ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ АТХ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРОВ
Компьютерная техника в последнее время стремительно развивается — совершенствуется технология изготовления, высокими темпами растут быстродействие, емкость оперативной и буферной памяти, емкость жестких дисков. На фоне такого стремительного развития компьютеров блоки питания изменились незначительно. За последнее время самое сущест-венное изменение связано со способом включения блока питания. В блоках питания, выпускаемых ранее, включение производилось механическим замыканием контактов, через которые подается высокое внешнее напряжение сети. В последнее время широкое развитие получили источники питания типа АТХ.
УСТРОЙСТВО И РАБОТА
Стандарт АТХ (AT Extension) установлен корпораци-ей INTEL с введением нового формфактора на материнские платы (формфактор — отношение ширины платы к ее длине, а также план размещения посадочных гнезд). Появление нового формфактора обусловлено ожидаемым расширением возможностей персональных компьютеров: аудио- и видеовходы, поддержка виртуальной реальности, реализация вво-да-вывода TV, а также факсмодема. Стандарт АТХ предполагает снижение общей стоимости комплек-тующих за счет уменьшения длины кабелей, снижения их числа посредством схемотехнических решений, уменьшения числа вентиляторов и дополнительных карт. Снижение числа компонентов на плате предпола-гает и смену корпусов, поскольку новые платы не соответствуют старым корпусам по габаритам.
В источниках питания для конструктива АТХ (в дальнейшем — источник) изменен разъем для подключе-ния питания к системной плате. Он имеет 20 контактов, и через него подаются напряжения ±5 В, ±12 В, +3.3 В (для будущих моделей PCI плат расширения). Кроме того, на разъем выводится сигнал «PS-ON», предназ-наченный для выключения питания программными средствами, например, по команде «Shut down the computer» («выключить компьютер») в среде WINDOWS. В связи с этим в блок питания добавлен вспомогательный источник дежурного питания «+5 VSB» и дистанционное управление включением и выключением выходов источников постоянного напря-жения. Все выходные напряжения, кроме «+5 VSB», запрещаются сигналом лог. «1» на входе «PS-ON». Спецификой источников конструктива АТХ являются высокие массогабаритные характеристики при средней мощности 230 Вт:
— КПД не менее 65% при полной нагрузке на всех выходах;
— значительный диапазон изменения тока нагрузки -от 10 до 100%;
— низкий уровень шума и пульсаций всех выходных напряжений;
— низкий уровень излучения электромагнитных по-мех
— хорошая изоляция выходных напряжений от питающей сети;
— широкий диапазон допустимого напряжения сети -180…265 В для стандарта 220 В и 90… 135 В для стандарта 110 В;
— рабочий диапазон изменения частоты питающего напряжения от 48 до 63 Гц;
— диапазон рабочих температур от 0 до 40°С при относительной влажности от 10 до 85% без выпадения конденсата
Структурная схема источника (рис. 1) состоит из двух функциональных узлов — сетевого выпрямителя (СВ) и преобразователя напряжения (ПН). Преобразо-ватель напряжения включает в себя конвертор (К) и устройство управления (УУ). Конвертор, в свою очередь, состоит из инвертора (И), преобразующего постоянное выходное напряжение СВ в переменное прямоугольной формы; силового трансформатора, работающего на повышенной частоте (~-60 кГц) и обеспечивающего гальваническую развязку сети с нагрузкой; выпрямителя и высокочастотного LC фильтра (ВФ). Устройство управления обеспечивает мощные транзисторы инвертора импульсами возбуж-дения изменяемой длительности, реализуя, таким образом, принцип широтно-импульсного регулирования и стабилизации выходного напряжения UH. Кроме того, устройство управления выполняет функции плавного включения и аварийного отключения блока питания. Согласование маломощных выходных сигналов логических элементов УУ с входами силовых транзис-торов выполняется усилителями импульсов (УИ) через трансформатор Т2, который обеспечивает гальваниче-скую развязку. Схема вспомогательного преобразователя (ВПр) обеспечивает напряжениями питания усилители им-пульсов, узлы схемы управления и линейный стабилизатор «+ 5VSB». После запуска инвертора устройство управления получает питание от вспомогательного выпрямителя (ВВ). Сетевой выпрямитель (рис. 2) выполняет функции выпрямления напряжения сети и сглаживания пульса-ций; обеспечивает режим плавной зарядки конденса-торов фильтра С5 и С6 (терморезистор ТН1 ограничивает пусковой ток заряда конденсаторов С5, С6 до допустимого значения) при включении источника; обеспечивает бесперебойность подачи энергии в нагрузку при кратковременных (до 300 мсек) провалах
