ШИМ контроллер отдельно, а силовой узел отдельно. но также получили распространение и полностью интегрированные контроллеры, например серии TOP от Power integrations где практически все собрано в одном корпусе.
Не так давно мне даже попалась подделка, причем что интересно, она слева, с лазерной маркировкой, справа оригинал.

Распространение они получили благодаря простейшей схемотехнике, где в простом варианте блок питания состоит буквально из нескольких деталей.

Потом появились более продвинутые контроллеры, где можно задавать напряжение включения и отключения, а также ограничение выходной мощности. Но при желании их можно перевести в трехвыводный режим, соединив выводы как было на фото раньше.
Но в любом случае данные контроллеры гораздо умнее и имеют комплекс защит от разных проблем, например они выдерживали напряжение более 300 Вольт по входу просто блокируя свою работу.

Но секрет их популярности был также и в удобной программе расчета, которую предоставлял производитель. Она позволяла рассчитать все, вплоть до укладки обмоток трансформатора. А при обнаружении проблем в расчетах, выдавала подсказки.

Производитель предоставлял варианты применения своих микросхем в виде примеров. Был даже вариант компьютерного блока питания, но как-то не пошло.

Зато в небольших блоках питания, например мониторов, он встречаются весьма часто.

Кроме того я и сам их очень активно использую уже наверное лет 15.

Китайские производители также не отстают, выпуская свои варианты подобных микросхем.

Которые довольно успешно применяют в небольших блоках питания

Кстати, при желании можно использовать ШИМ контроллеры и без обратной связи от выходного напряжения, используя обмотку питания самого контроллера. Схема упрощается, но стабильность конечно будет немного ниже чем при правильной обратной связи.

В общих чертах на этом все. Вообще мне иногда кажется, что чем больше я рассказываю, тем больше остается за кадром, что еще хотелось бы рассказать более подробно, но не успеваешь. Потому скорее всего будут еще выпуски по отдельным узлам и принципам работы.
Видео получилось слишком длинным, даже сам не ожидал, и это при том, что еще почти ничего не сказал за ключевые транзисторы и часть даже вырезал, наверное болтаю слишком много 🙁

Несколько ссылок, на полезные обзоры, которые упоминались в видео.
Неплохой модуль DC-DC ZXY6005S или лабораторный блок питания своими руками
12 Вольт 6-8 Ампер блок питания, который приятно удивил
12 Вольт 5 Ампер блок питания или как это могло быть сделано
DC-DC преобразователь, как это иногда бывает
S-180-12 180W 12V / 15A блок питания в непривычном формфакторе
36 Вольт 10 Ампер 360 Ватт или продолжаем изучать как устроены блоки питания + небольшой бонус
48 Вольт, 5 Ампер и 240 Ватт или блок питания который смог удивить
Блоки питания, маленькие и очень маленькие

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 4.

Промежуточный каскад

Здесь будет рассказано о промежуточном каскаде усиления импульсного блока питания персонального компьютера.

Другие части цикла "Схемотехника блоков питания персональных компьютеров":

Промежуточный каскад выполняет функцию усилителя импульсов, поступающих от ШИМ-контроллера (TL494CN), для последующей подачи их на мощные транзисторы инвертора.

В некоторых схемах дополнительные транзисторы не используются, а транзисторы, входящие в состав микросхемы TL494CN работают на первичные обмотки импульсных трансформаторов. Есть вариант с одним трансформатором и двумя вторичными обмотками.

Промежуточный каскад с одним трансформатором

Или с двумя трансформаторами, когда на каждый транзистор отдельный трансформатор.

Промежуточный каскад с двумя трансформаторами

По мнению специалистов, промежуточный каскад с двумя трансформаторами можно считать неудачным из-за накопления энергии в магнитопроводах и уменьшению индуктивности, что влечёт за собой увеличение размеров трансформаторов. На практике же чаще встречаются промежуточные каскады, выполненные на базе одного трансформатора с двумя вторичными обмотками.

Если мощности встроенных транзисторов не достаточно для управления выходным каскадом применяют схему с дополнительными транзисторами. Например, вот такую.

Промежуточный каскад с дополнительными транзисторами

Половины первичной обмотки трансформатора Т1 являются нагрузками коллекторов транзисторов VT1 и VT2. Они открываются поочерёдно поступающими с микросхемы импульсами. В каждый момент времени один транзистор открыт, другой закрыт. Резистор R5 ограничивает коллекторный ток до 15 – 20 мА.

В качестве транзисторов VT1, VT2 обычно используются маломощные биполярные транзисторы 2SC945.

НазадДалее

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

 

Как спроектировать схему электроснабжения

Roadrunner имеет очень низкие требования к питанию, поэтому можно использовать даже небольшой импульсный источник питания. В любом случае, в реальной плате, включающей эту SOM, требования к питанию зависят от других устройств, установленных на и от доступного основного питания. Эта статья описывает различные реальные примеры проектирования печатных плат и схем.

Введение

Давайте представим некоторые замечания, которые должны быть применены к каждой цепи, общие для всех проектов, описанных ниже.

Как объяснено в техническом описании SAMA5D2 Series Таблица 66-3: Характеристики постоянного тока , различные источники питания, необходимые для работы MCU, могут допускать уровень пульсаций в пределах характеристик многих фактических переключающих регуляторов. Этот вид регуляторов сейчас дешев, требует ограниченного количества внешних компонентов, имеет высокую эффективность и низкую пульсацию. Поэтому, за исключением некоторых очень специфических ситуаций, они более целесообразны, чем классические линейные регуляторы, которые тратят много энергии.

