Исследование основных свойств и характеристик высокоэффективных импульсных блоков питания

Параметры источников питания, общиe для всех типов:

• номинальные значения входных переменных напряжений -115 и 220 В;

• рабочий диапазон для первичных напряжений:

• для 115В-90-135В;

• для 220 В-180-265 В;

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

• максимальный уровень пульсаций по вторичным каналам, от номинального уровня напряжения - не более 0,1 %;

• общий КПД блока питания - не менее 75%;

• сопротивление изоляции между входами первичной сети и об шум проводом вторичных каналов - не менее 10 МОм;

• уровень сигнала «питание в норме» - ТТЛ (активный - высокий);

• задержка появления сигнала «питание в норме» -100-500 мс;

• минимальное время сохранения уровней выходных напряжений после выключения -20 мс;

• диапазон рабочих температур - 0-50 "С.

В состав блоков питания  системных модулей компьютеров  включены узлы для зашиты силовых элементов схемы импульсного преобразователя от короткого замыкания по всем вторичным каналам и чрезмерного неконтролируемого повышения вторичного напряжения. Механизм срабатывания электронной защиты предусматривает блокировку функционирования схемы управления и импульсного преобразователя. После включения блокировки ее действие будет продолжаться до устранения причины короткого замыкания и повторного выключения/включения блока питания. Обязательным элементом защиты в блоке питания является предохранитель, установленный по одному из входных потенциальных проводников первичной сети.

На корпусе каждого  блока питания закреплена этикетка с указанием его конкретной модификации  и краткие сведения о характеристиках  источника. Как правило, маркировка дополняется сведениями о параметрах семейства преобразователей, к которому принадлежит данное изделие.

Конструкция блока  питания персонального компьютера

 

В состав блока питания  для системного модуля персонального  компьютера входят: металлический корпус, печатная плата с установленными на ней компонентами электронной схемы, вентилятор, два трехконтактных разъема для подключения к первичной питающей сети. Печатная плата и вентилятор размещены в полости корпуса. Лопасти вентилятора закрыты металлической сеткой или решеткой для предотвращения попадания предметов в его рабочую зону. Направление воздушного потока из внутренней полости блока питания наружу.

Компоновка электронных  элементов на печатной плате обеспечивает улучшенное охлаждение силовых элементов воздушным потоком, создаваемым вентилятором. Элементы, наиболее подверженные разогреву, размещены на радиаторах. Как правило, на одном радиаторе устанавливается несколько элементов, работающих в разных цепях блока питания. Напряжения на корпусных электродах этих элементов также различны. Поэтому крепление на общем радиаторе производится через теплопроводящие изолирующие прокладки.

Приборные части разъемов для подключения сетевого электропитания размещены на одной боковой стенке корпуса с вентилятором. Один из разъемов - сетевая вилка типа IEC320 с тремя ножевыми контактами, второй - аналогичная по конструкции розетка на три контакта. Два контакта каждого из разъемов используются для передачи напряжения питания, а через третий, средний контакт осуществляется заземление корпуса блока питания.

Отличие блоков питания  компьютеров АТ/ХТ от источников питания  для модулей АТХ форм-фактора  заключается в наличии дополнительного  кабеля соединения с сетевым выключателем. В блоках для компьютеров АТХ  стандарта такой кабель отсутствует, питание в них вводится через приборную вилку, закрепленную на корпусе преобразователя, и сразу подается на каскады электронной схемы. Первичное подключение сети к источникам АТ/ХТ модулей производится через аналогичную вилку, но далее кабелем подводится к сетевому выключателю. Через сетевой выключатель напряжение питания подается на входные цепи электронной схемы преобразователя и на розетку, установленную на корпусе блока питания. Сетевая розетка служит для транзита сетевого напряжения. Наиболее часто к ней подключается монитор компьютера. Включение импульсного блока питания происходит при замыкании контактов сетевого выключателя, выключение - их размыканием. Размыканием контактов сетевого выключателя напряжение первичной сети снимается с входных клемм блока питания и транзитной розетки. Кабель, подводимый к сетевому выключателю от блока питания, состоит из четырех проводов, помещенных в общую изолирующую трубку. Токов едущие проводники кабеля заканчиваются лепестками, которые надеваются на ножевые контакты сетевого выключателя. Расположение сетевого выключателя на блоке жестко не определено. Он может быть установлен на любой из боковых стенок настольного корпуса типа DESKTOP. На корпусе типа TOWER сетевой выключатель, как правило, выведен на его переднюю панель.

 

 

Структурная схема  ИБП

 

Структурная схема импульсного  блока питания для компьютеров, содержатся типовой набор функциональных узлов, представлена ниже. Модификации  блоков питания могут иметь различия только в схемотехнической реализации узлов с сохранением их функционального назначения.

 

 

Рис.2. Структурная  схема блока питания для компьютеров 

 

На структурной схеме  блока питания для компьютеров (рис.2.), указано наименование узлов  совместно с позиционным обозначением основных элементов, на которых выполнен данный каскад или узел. Позиционное обозначение соответствует принципиальной схеме базовой модели импульсного блока питания. Логические cвязи на структурной схеме показаны стрелками, которые указывают направление передачи сигналов, воздействий или подачу напряжений питания.

Блок питания, соответствующей  данной структурной схеме, выполнен по схеме ВЧ преобразователя с  внешним возбуждением.

Первым каскадом, на который  поступает первичное переменное напряжение, является помехоподавляющей индуктивно-емкостный сетевой фильтр НЧ. Он установлен для ограничения влияния помех, проникающих через входные цепи из питающей сети, на работу ВЧ преобразователя. Появление помех в сети может отразиться на выходных характеристиках вторичных постоянных напряжений, вырабатываемых блоком питания. Если бы входной НЧ фильтр отсутствовал, то все помехи, возникающее в сети, трансформировались бы во вторичные цепи. Природа их различна, поэтому по каналам вторичных напряжений пришлось бы устанавливать дополнительные элементы, исключающее воздействие помех на электронные схемы нагрузки.

Высокочастотный преобразователь  является усилителем сигналов, которые  вырабатываются схемой управления. Мощные броски тока, возникающее в моменты  коммутации силовых элементов УМ, вызывают появление помеховых сигналов в первичной цепи ПН. Входной сетевой фильтр препятствуют распространению этих помех через питающую сеть, ограничивая или полностью подавляя их.

Выход сетевого фильтра  подключен к выпрямителю, который  сначала преобразует переменное напряжение в униполярное, пульсирующее и затем сглаживает его. Сглаживание выпрямленного напряжения происходит электролитическими конденсаторами, также входящими в состав выпрямителя. Для возможности работы блока питания при разных уровнях питающего напряжения в блок введен специальный переключатель - селектор входного напряжения SW. Коммутацией переключателя производится модификация цепей сетевого выпрямителя и элементов сглаживающего фильтра. Смысл реконфигурации входных цепей заключается в том, чтобы обеспечить постоянный уровень напряжения на силовом каскаде преобразователя при изменении уровня напряжения питания с 220 на 115 В и обратно. При этом не происходит переключения обмоток трансформаторов, для корректировки коэффициента трансформации, и все остальные цепи блока питания не изменяются.

Рассматриваемый блок питания  не имеет каскада автогенератора, способного обеспечивать отдельные  вторичные цепи постоянной подпиткой  электрической энергией. Поэтому  в состав полу-мостового усилителя  мо- щности в ходит схема автозапуска, осуществляющая первоначальную подачу импульсов управления для запуска усилителя мощности. Особая конструкция трансформаторных цепей и полу-мостового усилителя создает условия для кратковременной подачи питания на узел управления после подключения блока питания к первичной сети. Временного интервала начального запуска оказывается достаточно для установки режима стабильной генерации импульсных последовательностей, возбуждающих силовой каскад, на выходе узла управления. Узел управления формирует последовательности особой формы, усиление которых приводит к появлению трехуровневого сигнала на обмотках силового импульсного трансформатора, включенного в диагональ полумостового усилителя мощности. Вторичные низковольтные обмотки силового импульсного трансформатора нагружены на диоды SBD1, SBD2, D19 - D22 блока выпрямителей. Для выпрямления импульсных сигналов применяются специальные дискретные диоды и матрицы диодов с малым временем восстановления обратного сопротивления. Выпрямители самых мощных каналов, то есть для вторичных напряжений +5 и +12 В, выполнены на матрицах, в состав которых входит по два диода. Для остальных каналов использованы дискретные элементы - диоды D19 - D22. Для ускоренного рассасывания избыточных зарядов в диодных структурах после изменения полярности импульсного входного сигнала параллельно выпрямительным элементам подключаются ускоряющее резистивно-емкостные цепи. Сглаживание и фильтрация импульсных сигналов производится на однозвенных LC каскадах блока фильтров.

