Схемотехника блоков питания

Блоки питания аппаратуры, предназначенные для питания от сети переменного тока, в зависимости от назначения и мощности могут быть выполнены по раз­личным схемам. Схема простейшего блока питания с трансформаторным вхо­дом приведена на рис. 3.1.

Здесь понижающий трансформатор, работающий на частоте питающей сети 50/60 Гц, обеспечивает требуемое напряжение и гальваническую развязку пи­таемых цепей от сети переменного тока. Выходное напряжение может стабили­зироваться непрерывным или импульсным низковольтным стабилизатором напряжения. Главный недостаток такого блока — большие габариты низкочас­тотного силового трансформатора. Трансформатор блока питания, рассчитан ный на частоту 60 Гц (зарубежные питающие сети), на частоте 50 Гц (наши сети) может ощутимо нагреваться. Естественно, от сети постоянного тока (та­кие изредка встречаются) такой блок работать не может. Блоки питания с транс­форматорным входом применяются при небольшой выходной мощности, чаще всего — в выносных адаптерах (старых моделей), обеспечивающих питание мо­демов, хабов и прочих маломощных устройств внешнего исполнения. Такие блоки довольно часто монтируются прямо на вилке питания.

В блоках питания с бестрансформаторным входом понижающий трансформа­тор работает на высокой частоте — в десятки и даже сотни килогерц, что позво­ляет уменьшить габариты и вес блока питания. В этом случае входное напряже­ние сразу выпрямляется и после фильтрации поступает на высокочастотный преобразователь. Высокочастотные импульсы преобразователя попадают на понижающий импульсный трансформатор, который обеспечивает гальваниче­скую развязку выходных и входных цепей. Преобразователь чаще всего делают управляемым, так что на него возлагаются еще и функции регулирующего эле­мента стабилизатора напряжения. Управляя шириной импульса, можно изме­нять величину энергии, поступающей через трансформатор в выпрямитель, и, следовательно, регулировать (стабилизировать) его выходное напряжение. В зависимости от мощности стабилизатор строится по однотактной или двух­тактной схеме. Однотактная схема несколько проще (рис. 3.2), ее применяют в блоках питания, где мощность обычно не превышает сотни ватт (например, в мониторах). В мониторах частоту импульсного блока обычно синхронизиру­ют с частотой генератора строчной развертки во избежание видимых помех. В настоящее время выпускается широкий ассортимент управляющих микро­схем со встроенным ключевым транзистором и развитыми функциями защиты и управления. Блоки питания на их основе получаются предельно простыми и компактными; маломощные блоки могут размещаться прямо в вилках-адап­терах.

Двухтактные преобразователи сложнее, но они обеспечивают большую выходную мощность. Такие блоки широко используются в блоках питания PC (см. 3.2).

Если блок питания должен вырабатывать несколько выходных напряжений, сам преобразователь может стабилизировать лишь одно из них. Остальные на­пряжения могут быть стабилизированы дополнительными выходными стабили­заторами, но часто их оставляют нестабилизированными. При этом появляется взаимозависимость: чем больше нагрузка по основной (стабилизированной) цепи, тем выше напряжения на остальных шинах.

Импульсные блоки питания имеют малые габариты, но компактный трансфор­матор представляет собой довольно сложное изделие. Импульсные помехи, которые могут проникать как в питаемые, так и в питающие цепи, подавляют тщательно разработанными фильтрами. Внешнее излучение подавляется ме­таллическим экраном, в который заключают весь блок.

Импульсные блоки питания не критичны к частоте сети (50 или 60 Гц), могут работать от постоянного тока и часто в широком диапазоне входных напряже­ний. Современные блоки, у которых указано свойство Autoswitching Power Supply, работают в диапазоне 110-230 В без переключателя напряжения. Такие блоки применяются в большинстве современных мониторов.

ВНИМАНИЕ--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Самый тяжелый режим функционирования элементов блока питания возникает в момент включения. После выключения блока питания (любой конструкции) вклю­чать его повторно рекомендуется не раньше, чем через 10 с. Несоблюдение этой рекомендации может сократить жизнь блока питания.

Наличие выпрямителя и накопительного конденсатора на входе бестрансфор­маторного блока питания обусловливает ярко выраженную динамическую не­линейность входной цепи. На рис. 3.3 приведены осциллограммы напряжения сети и потребляемого тока, которые иллюстрируют эту нелинейность. Пока мгновенное значение напряжения ниже напряжения на накопительном конден­саторе выпрямителя, ток практически не потребляется. На верхушках синусои­ды ток резко возрастает, так что в его спектре очень сильно выражена 3-я гар­моника. Для питающей сети такой характер нагрузки нежелателен, но с ним приходится мириться. Конечно, нелинейность имеется и в трансформаторном блоке питания, но она несколько сглаживается низкочастотным трансформато­ром.