Расчет правильных значений для компенсационных сетевых и фильтрующих устройств - задача не из легких, но многие производители публикуют средства проектирования, которые значительно упрощают выбор внешних компонентов в каждом конкретном приложении. Одним из примеров является Texas Instruments WEBENCH® Power Designer. Эти инструменты возвращают даже подробную спецификацию схемы со ссылками на набор предлагаемых поставщиков. Качество компонентов может сильно влиять на работу регулятора переключения. Несмотря на преимущества керамических конденсаторов, в процессе проектирования необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить стабильную работу во всем рабочем диапазоне напряжений и температур.Керамические конденсаторы доступны во множестве диэлектриков, каждый из которых обладает различными характеристиками, которые могут значительно повлиять на производительность в их диапазонах температуры и напряжения. Двумя наиболее распространенными диэлектриками являются Y5V и X5R. Принимая во внимание, что диэлектрики Y5V являются недорогими и могут обеспечить высокую емкость в небольших упаковках, их емкость сильно варьируется в зависимости от их диапазонов напряжения и температуры и не рекомендуется для применений постоянного / постоянного тока. Диэлектрики X5R и X7R больше подходят для применений выходных конденсаторов, поскольку их характеристики более стабильны в рабочих диапазонах и настоятельно рекомендуются.Индуктор должен иметь низкое сопротивление постоянному току и номинальные значения постоянного тока, которые превышают максимальный выходной ток как минимум на 30%, чтобы избежать насыщения индуктивности. Правильный выбор правильных значений для конденсаторов и катушек индуктивности делает схему более стабильной, но хорошая конструкция печатной платы по-прежнему необходима, чтобы избежать сильных пульсаций или даже автоколебаний.

Более

пульсации чувствительных источников питания MCU (например .: аналогового напряжение опорного) может быть лучше защищены путем добавления PI фильтра.

Только в том случае, когда необходима очень высокая помехоустойчивость, например, при преобразовании аналоговых сигналов очень низкого уровня, может потребоваться каскадный регулятор LDO для фильтрации всей пульсации.

Чтобы быть уверенным в том, что весь комплект периферийного устройства SAM5D27 MCU может работать правильно, лучше снабдить MCU источником питания не менее 3 В, даже если некоторые детали работают и при более низком напряжении. Но нестабильный источник питания, который изменяется во время включения или выключается во время отключения питания, может привести к непредсказуемому поведению всей системы. Многие другие устройства, подключенные к MCU, также могут сходить с ума в таких условиях. Для предотвращения подобных проблем в Roadrunner SOM реализован диспетчер электропитания.Простой 3-контактный детектор напряжения питания MICRO POWER APX809-31SAG-7 подает сигнал сброса всякий раз, когда напряжение питания VCC падает ниже 3,08 В, сохраняя его в течение не менее 240 мс после того, как VCC поднялся выше этого порога сброса. Этот управляющий сигнал напрямую подключен к выводу NRST MCU и также доступен на выводе J1-24 разъема SOM, чтобы также выполнить сброс чувствительных внешних устройств, таких как SD-карты.

Штырьки 3V3_OUT разъема обеспечивают питание 3V3_IN через Mosfet, управляемый MCU.Когда микроконтроллер выключается, можно отключить внешние устройства, такие как, например, Ethernet PHY, чтобы гарантировать отключение при нулевом токе.


Давайте теперь объясним некоторые реальные рабочие проекты, предназначенные для различных ситуаций.

Пример 1. Стандартный источник питания 5 В от разъема USB

Первый пример - наиболее распространенная ситуация: внешний источник питания 5 В, часто от USB-кабеля, подключенного к хост-устройству или к простому настенному адаптеру питания.Импульсный регулятор NCP1529 1A обладает достаточными возможностями для питания Roadrunner и некоторых других внешних устройств, небольшого количества внешних компонентов, небольшого размера, в том числе из-за частоты переключения 1,7 МГц, которая позволяет использовать небольшие индукторы и конденсаторы.

Внешний аккумулятор позволяет MCU работать в режиме резервного копирования. Он подключен к выводу Vbat разъема Roadrunner и включает раздел Vddbu на SAMA5D27. Лист данных Таблица 66-14: Типичное энергопотребление для резервного режима помогает рассчитать правильную емкость аккумулятора, необходимую для обеспечения требуемой автономной резервной копии без основного источника питания.

Если источник питания 5 В недостаточно надежен, лучше добавить устройства защиты и фильтрации.

Инверсия полярности защищена диодом Шоттки для минимизации падения напряжения по сравнению со стандартным диодом. Возможное перенапряжение, а также электростатический разряд отключаются ограничителями переходных напряжений вместе со сбрасываемым предохранителем. Если напряжение, постоянно или только в пике, превышает порог TVS, это начинает проводить; когда циркулирующий ток превышает 1 А, предохранитель размыкает цепь до тех пор, пока состояние не вернется к нормальным значениям.

Фильтр нижних частот, образованный синусоидальным дросселем и конденсаторами, блокирует как излучаемые, так и кондуктивные излучения.

Большая часть пульсации выходного напряжения обусловлена ​​паразитным сопротивлением LC-фильтра. Настоятельно рекомендуется использовать керамический конденсатор с очень низким ESR, а также индуктор с низким сопротивлением. Но также полное сопротивление дорожек печатной платы между этими компонентами и ИС должно быть максимально снижено, чтобы иметь как хорошую эффективность, так и низкую пульсацию.Как показано на примере маршрутизации печатной платы ниже, эти компоненты должны быть расположены как можно ближе к площадкам ИС и соединены друг с другом с помощью многоугольников. Пути заземления должны поддерживаться на минимально возможном импедансе, используя достаточное количество переходных отверстий для соединения верхней и внутренней заземляющих плоскостей. Регулятор переключается на высокой частоте с острыми краями и большим количеством энергии. Это вызывает широкий спектр частот, что вынуждает проектировать печатную плату с концепцией, подобной радиочастотной схеме.Еще раз достаточное количество переходов важно закорочить верхний грунт до нижнего грунта, чтобы уменьшить путь возврата и уменьшить излучаемые выбросы. Даже если хорошая конструкция может гарантировать подходящую плоскость заземления, расположенную непосредственно под верхним слоем, также с двухслойной печатной платой, 4-уровневый или многоуровневый стек очень помогает при наличии источника питания с почти идеальными характеристиками и соответствием ограничениям ЭМС.


Пример 2. Раздельный источник питания для устройств с большой нагрузкой на одной плате.

Одно или несколько энергосберегающих устройств могут работать на одной плате MCU. Примером является высокоскоростной модем связи. Как указано в типовой спецификации HSPA + Mini PCIe Module, в некоторых специфических условиях пиковый ток может достигать очень высокого уровня, даже если только на короткий период. Если источник питания не обладает хорошими характеристиками переходного процесса, это может вызвать падение напряжения с непредсказуемым поведением.

Чтобы иметь хороший переходный отклик, нам нужен источник питания с достаточной емкостью для хранения энергии, необходимой во время пиков, и полное сопротивление печатной платы должно быть очень низким.По возможности лучше использовать источник питания для этой секции, отделенный от блока MCU. Это позволяет использовать две различные конструкции блоков питания, каждая из которых предназначена для собственного применения и физически размещена ближе к утилизатору, снижая возможные помехи между ними. Кроме того, таким образом, MCU может управлять этим отдельным доменом питания, включая его только при необходимости.

В этом случае используется понижающий преобразователь AP65550. В дополнение к его способности 5А он может питаться до 18 В, что позволяет проектировать источник питания с более широким диапазоном входного напряжения, чем NCP1529.Недостаток заключается в большей занимаемой площади из-за более низкой рабочей частоты, которая требует более щедрых катушек индуктивности и конденсаторов.

Схема и схема печатной платы показывают, сколько конденсаторов распределено по цепи. Большинство из них расположены очень близко к входным контактам питания модема PCIe, чтобы минимизировать сопротивление дорожек. Конденсаторы 1000 мкФ обеспечивают запас энергии для реагирования на переходные процессы. Конденсаторы 100 нФ отфильтровывают высокие частоты, а конденсаторы 33 пФ отфильтровывают очень высокие частоты, генерируемые этим устройством связи.

На рисунке ниже показана дорожка измерения напряжения, проложенная на внутреннем слое. Это обратная связь, которая позволяет регулятору поддерживать правильное напряжение. Улавливание выходного напряжения в непосредственной близости от опытного пользователя гарантирует лучшую регулировку, компенсирующую падение напряжения из-за сопротивления дорожки на печатной плате между регулятором и нагрузкой.

Очень часто регуляторы имеют большую открытую прокладку в нижней части упаковки.Это важно для обеспечения хорошего контакта с заземляющей плоскостью как с электрической, так и с тепловой точки зрения. Настоятельно рекомендуется хорошее количество переходных отверстий, чтобы обеспечить хорошее рассеивание тепла на нижних слоях.


Пример 3: вход 12 В с дополнительным выходом 5 В для включения внешних USB-устройств

В этом примере регулятор AP65550 используется для создания источника питания 5 В, если на плате установлен хост-интерфейс USB, который включает внешние устройства.Основное напряжение может составлять до 18 В, и MCU может питаться немного NCP1529 от 5 В, как это сделано в примере 1.

Необходимо обеспечить защиту от помех внешних устройств и перегрузки по току между источником питания и хост-разъемом USB типа A.


Пример 4: вход 24 В с несколькими внешними источниками питания

В промышленной среде часто используется основной источник питания 24 В, чтобы уменьшить требования к току и, следовательно, размер проводов.Предыдущие регуляторы нельзя использовать из-за их пределов напряжения. Вот пример с входом TPS54231 28 В, понижающим DC-DC преобразователем. Многократное выходное напряжение требуется проектом для включения внешних устройств. Поскольку эти источники питания связаны с внешним миром, внутренние компоненты должны быть хорошо защищены от обратного напряжения и электромагнитных помех с помощью диодов и LC-фильтров. Входной источник также защищен цепью, аналогичной той, которая описана в примере 1. Еще раз MCU 3.Источник питания 3 В поставляется от крошечного NCP1529, который питается от внутреннего 5 В.

TPS54231 работает на частоте 500 кГц, поэтому для него требуется довольно большой индуктор и внешний диод. Это увеличивает нагрузку на печатную плату, но регулятор очень стабилен и имеет низкую пульсацию. Путь для переключения тока локализован между регулятором, LC-фильтром и улавливающим диодом. Все эти компоненты PCB дизайн требует внимания для сопротивления дорожки и плоскости заземления уже описаны.Отметьте на этом рисунке количество больших переходных отверстий, размещенных для защиты области регуляторов вокруг и ниже непрерывными заземляющими плоскостями.


Пример 5: очень низкая мощность с возможностями сбора энергии

Некоторые идеи по поводу энергопотребления системы с очень низким энергопотреблением можно найти в другой статье, посвященной долговечному батарейному решению

.

Здесь используется очень низкий ток покоя, выбираемый программно Vout, понижающий преобразователь для приложений с низким энергопотреблением TPS62740

Ссылки по теме

Гвидо Оттавиани
Разработчик оборудования, разработчик прошивки, технический писатель и специалист по робототехнике

Продукты

Roadrunner

,

12V 1A SMPS Схема источника питания на печатной плате

Каждое электронное устройство или изделие требует надежного блока питания (PSU) для его работы. Почти все устройства в нашем доме, такие как телевизор, принтер, музыкальный проигрыватель и т. Д., Состоят из встроенного в него блока питания, который преобразует напряжение сети переменного тока в соответствующий уровень напряжения постоянного тока для их работы. Наиболее часто используемым типом цепи электропитания является SMPS (импульсный источник питания) , вы можете легко найти этот тип цепей в своем адаптере 12 В или зарядном устройстве для мобильных ПК / ноутбука.В этом уроке мы узнаем , как построить 12-вольтовую SMPS-схему , которая преобразовывала бы сеть переменного тока в 12 В постоянного тока с максимальным номинальным током 1,25 А. Эту схему можно использовать для питания небольших нагрузок или даже адаптировать ее к зарядному устройству для зарядки свинцово-кислотных и литиевых батарей. Если эта цепь питания 12 В, 15 Вт, не соответствует вашим требованиям, вы можете проверить различные цепи питания с разными номинальными характеристиками.

12 В SMPS Circuit - Вопросы проектирования

Прежде чем приступить к проектированию источников питания любого типа, необходимо выполнить анализ требований на основе среды, в которой будет использоваться наш источник питания.Различные виды источников питания работают в разных средах и с определенными границами ввода-вывода.

Входные данные

Давайте начнем с ввода. Входное напряжение питания - это первое, что будет использоваться SMPS и будет преобразовано в полезное значение для питания нагрузки. Так как эта конструкция указана для преобразования переменного тока в постоянный , на входе будет переменный ток (AC). Для Индии вход переменного тока доступен в 220-230 вольт, для США он рассчитан на 110 вольт.Есть и другие страны, которые используют разные уровни напряжения. Как правило, SMPS работает с универсальным входным напряжением в диапазоне . Это означает, что входное напряжение может отличаться от 85 В переменного тока до 265 В переменного тока. SMPS может использоваться в любой стране и может обеспечить стабильный выход при полной нагрузке, если напряжение составляет 85-265 В переменного тока. SMPS также должен нормально работать на частотах 50 Гц и 60 Гц. По этой причине мы можем использовать наши зарядные устройства для телефонов и ноутбуков в любой стране.

Выходная спецификация

На выходной стороне несколько нагрузок являются резистивными, немногие - индуктивными.В зависимости от нагрузки конструкция SMPS может быть разной. Для этого SMPS нагрузка принимается как резистивная нагрузка . Однако нет ничего похожего на резистивную нагрузку, каждая нагрузка состоит по меньшей мере из некоторого количества индуктивности и емкости; здесь предполагается, что индуктивность и емкость нагрузки незначительны.

Выходная спецификация SMPS сильно зависит от нагрузки, например, сколько напряжения и тока потребуется нагрузке при любых условиях эксплуатации.Для этого проекта SMPS может обеспечить 15 Вт выходной мощности . Это 12В и 1,25А. Целевая выходная пульсация выбрана как меньшее из 30 мВ pk-pk при полосе частот 20000 Гц .

Исходя из выходной нагрузки, мы также должны выбрать между проектированием SMPS с постоянным напряжением или SMPS с постоянным током . Постоянное напряжение означает, что напряжение на нагрузке будет постоянным, и ток будет изменяться в соответствии с изменениями сопротивления нагрузки.С другой стороны, режим постоянного тока позволяет току быть постоянным, но изменять напряжение в соответствии с изменениями сопротивления нагрузки. Кроме того, CV и CC могут быть доступны в SMPS, но они не могут работать за один раз. Когда обе опции существуют в SMPS, должен быть диапазон, когда SMPS изменит свою выходную операцию с CV на CC и наоборот. Обычно зарядные устройства в режиме CC и CV используются для зарядки свинцово-кислотных или литиевых батарей.

Функции защиты входов и выходов

Существуют различные схемы защиты, которые можно использовать на SMPS для более безопасной и надежной работы.Схема защиты защищает SMPS, а также подключенную нагрузку. В зависимости от местоположения схема защиты может быть подключена через вход или через выход. Наиболее распространенная защита входов - Защита от импульсных перенапряжений и Фильтры электромагнитных помех . Защита от перенапряжений защищает SMPS от скачков напряжения на входе или от перенапряжения переменного тока . Фильтр EMI защищает SMPS от генерации EMI через входную линию. В этом проекте будут доступны обе функции. Защита выхода включает защиту от короткого замыкания , защиту от перенапряжения и защиту от перегрузки по току .Эта конструкция SMPS также будет включать в себя все эти схемы защиты.

Выбор IC управления питанием

Для каждой цепи SMPS требуется ИС управления питанием, также известная как коммутационная ИС или ИС SMPS или более сухая ИС. Давайте подведем итоги проектирования, чтобы выбрать идеальную ИС управления питанием, которая будет подходить для нашего дизайна. Наши требования к дизайну

  1. 15 Вт мощности. 12 В 1,25 А с пк-рк пульсацией менее 30 мВ при полной нагрузке.
  2. Универсальный входной рейтинг.
  3. Защита от перенапряжения на входе.
  4. Защита от короткого замыкания на выходе, перенапряжения и перегрузки по току.
  5. Операции с постоянным напряжением.

Из вышеперечисленных требований есть широкий выбор микросхем на выбор, но для этого проекта мы выбрали Power интеграции . Интеграция питания - это полупроводниковая компания, имеющая широкий спектр ИС драйверов питания в различных диапазонах выходной мощности. Исходя из требований и доступности, мы решили использовать TNY268PN из крошечных семейств коммутаторов II .

Selection of the Power Management IC

На изображении выше показана максимальная мощность 15 Вт. Тем не менее, мы сделаем SMPS в открытом кадре и для универсального входного рейтинга. В таком сегменте TNY268PN может обеспечить мощность 15 Вт. Давайте посмотрим на схему контактов.

TNY268PN Pinout

Проектирование 12-вольтовой 1-амперной цепи SMPS

Лучший способ построить схему - использовать программное обеспечение PI для интеграции с Power. Это отличное программное обеспечение для проектирования блока питания.Схема построена с использованием интегральной схемы питания. Процедура проектирования описана ниже, в качестве альтернативы вы также можете прокрутить видео вниз, объясняя то же самое.

Шаг -1: Выберите Tiny switch II , а также выберите желаемую упаковку. Мы выбрали пакет DIP. Выберите тип корпуса, адаптер или открытая рамка. Здесь выбран Open Frame.

Затем выберите тип обратной связи. Это важно, так как используется топология Flyback .TL431 - отличный выбор для обратной связи. TL431 - это шунтирующий регулятор, обеспечивающий превосходную защиту от перенапряжения и точное выходное напряжение.

Designing the 12v 1Amp SMPS Circuit

Шаг-2: Выберите диапазон входного напряжения. Поскольку это будет универсальный вход SMPS, входное напряжение выбрано как 85-265В переменного тока. Частота линии составляет 50 Гц.

Select Input Voltage Range for SMPS

Шаг 3:

New PI Expert Design Wizard

Выберите выходное напряжение, ток и мощность.Рейтинг SMPS будет 12V 1.25A. Мощность показывает 15 Вт. Режим работы также выбран как CV, что означает режим работы с постоянным напряжением. Наконец, все делается в три простых шага, и схема создается.

12V SMPS принципиальная схема и объяснение

Приведенная ниже схема немного видоизменена в соответствии с нашим проектом.

12V 1A SMPS Circuit Diagram

Прежде чем приступить непосредственно к созданию прототипа, давайте рассмотрим принципиальную схему 12v SMPS и ее работу.Схема имеет следующие разделы

  1. Защита от скачков напряжения на входе и SMPS
  2. AC-DC преобразование
  3. PI фильтр
  4. Схема драйвера или схема переключения
  5. Защита от понижения напряжения.
  6. Схема зажима
  7. Магнитика и гальваническая развязка
  8. EMI фильтр
  9. Вторичный выпрямитель и демпферная цепь
  10. Секция фильтра
  11. Обратная связь.

Защита от перенапряжения на входе и SMPS

Этот раздел состоит из двух компонентов, F1 и RV1.F1 представляет собой плавкий плавкий предохранитель на 1 В 250 В переменного тока, а RV1 представляет собой 7-миллиметровый 275 В MOV (металлический оксидный варистор). Во время перенапряжения высокого напряжения (более 275 В переменного тока) MOV замерзает и перегорает входной предохранитель. Тем не менее, благодаря функции замедленного срабатывания, предохранитель выдерживает пусковой ток через SMPS.

AC-DC преобразование

Этот раздел регулируется диодным мостом. Эти четыре диода (внутри DB107) составляют полный мостовой выпрямитель. Диоды 1N4006, но стандарт 1N4007 отлично справится с этой задачей.В этом проекте эти четыре диода заменены полным мостовым выпрямителем DB107.

PI фильтр

Разные штаты имеют разные стандарты подавления электромагнитных помех. Эта конструкция соответствует стандарту EN61000-Class 3 стандарта , а PI-фильтр сконструирован таким образом, чтобы уменьшить подавление электромагнитных помех в синфазном режиме . Этот раздел создан с использованием C1, C2 и L1. C1 и C2 - конденсаторы 400 В 18 мкФ. Это нечетное значение, поэтому для этого приложения выбрано 22 мкФ 400 В.L1 - это синфазный дроссель, который принимает дифференциальный сигнал EMI для отмены обоих.

Схема привода или схема переключения

Это сердце SMPS. Первичная сторона трансформатора управляется цепью переключения TNY268PN. Частота переключения составляет 120-132 кГц. Благодаря высокой частоте коммутации можно использовать трансформаторы меньшего размера. Коммутационная схема состоит из двух компонентов: U1 и C3. U1 является основным драйвером IC TNY268PN.C3 - это байпасный конденсатор , который необходим для работы нашего драйвера IC.

Защита от понижения напряжения

Защита от понижения напряжения обеспечивается чувствительными резисторами R1 и R2. Он используется, когда SMPS переходит в режим автоматического перезапуска и определяет напряжение в сети.