Рис.1. Структурная схема блока питания
СВ — сетевой выпрямитель; И — регулируемый инвертор; ВПр — вспомогательный преобразователь для «+5VSB»; УИ — усилители импульсов базового тока силовых ключей инвертора; ВФ — выпрямитель и сглаживающий фильтр; СС — схема сравнения; М — модулятор; СТ — линейный стабилизатор «+5VSB’; ВВ — вспомогательный выпрямитель
напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьша-ет уровень помех за счет применения помехоподав-ляющих фильтров (элементы CXI, BL1, BL2, BL3, CY1, CY2, CI, LF1, С2, СЗ, С4). Для выравнивания напряжений конденсаторы С5 и С6 шунтируются резисторами R2, R3 (с допуском не более ±2%), которые, к тому же, обеспечивают разрядку этих конденсаторов при выключении источника питания. На выходе СВ формируется постоянное напряже-ние, которое может составлять 264-340 В для одно-фазной сети -220 В с учетом допуска -15%…+10%. Двухполюсный выключатель SW1 коммутирует вход-ное сетевое напряжение. Ключ SW2 служит для перехода на стандарт питающего напряжения -110 В. При его замыкании входной выпрямитель переходит в режим удвоителя напряжения по схеме Латура. Силовая часть регулируемого инвертора выполнена по полумостовой схеме на транзисторах Q1 и Q2 (рис. 2). Транзисторы Q1 и Q2 открываются противо-фазно на равные временные интервалы t) и (рис. 3). Временные интервалы открытого состояния тран-зисторов разделены защитным интервалом At, иск-лючающим возникновение сквозного тока через Q1 и Q2. Выходной сигнал инвертора подается через токовый датчик Т4 на первичную обмотку силового трансформатора Т1. Силовой трансформатор Т1 подключается к выходу емкостного делителя напряже-ния С5, С6 через конденсатор С7, исключающий подмагничивание сердечника трансформатора и одно-стороннее насыщение его магнитопровода в устано-вившемся режиме работы. Защиту от коммутационных импульсов напряжения обеспечивают варисторы VD1 и VD2. Цепочка R4, С8, шунтирующая первичную обмотку трансформатора Т1, снижает добротность резонансного контура, что также способствует умень-шению импульсных помех. Возвратные диоды D1 и D2 ограничивают напряже-ния на коллекторах транзисторов Q1 и Q2, обеспечивая их безопасную работу в инверсном режиме при возврате реактивной энергии, накопленной в нагрузке и трансформаторе, в систему электроснабжения через открытый транзистор. Усилители импульсов на транзисторах Q4 и Q5 сигналами от IC1 (TL494) с помощью согласующего трансформатора Т2 управляют работой силовых ключей (транзисторы Q1 и Q2). Особенностью работы данных усилителей является положительное напряжение смещения на емкости С15. Падение напряжения на диодах D10 и D11 используется для динамического запирания транзисторов Q4 и Q5.
Управление базовыми цепями транзисторов Q1 и Q2 осуществляется через ускоряющие цепочки D3, R7, С9, R5 и D4, R8, СЮ, R6, которые форсируют прямые и обратные токи баз Q1 и Q2 на этапах их включения и выключения.
Трансформатор Т4 служит для формирования сигнала аварийного выключения источника при превы-шении мощности потребления свыше 250 Вт. Порог срабатывания защиты устанавливается переменным резистором VR1. На магнитопроводе силового трансформатора Т1 располагаются вторичные обмотки для получения выходных напряжений ±12 В, ±5 В, +3.3 В. Выпрямители напряжений вторичных обмоток выполнены по двух-полупериодной схеме, причем для получения выходных напряжений +12 В, +5 В, +3.3 В используются сдвоенные диоды, установленные на радиаторе. Трансформатор Т5 снижает уровень синфазных помех в выходных напряжениях +12 В, +5 В, -12 В. Широт-но-импульсная стабилизация применяется только для самых мощных источников *+12 V» (1макс.-8 А) и «+5 V» (1макс.-22 А). В этой ситуации стабильность остальных источников оказывается недостаточной, и для ее повышения используются либо интегральные линейные стабилизаторы напряжения (IC4 в канале «-12 V» и IC5 в канале ‘-5 V»), либо стабилизатор на дискретных элементах (канал «+3.3 V»). Последний выполнен на регулирующем транзисторе Q10, резис-торах R60…R63, VR3, конденсаторе СЗ и микросхеме IC7. Микросхема IC7 (TL431) представляет собой маломощный регулируемый стабилизатор постоянного напряжения параллельного типа положительной по-лярности и используется в качестве регулируемого источника опорного напряжения («регулируемого ста-билитрона») [3]. Вспомогательный преобразователь, обеспечи-вающий напряжениями питания узлы устройства управления и источника «+5 VSB», представляет собой однотактный преобразователь напряжения (ОПН) с самовозбуждением. Положительная обратная связь обеспечивается дополнительной обмоткой, располо-женной на магнитопроводе трансформатора ТЗ.