Блок питания PC

Блок питания PC обеспечивает напряжениями постоянного тока системный блок со всеми его сложными и часто привередливыми устройствами. С самых первых моделей PC здесь применяется двухтактная схема преобразователя с бестрансформаторным входом, без революционных изменений эта схема дошла и до наших дней (ее упрощенный вариант приведен на рис. 3.4). Входное на­пряжение после высокочастотного фильтра выпрямляется и поступает на нако­пительные конденсаторы (С1 и С2), являющиеся главными хранителями энер­гии на случай кратковременного провала питающего напряжения. Мощные высоковольтные транзисторы Т1 и Т2 и конденсаторы С1 и С2 образуют полу­мостовую схему генератора-преобразователя, нагрузкой которого является вы­сокочастотный импульсный силовой трансформатор Тр2. Этот трансформатор обеспечивает и гальваническую развязку выходных и входных цепей. Преобра­зователь является регулирующим элементом стабилизатора напряжения основ­ного источника: +3,3 В для АТХ (и более новых конструктивов) или +5 В (PC/AT). Остальные напряжения могут быть стабилизированы дополнитель­ными выходными стабилизаторами, но чаще их оставляют нестабилизирован-ными. При этом чем больше нагрузка блока по основной (стабилизированной) цепи, тем выше напряжения на остальных шинах. Убедиться в этом просто — понаблюдайте за вентилятором блока питания, который питается от цепи +12 В, изменяя нагрузку по основной цепи, например подключая и отключая системную плату. При подключении нагрузки скорость вращения вентилятора повы­шается. Это происходит потому, что с повышением тока нагрузки преобразова­тель вырабатывает более широкие импульсы, а выходное напряжение нестаби-лизированных выпрямителей при постоянной нагрузке пропорционально шири­не этих импульсов. По этой причине уровни напряжения на не основных выхо­дах большинства блоков питания соответствуют номиналам лишь при номи­нальной и сбалансированной нагрузке. Однако, как правило, потребители этих напряжений не требуют особой точности напряжения, а стабильность обеспе­чивается относительным постоянством нагрузки основной цепи.

Двухтактные блоки питания многих поколений PC строились на основе управ­ляющей микросхемы TL494CN или ее аналогов. Эта микросхема содержит встроенный генератор и управляет ключами выходных транзисторов, воспри­нимая сигнал обратной связи из цепи +5 В и сигнал отключения по токовой пе­регрузке. Для определения перегрузки по току последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включают еще и трансформатор тока (на рис. 3.4 для упрощения не показан), с выхода которого сигнал через порого­вую схему подается на вход управляющей микросхемы. Интересная особен­ность блоков питания, построенных на микросхеме TL494CN, заключается в идеологии управления выходными ключами. Вопреки ожиданиям, связанным с эксплуатацией импульсных блоков питания, например ЕС ЭВМ, эта микро­схема управляет запиранием выходных ключей, а не активным отпиранием. Благодаря такому подходу упрощается процесс запуска источника (в тех же блоках ЕС для запуска применялся источник служебного напряжения). При включении блока питания PC симметричный мультивибратор, образованный выходными транзисторами совместно с трансформатором, начинает плавно возбуждаться. Когда выходное напряжение цепи +12 В, от которого питается и управляющая микросхема, достигает уровня нескольких вольт, микросхема приступает к исполнению своих сдерживающих регулировочных обязанностей и блок выходит в рабочий режим, управляемый генератором микросхемы. За­метим, что некоторые блоки не запускаются без нагрузки.

Для мощных блоков питания обеспечить работу в широком диапазоне питаю­щих напряжений довольно сложно, и на них устанавливают переключатель входного напряжения:

♦ 230 В — напряжение в диапазоне 180-265 В;

♦ 115 В — напряжение в диапазоне 90-135 В.

Переключение диапазона входного напряжения легко осуществляется пере­ключателем, который преобразует мостовую схему выпрямителя в схему вы­прямителя с удвоением для питания от сети 115 В. При включении в сеть 220 В блока, предназначенного для работы при напряжении НО В, часто выходят из строя ключевые транзисторы или диоды. Блоки, у которых указано свойство Autoswitching Power Supply, работают в диапазоне 110-230 В без переключате­ля. В них применяют силовые компоненты с большим запасом по допустимым напряжению и току.