Схема зажима

D1 и D2 - схема зажима. D1 - это TVS-диод , а D2 - - сверхбыстрый восстановительный диод .Трансформатор действует как огромный индуктор через силовой драйвер IC TNY268PN. Поэтому во время цикла выключения трансформатор создает высокие скачки напряжения из-за индуктивности рассеяния трансформатора. Эти высокочастотные скачки напряжения подавляются диодным зажимом на трансформаторе. UF4007 выбран из-за сверхбыстрого восстановления, а P6KE200A выбран для работы TVS.

Магнитика и гальваническая развязка

Трансформатор представляет собой ферромагнитный трансформатор, и он не только преобразует переменный ток высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения, но также обеспечивает гальваническую развязку.

EMI фильтр

EMI фильтрация осуществляется конденсатором C4. Это повышает помехоустойчивость схемы, чтобы уменьшить высокие электромагнитные помехи.

Вторичный выпрямитель и демпфирующая цепь

Выходной сигнал трансформатора выпрямляется и преобразуется в постоянный ток с использованием D6, выпрямительного диода Шоттки . Схема демпфирования на D6 обеспечивает подавление переходного напряжения во время операций переключения.Схема демпфирования состоит из одного резистора и одного конденсатора, R3 и C5.

Секция фильтра

Секция фильтра состоит из конденсатора фильтра C6. Это конденсатор с низким ESR для лучшего подавления пульсаций. Кроме того, LC-фильтр, использующий L2 и C7, обеспечивает лучшее подавление пульсаций на выходе.

Раздел обратной связи

Выходное напряжение измеряется U3 TL431 и R6 и R7. После обнаружения линии U2 оптрон управляется и гальванически развязывает участок измерения вторичной обратной связи с контроллером первичной стороны.Оптопара имеет транзистор и светодиод внутри. Управляя светодиодом, транзистор управляется. Поскольку связь осуществляется оптически, она не имеет прямого электрического соединения, поэтому также удовлетворяет гальванической развязке в цепи обратной связи.

Теперь, так как светодиод непосредственно управляет транзистором, обеспечивая достаточное смещение на светодиоде оптопары, можно управлять транзистором оптопары , более конкретно схемой возбуждения. Эта система управления используется TL431.По мере того как параллельный стабилизатор имеет резистор делитель через ее опорный штифт, он может контролировать оптрон светодиод, который подключен через него. Контактная обратная связь имеет опорное напряжение 2.5V . Следовательно, TL431 может быть активен, только если напряжение на делителе достаточно. В нашем случае для делителя напряжения установлено значение 12 В . Поэтому, когда выход достигает 12 В, TL431 получает 2,5 В через опорный вывод и, таким образом, активирует светодиод оптопары, который управляет транзистором оптопары и косвенно контролирует TNY268PN.Если напряжение на выходе недостаточно, цикл переключения немедленно приостанавливается.

Сначала TNY268PN активирует первый цикл переключения, а затем определяет его вывод EN. Если все в порядке, он продолжит переключение, если нет, он попытается еще раз через иногда. Этот цикл продолжается до тех пор, пока все не станет нормальным, что предотвращает проблемы с коротким замыканием или перенапряжением. Вот почему это называется топологией обратного хода, поскольку выходное напряжение возвращается в драйвер для определения связанных операций.Кроме того, пробный цикл называется режима сбоя работы в состоянии сбоя.

D3 - это диод Шоттки . Этот диод преобразует высокочастотный выход переменного тока в постоянный. 3А 60В Диод Шоттки выбран для надежной работы. R4 и R5 выбираются и рассчитываются экспертом PI. Он создает делитель напряжения и передает ток на светодиод оптрона от TL431.

R6 и R7 - простой делитель напряжения, рассчитанный по формуле TL431 REF Voltage = (Vout x R7) / R6 + R7 .Опорное напряжение 2.5V и Vout является 12V. Выбрав значение R6 23,7 тыс., R7 стал примерно 9,09 тыс.

Изготовление печатной платы для 12v 1A SMPS Circuit

Теперь, когда мы понимаем, как работают схемы, мы можем приступить к созданию печатной платы для нашего SMPS. Поскольку это SMPS-схема, рекомендуется использовать печатную плату, поскольку она может решить проблему шума и изоляции. Компоновка печатной платы для вышеуказанной схемы также доступна для загрузки в виде Gerber по ссылке

Теперь, когда наш дизайн готов, пришло время изготовить их с использованием файла Gerber.Чтобы сделать печатную плату довольно легко, просто следуйте инструкциям ниже

Шаг 1: Зайдите на www.pcbgogo.com, зарегистрируйтесь, если вы впервые. Затем на вкладке Прототип печатной платы введите размеры вашей печатной платы, количество слоев и количество печатной платы, которое вам требуется. Предполагая, что печатная плата имеет размер 80 см × 80 см, вы можете установить размеры, как показано ниже.

12V 1A SMPS Circuit Diagram

Шаг 2: Продолжите, нажав на кнопку Quote Now .Вы попадете на страницу, где задайте несколько дополнительных параметров, если требуется, например, используемый материал, расстояние между дорожками и т. Д. Но в основном значения по умолчанию будут работать нормально. Единственное, что мы должны рассмотреть здесь, это цена и время. Как видите, время сборки составляет всего 2-3 дня, а для нашего PSB оно стоит всего 5 долларов. Затем вы можете выбрать предпочтительный способ доставки на основе ваших требований.

12V 1A SMPS Circuit Diagram

Шаг 3: Последний шаг - загрузить файл Gerber и продолжить оплату.Чтобы убедиться, что процесс проходит гладко, PCBGOGO проверяет, является ли ваш файл Gerber действительным, прежде чем приступить к оплате. Таким образом, вы можете быть уверены в том, что ваша печатная плата является дружественной к изготовителю и достигнет вас, как и всегда.

Сборка печатной платы

После того, как плата была заказана, она пришла ко мне через несколько дней, хотя курьер в аккуратно размеченной хорошо упакованной коробке и, как всегда, качество печатной платы было потрясающим. Полученная мной печатная плата показана ниже

12v 1A SMPS Circuit PCB Front Side

12v 1A SMPS Circuit PCB Back

Я включил свой паяльный стержень и начал собирать плату.Так как Footprints, колодки, переходные отверстия и шелкография идеально подходят по форме и размеру, у меня не возникло проблем при сборке платы. Моя печатная плата, закрепленная на паяльных тисках, показана ниже.

Assembling PCB for 12v 1A SMPS Circuit

Комплектация Закупки

Все компоненты для этой 12 В 15 Вт SMPS схемы закуплены согласно схеме. Подробную спецификацию можно найти в приведенном ниже файле Excel для загрузки.

Почти все компоненты легко доступны для использования с полки.Вы можете найти проблемы с поиском подходящего трансформатора для этого проекта. Обычно для SMPS-коммутации обратный трансформатор не доступен напрямую от поставщиков, в большинстве случаев вам нужно намотать собственный трансформатор, если вам нужны эффективные результаты. Однако также можно использовать аналогичный трансформатор обратного хода, и ваша схема все равно будет работать. Идеальная спецификация для нашего трансформатора будет предоставлена ​​программным обеспечением PI Expert, которое мы использовали ранее.

Механическая и электрическая схема трансформатора, полученная от PI Expert, показана ниже.

Mechanical diagram of the transformer

Electrical diagram of the transformer

Если вы не можете найти подходящего поставщика, вы можете спасти трансформатор от адаптера 12 В или других цепей SMPS. В качестве альтернативы вы можете также создать собственную покупку трансформатора, используя следующие материалы и инструкции по намотке.

Material of the Transformer for SMPS

Winding Instructions of the Transformer for SMPS

После того, как все компоненты приобретены, их сборка должна быть легкой. Вы можете использовать файл Gerber и спецификацию для справки и собрать плату PCB.После того, как моя печатная плата лицевой и задней стороны выглядит примерно так ниже

12v SMPS Circuit Diagram

12v 1A SMPS Circuit PCB Back Side

Тестирование нашей 15W SMPS схемы

Теперь, когда наша трасса готова, пришло время принять ее во внимание. Мы подключим плату к нашей сети переменного тока через VARIAC и загрузим выходную сторону нагрузочной машиной и измерим пульсации напряжения, чтобы проверить работоспособность нашей схемы. Полное видео процедуры тестирования также можно найти в конце этой страницы.На рисунке ниже показана схема, протестированная с входным переменным напряжением 230 В переменного тока, для которого мы получаем выход 12,08 В

Testing our 15W SMPS circuit

Измерение пульсирующего напряжения с помощью осциллографа

Чтобы измерить пульсационное напряжение с помощью осциллографа, измените вход оптического прицела на переменный ток с коэффициентом усиления 1x. Затем подключите электролитический конденсатор с низкой стоимостью и керамический конденсатор с низкой стоимостью, чтобы уменьшить шум из-за проводов. Вы можете обратиться к странице 40 этого документа RDR-295 от Power Integration для получения дополнительной информации об этой процедуре.

Приведенный ниже снимок был сделан при отсутствии нагрузки на 85 В и 230 В переменного тока. Шкала установлена ​​на 10 мВ на деление, и, как вы можете видеть, пульсация составляет почти 10 мВ пк-рк.

Measuring Ripple at NO Load using Oscilloscope

На входе 90 В переменного тока и при полной нагрузке пульсация может составлять около 20 мВ pk-pk

Measuring Ripple at 85VAC Full Voltage using Oscilloscope

В 230 В переменного тока и при пульсирующем напряжении при полной нагрузке измеряется около 30 мВ pk-pk, что является наихудшим сценарием

Measuring Ripple at 230VAC Full Voltage using Oscilloscope

Вот и все; это то, как вы можете создать свою собственную 12v SMPS схему .Как только вы поймете работу, вы можете изменить схему 12v SMPS в соответствии с вашими требованиями к напряжению и мощности. Надеюсь, вы поняли учебник и получили удовольствие от изучения чего-то полезного Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев или используйте наши форумы для технических обсуждений. Встретимся снова с другим интересным дизайном SMPS, до тех пор, пока не подпишусь ...

,
Как разрядить конденсаторы в импульсном источнике питания

Вот краткое руководство о том, как разрядить конденсаторы в блоке питания, чтобы вы могли безопасно его починить:

  1. Не закорачивайте клеммы конденсатора фильтра с помощью отвертки. Это может быть опасно.
  2. Вкрутите лампочку мощностью 100 Вт в розетку с оголенными выводами.
  3. Подсоедините один провод к каждой клемме конденсатора, лампочка должна загореться.
  4. Когда лампочка выключается, конденсатор пуст.
  5. В качестве альтернативы вы можете соединить клеммы конденсатора в течение нескольких секунд с помощью резистора высокой мощности, что-то вроде 2,2 кОм, будет работать 10 Вт.