Ри*. 2. Принципиальная схема блока питания
Резистор R10 обеспечивает самовозбуждение ОПН посредством начального запускающего тока в базу транзистора Q3. Демпфирование импульсного кол-лекторного напряжения транзистора выполняется цепью R14, С13. Большие коммутационные перегрузки транзистора Q3 по току коллектора являются основным недостат-ком рассмотренной схемы и требуют применения довольно мощного высоковольтного ключевого тран-зистора, например, 2SC4020.
Рис. 3. Временные диаграммы коммутационных процессов переключения силовых транзисторов Q1 и Q2
Выходное напряжение ‘+5 VSB» формируется из выпрямленного диодом D20 с помощью линейного стабилизатора IC3. Питание ВПр осуществляется от сетевого выпрямителя через резистор R9. В данном источнике в качестве схемы управления УУ используется многофункциональная ИМС типа TL494, предназначенная для управления импульсными источниками вторичного электропитания различного вида [3]. Ее аналогами являются ИМС ЦРС494, IR3M02, КА7500 и отечественная КР1114ЕУ4. Питание микросхемы в установившемся режиме работы осуществляется от вторичной обмотки транс-форматора Т1 через выпрямительный диод D22. Микросхема имеет встроенный источник опорного напряжения (ИОН), обеспечивающий стабильным нанапряжением остальные узлы ИМС, а также элементы токовой защиты: транзисторы Q6…Q8, микросхему IC2 и др. ИОН формирует опорное напряжение +5 В ± 1% на выходе (вывод 14) при подаче на вход (вывод 12) напряжения 27 В. Частота внутреннего задающего генератора зада-ется элементами R26 и С17, подключенными соответ-ственно к выводам 6 и 5 ИМС. При R26-16 кОм и С17-1000 пФ получим f-66 кГц (Т-15 мксек). Выходное напряжение ИОН через делитель R25, R24 подается на вывод 4. Конденсатор С18, установленный в этом делителе, определяет временные параметры плавного запуска источника при начальном включении напряжения питания или после срабатывания соответствующих схем защиты. Вывод 1 ИМС является входом схемы сравнения. Уровень выходных напряжений источника устанавливается потенциометром VR2. Потенциометр VR2 регулирует напряжение, получаемое с выходов самых мощных источников +12 В и +5 В. Корректирующая цепь R22, С16 обеспечивает устойчивый режим стабилизации. Сигнал с вывода 3 ИМС TL494 используется для образования сигнала «POWER GOOD». Сигнал проходит через резистор R23, транзистор Q6 и операционный усилитель IC2. С вывода 1 усилителя IC2 на резисторе R51 образуется сигнал лог. «1* с временем задержки от 100 до 500 мсек при включении и не более 1 мсек при выключении. Время задержки при включении определяется емкостью С19. Второй операционный усилитель в IC2 (LM393) используется в токовой защите. При увеличении мощности, потребляемой источником, более 250 Вт напряжение с потенциометра VR1 через диод D13 поступает на вход компаратора ИМС LM393 (вывод 6). Отрицательное выходное напряжение с вывода 7 IC2 инвертируется транзистором Q9 и через диод D18 поступает на вывод 4 IC1, запрещая выходные импульсные последовательности на выводах 8 и 11 и переводя блок питания в дежурный режим. Схема на резисторах R40, R48, R52, R54, R55, диодах D19, D23, D24, стабилитронах ZD2, ZD3 и конденсаторе С28 используется также для получения положительного напряжения защиты при перегрузках источников +3.3 В, +5 В, -5 В, -12 В или превышении напряжений на выходах источников +3.3 В и +5 В. Каскад на транзисторах Q7, Q8 и ‘управляемом стабилитроне» IC6 (TL431) используется для дистанционного включения и выключения источника сигналами с логическими уровнями «0* и «1* соответственно.
Блоки питания формата АТХ оснащены схемой терморегулирования: скорость вращения охлаж-дающего вентилятора зависит от температуры внутри корпуса — на максимальную скорость вентилятор выходит только при температуре, превышающей 40*С. Таким образом, при нормальной температуре источни-ки обладают пониженным уровнем шума.
НЕИСПРАВНОСТИ
Наиболее часто встречающиеся неисправности в источнике питания типа АТХ:
1. В дежурном режиме работы («STANDBY») выходит из строя транзистор Q3 (2SC4020: 1к макс.-З А, икэ макс-800 В) и сгорает резистор R9 (4.7 Ом, 2 Вт).
2. В процессе работы чаще всего отказывают элементы, связанные с изменением внешнего напряжения питания: диоды D1 и D2 (FR107 — SILITEK: 1А, 1000В) или варисторы VD1 и VD2 (VF07M10241K -THOMSON);
3. Реже выходят из строя следующие детали: резисторы R7, R8 (39 Ом, 1/8 Вт), транзисторы Q1, Q2 (2SC4242: 1к макс.-7 A, U» макс-400 В), трансформатор Т2. При этом выгорает предохранитель F1 (5 А, 250 В).
4. Значительно реже происходит отказ вентиля-тора, но это также приводит к печальным последствиям: от перегрева выгорают дроссели LI, L2.