В режиме устойчивой коммутации силовых транзисторов уровень энергетической мощности, поступающей во вторичные  цепи, зависит от степени нагруженности  каналов постоянных напряжений. Стабилизация значений вторичных напряжений выполняется  системой автоматического регулирования. Датчики контроля уровня энергии, поступающей во вторичные цепи, входят в состав узла защиты и блокировки. Они подключены к выходной цепи канала +5 В. Сигнал обратной связи, вырабатываемый узлом зашиты и блокировки, подается в узел управления блока питания. Основным элементом узла управления является формирователь ТТТИМ сигнала на микросхеме IC1. Внутренний источник микросхемы IC1 вырабатывает стабилизированное напряжение, используемое измерительными каскадами в качестве опорного. В рассматриваемом блоке питания применен принцип групповой регулировки выходных напряжений. Регулировка значений вторичных напряжений +12, -5 и -12 В производится косвенно по оценке состояния напряжения в канале +5 В. В связи с этим для устойчивой работы блока питания и поддержания значений вторичных напряжений в заданных пределах необходимо соблюдать баланс нагрузок по выходным каналам. Самая большая токовая нагрузка должна быть всегда у канала +5 В. Регулировка выполняется после сравнения этого напряжения с уровнем опорного напряжения. Формирователь ШИМ сигнала вырабатывает импульсные последовательности частота которых поддерживается постоянной, а длительность импульсов управления варьируется в зависимости от состояния вторичных каналов. Если выходное напряжение падает ниже уровня опорного, то узел управления формирует сигнал воздействия на схемы усилителей как промежуточного, так и силового каскада на транзисторах Q5 и Q8 для увеличения уровня энергии, подаваемой во вторичные цепи. Реакция элементов управления на повышение вторичного напряжения обратная. Превышение выходным напряжением величины опорного напряжения посредством уменьшения длительности управляющих импульсов приводит к ограничению энергии, подаваемой на нагрузку.

В процессе эксплуатации блока питания могут возникать нештатные ситуации, в результате которых выходы каналов вторичных напряжений окажутся в состоянии перегрузки или КЗ. Организация системы зашиты построена на различном подходе к оценке последствий воздействия КЗ на цепи основных и вспомогательных каналов вторичных напряжений. Для активизации защитного механизма блокировки по каналам отрицательных вторичных напряжений используются диодно-резистивные датчики узла зашиты и блокировки. Слежение за перегрузкой по основным каналам осуществляется с помощью отдельного каскада, построенного на специальном импульсном трансформаторе. Датчик на импульсном трансформаторе имеет большую инерционность, чем датчики фиксации КЗ отрицательных каналов. Это объясняется увеличением времени, требуемого для правильной оценки процесса, который развивается в этом или обоих основных вторичных каналах. Принцип действия всех элементов защиты одинаков и направлен на прекращение работы узла управления, а также на блокировку активных элементов силового каскада преобразователя. Выпрямленное напряжение первичной сети продолжает поступать для питания силового каскада, но коммутация транзисторов прекращается, предотвращая их от повреждение нарастающим током.

Процесс инициализации  схем материнской платы компьютера начинается не после подачи питающего напряжения, а при получении внешнего сигнала высокого логического уровня «питание в норме». Это единственный служебный сигнал, который подается от блока питания внешним устройствам. Появление высокого уровня на сигнальном выходе «питание в норме» происходит с задержкой относительно выхода вторичных напряжений на номинальные уровни. Временной интервал задержки жестко не регламентирован, находится в диапазоне от 100 до 500 мс и устанавливается в схеме резистивно-емкостными элементами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ШИМ преобразователь

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM)) — приближение  желаемого сигнала (многоуровневого  или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл/выкл)

 Управляемыми "уровнями", как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/или скорость электродвигателя.

Основной причиной внедрения  ШИМ является сложность обеспечения произвольным напряжением. Есть некое базовое постоянное напряжение питания (в сети, от аккумуляторов и пр.) и на его основе нужно получить более низкое произвольное и уже им запитывать электродвигатели или иное оборудование. Самый простой вариант - делитель напряжения, но он обладает пониженным КПД, повышенным выделением тепла и расходом энергии. Другой вариант - транзисторная схема. Она позволяет регулировать напряжение без использования механики. Проблема в том, что транзисторы греются больше всего в полуоткрытом состоянии (50%). И если с таким КПД ещё "можно жить", то выделение тепла, особенно в промышленных масштабах сводит всю идею на нет. Именно поэтому было решено использовать транзисторную схему, но только в пограничных состояниях (вкл/выкл), а полученный выход сглаживать LC-цепочкой (фильтром) при необходимости. Такой подход весьма энергоэффективен. ШИМ широко применяется повсеместно. Если вы читаете эту статью на LCD-мониторе (телефоне/КПК/... с LCD-подсветкой), то яркость подсветки регулируется ШИМ. На старых мониторах можно убавить яркость и услышать как ШИМ начинает пищать (очень тихий писк частотой в несколько килогерц). Так же "пищат" плавно мигающие LED-лампочки, например, в ноутбуках. Очень хорошо слышно пищание ШИМ по ночам в тишине.

ШИП — широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИП — высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).