Импульсные источники питания имеют несколько конденсаторов с большим фильтром, которые могут удерживать опасные заряды, даже если источник питания не использовался в течение нескольких дней. Эти фильтрующие конденсаторы обычно имеют значения до 220 мкФ / 250 В и 330 мкФ / 400 В. Вы должны разрядить конденсаторы перед работой в цепях электропитания, чтобы не получить шок.

Существует три различных способа разрядки больших конденсаторов фильтра в источнике питания: с помощью отвертки, выводов 100-ваттной лампочки с розеткой и выводов резистора высокой мощности.

Использование отвертки для разрядки конденсатора не рекомендуется, поскольку вы можете вызвать искру и повредить печатную плату или схему источника питания. Вы даже можете взорвать силовую секцию. Имейте в виду, что если вы знаете, что хранящееся на конденсаторе напряжение относительно низкое, вы можете разрядить его с помощью небольшой отвертки без излишнего риска.

Если конденсатор держит более тяжелый заряд, разрядка конденсатора может расплавить наконечник отвертки, а также медь печатной платы. Сильная искра особенно опасна: она может привести к тому, что маленькие кусочки свинцового или медного провода оторвутся от печатной платы, что может повредить ваши глаза.

Второй метод заключается в размещении выводов 100-ваттной электрической лампочки в розетке на выводе конденсатора и используется специалистами по всему миру. Лампочка работает как индикатор, показывающий, содержит ли конденсатор заряд.Если присутствует заряд, лампочка загорится и в конечном итоге погаснет, когда конденсатор в импульсном источнике питания разрядится.

Последний метод заключается в размещении выводов резистора высокой мощности на выводах конденсатора. Для разрядки высоковольтных конденсаторов в импульсном источнике питания вы можете использовать 2,2-омный резистор мощностью 10 Вт. Это очень простой и эффективный процесс, занимающий всего несколько секунд, чтобы полностью разрядить конденсатор.

Нет смысла разряжать конденсатор с помощью отвертки, когда все, что вам нужно - это лампочка или резистор, поэтому имейте в виду, что в следующий раз вам понадобится разрядить конденсаторы в импульсном источнике питания.

,

схема питания - это ... Что такое схема питания?

  • Блок питания (компьютер) - Блок питания со снятой верхней крышкой Блок питания (БП) подает питание постоянного тока на другие компоненты компьютера. Он преобразует электроэнергию переменного тока общего назначения переменного тока от сети (110 В в…… Wikipedia

  • Шина питания - Шина питания или шина напряжения относится к одному напряжению, обеспечиваемому блоком питания (БП), относительно некоторого понятого заземления.Хотя этот термин обычно используется в электротехнике, большинство людей сталкиваются с ним в контексте ... ... Википедия

  • Блок питания - Для альбома Budgie см. Блок питания (альбом). Регулируемый блок питания с вакуумной трубкой, поддерживающий напряжение + / 1500 В постоянного тока, выходной ток от 0 до 100 мА, с возможностью ограничения силы тока. Источник питания - это устройство, которое подает электрическую энергию… Wikipedia

  • Источник бесперебойного питания - небольшой автономный ИБП… Wikipedia

  • Источник бесперебойного питания - Сокращенный ИБП; произносится [ты горох].Альтернативный источник питания, обычно состоящий из набора батарей, используется для питания компьютерной системы, если нормальное энергоснабжение прерывается или падает ниже допустимого уровня. Система ИБП - это…… словарь сетей

  • Power over Ethernet Технология - или PoE описывает систему для передачи электроэнергии вместе с данными на удаленные устройства по стандартному кабелю витой пары в сети Ethernet. Эта технология полезна для питания IP-телефонов, точек доступа беспроводной локальной сети,…… Wikipedia

  • Коэффициент мощности - Другие применения см. В разделе Коэффициент мощности (пистолет).Коэффициент мощности электрической системы переменного тока определяется как отношение реальной мощности, протекающей к нагрузке, к полной мощности в цепи, [1] [2] и представляет собой безразмерное число в диапазоне от 0 до 1…… Wikipedia

  • Мощность аттенюатора (гитара) - В электрической рок-гитаре аттенюаторы используются для рассеивания части или всей мощности усилителя во встроенной аттенюаторе, в основном резистивной фиктивной нагрузки, вместо того, чтобы позволить этой мощности управлять динамиком, чтобы чтобы заставить замолчать или уменьшить выход… Википедия

  • Модуль ввода питания - Модуль ввода питания - это электромеханический компонент, используемый в электрических приборах и электронном оборудовании, который заменяет входной разъем питания и один или несколько других компонентов.Они могут помочь сэкономить пространство и сократить производственные затраты ... Википедия

  • Мощность звука - Измерение звука Звуковое давление p, SPL Скорость частиц v, SVL Смещение частиц ξ Интенсивность звука I, SIL Звуковая мощность Pac Уровень звуковой мощности SWL Звуковая энергия Плотность звуковой энергии… Wikipedia

  • Фантомное питание - (помечено как +48 В на некоторых аудиооборудованиях) - это метод, который передает постоянное электрическое напряжение через кабели микрофона.Он наиболее известен как общий источник питания для конденсаторных микрофонов, хотя многие активные DI-боксы также используют его. Призрачная сила… Википедия

  • ,

    Отправить ответ

    avatar
      Подписаться  
    Уведомление о