ВНИМАНИЕ

Встречаются и «упрощенные» блоки питания (китайского производства), у кото­рых сетевой фильтр отсутствует (конденсаторов нет, а дроссели заменены пере­мычками). Эта экономия оборачивается большим уровнем помех, попадающих от данного блока в сеть, и повышенной чувствительностью компьютера к помехам из сети. Эти помехи могут приводить к сбоям, зависаниям или внезапным переза­грузкам компьютера и даже к самопроизвольному включению компьютеров с бло­ком питания АТХ (см. далее).

Поскольку большинство цепей блока питания находится под высоким напря­жением, ремонт блока требует соответствующей квалификации и знаний тех­ники безопасности. Не вдаваясь в подробности, можно дать несколько практи­ческих рекомендаций по ремонту блока:

♦ Для проверки и ремонта блока питания полезно иметь нагрузку — мощные
резисторы — по крайней мере, для основной цепи (+3,3 или +5 В). Рези­
стор 5 Ом, 5 Вт обеспечит ток, вполне достаточный для проверки работоспо­
собности. Использование в качестве нагрузки системной платы или накопи­
телей чревато их выходом из строя в процессе ремонта блока.

♦ Если блок питания не включается, отключите его от сети и разрядите нако­
пительные конденсаторы (С1 и С2 на рис. 3.4). После этого проверьте ом­
метром диоды и транзисторы — чаще всего выходят из строя высоковольт­
ные диоды и транзисторы. Заменять неисправные элементы желательно од­
нотипными.

♦ После замены неисправных элементов не торопитесь подавать питание —
какая-нибудь незамеченная «мелочь» может снова вывести из строя заме­
ненные детали. Не подключая сетевое напряжение, подайте от внешнего ис­
точника напряжение 10-12 В на шину +12 В. Если генератор управляющей
микросхемы исправен, он «заведется», а по форме импульсов на базах вы­
ходных ключевых транзисторов можно судить об исправности большинства
цепей формирования управляющих импульсов или о характере неисправно­
сти. Питание от сети на ремонтируемый блок следует подавать только после
проверки его силовых цепей (диодов и транзисторов) и базовых цепей вы­
ходных ключей.

Блок питания PC обычно имеет стандартный конструктив и набор жгутов с разъемами питания системной платы и периферийных устройств. На задней стенке блока устанавливается входной разъем питающего кабеля, а также мо­жет присутствовать транзитный выходной разъем для питания монитора. Под­ключение монитора к этому разъему не только сокращает количество вилок, включаемых в розетку питания, но и обеспечивает связь «земель» монитора и системного блока. В ряде типов блоков питания транзитный разъем может и отсутствовать. При этом монитор включают в дополнительную розетку, и хоро­шо, если при этом соблюдают правила заземления. На задней стенке устанавли­вается также переключатель диапазона питающего напряжения, если таковой присутствует в блоке. Выключатель питания в старых конструктивах распола­гался на боковой или задней стенке блока питания. Позже его вынесли с блока питания на лицевую панель корпуса и стали присоединять к блоку кабелем со съемными контактами. К этому кабелю, проходящему через весь системный блок, следует относиться со вниманием, поскольку он является источником и опасности, и помех. В конструктиве АТХ главный выключатель питания вер­нулся на блок питания, а с передней панели блоком питания управляют с помо­щью кнопки и низковольтных цепей системной платы. Таким образом, провода с напряжением питающей сети удалось убрать из корпуса компьютера, и теперь высокое напряжение присутствует только внутри корпуса блока питания.

Мощность блока питания зависит от назначения корпуса системного блока и лежит в диапазоне от 150-450 Вт для обычных компьютеров до 350-750 Вт для мощных серверов. В настольных компьютерах основными потребителями мощности являются системная плата с процессором и памятью, а также графи­ческий акселератор. Чем выше тактовые частоты, тем «прожорливее» эти ком­поненты, и мощность блока питания выбирается именно под них. С учетом «ап­петитов» процессоров 6-8-го поколений мощность 350 Вт не является излиш­ней. У серверов значительное потребление может иметь подсистема хранения данных.

Вентилятор блока питается от цепи +12 В и обеспечивает охлаждение всего системного блока. В традиционных блоках питания вентилятор работает на от­сос воздуха из корпуса системного блока. В современных качественных блоках питания устанавливают так называемое устройство Fan Processor, регулирую­щее скорость вращения вентилятора в зависимости от температуры. Это позво­ляет увеличить ресурс вентилятора и снижает шум при нормальной температу­ре окружающего воздуха.

Поиск по сайту: