Схемы блока питания. Схемы блоков питания компьютера: принципы работы и особенности различных мощностей

Как устроены блоки питания ATX для компьютеров. Какие бывают схемы блоков питания разной мощности. Каковы основные элементы и принцип работы компьютерных БП.

Принцип работы и основные элементы компьютерных блоков питания ATX

Блок питания (БП) является одним из важнейших компонентов любого компьютера. Он преобразует переменное напряжение сети в постоянное напряжение нужных номиналов для питания всех узлов системного блока. Рассмотрим основные элементы и принцип работы современных блоков питания ATX:

• Входной фильтр — подавляет помехи из электросети
• Выпрямитель — преобразует переменное напряжение в пульсирующее постоянное
• Импульсный преобразователь — формирует высокочастотное переменное напряжение
• Трансформатор — гальванически развязывает первичную и вторичную цепи
• Выходные выпрямители — формируют постоянные напряжения разных номиналов
• Цепи обратной связи — обеспечивают стабилизацию выходных напряжений

Такая схема позволяет получить высокий КПД (до 85-90%) при компактных размерах блока питания. Ключевым элементом является импульсный преобразователь на силовых транзисторах, работающий на частоте 60-100 кГц.

Особенности схем блоков питания разной мощности

Мощность блока питания определяет максимальную нагрузочную способность по всем выходным линиям. Рассмотрим некоторые отличия схем БП разной мощности:

Блоки питания 300-350 Вт

Это базовые модели для офисных и домашних ПК. Их особенности:

• Простая однотактная схема преобразователя
• 1-2 силовых транзистора
• Трансформатор небольших размеров
• Выходные выпрямители на диодах Шоттки
• Пассивное охлаждение или один вентилятор 80-92 мм

Блоки питания 400-450 Вт

Средний сегмент для игровых компьютеров. Отличия от младших моделей:

• Двухтактная схема преобразователя
• 2-4 силовых транзистора
• Трансформатор увеличенной мощности
• Выходные выпрямители на сдвоенных диодах Шоттки
• Активное охлаждение вентилятором 120-135 мм

Блоки питания 500-550 Вт и выше

Мощные БП для высокопроизводительных систем. Их особенности:

• Резонансные или квазирезонансные схемы преобразователя
• 4-6 силовых транзисторов
• Многообмоточный трансформатор сложной конструкции
• Синхронные выпрямители на MOSFET-транзисторах
• Мощное активное охлаждение, 1-2 вентилятора 135-140 мм

Ключевые параметры и характеристики блоков питания ATX

При выборе блока питания для компьютера важно учитывать следующие параметры:

• Мощность — суммарная нагрузочная способность по всем линиям
• КПД — эффективность преобразования энергии, обычно 80-92%
• Уровень шума — зависит от системы охлаждения, 15-40 дБ
• Стабильность выходных напряжений — отклонение не более 3-5%
• Защита от перегрузки, КЗ, перегрева
• Наличие модульных кабелей для удобства подключения

Чем выше мощность и качество БП, тем лучше эти характеристики. Для надежной работы компьютера рекомендуется выбирать блок питания с запасом по мощности 20-30% от расчетного энергопотребления системы.

Схемотехника современных импульсных БП для компьютеров

Рассмотрим основные схемотехнические решения, применяемые в современных ATX блоках питания:

Входные цепи

На входе БП устанавливается сетевой фильтр для подавления помех и защиты от импульсных перенапряжений. Он содержит:

• Варистор — защита от импульсных помех
• LC-фильтр — подавление высокочастотных помех
• Предохранитель — защита от КЗ и перегрузки
• Термистор — ограничение пускового тока

Импульсный преобразователь

Сердце блока питания — импульсный преобразователь. Наиболее распространены следующие топологии:

• Однотактный прямоходовой (Forward) — для БП до 300-350 Вт
• Двухтактный полумостовой (Half-bridge) — 400-600 Вт
• Двухтактный мостовой (Full-bridge) — от 600 Вт и выше

В качестве силовых ключей используются MOSFET-транзисторы. Частота преобразования обычно составляет 60-100 кГц.

Выходные цепи

Выходные выпрямители формируют стабилизированные напряжения. Применяются:

• Диоды Шоттки — для токов до 10-15 А
• Сдвоенные диоды Шоттки — 15-30 А
• Синхронные выпрямители на MOSFET — от 30 А

Выходные LC-фильтры сглаживают пульсации. Для стабилизации используются ШИМ-контроллеры с обратной связью по напряжению.

Особенности схем блоков питания повышенной мощности

Блоки питания мощностью 600 Вт и выше имеют ряд особенностей:

• Применение резонансных и квазирезонансных топологий для снижения потерь
• Использование нескольких параллельных силовых каскадов
• Цифровое управление преобразователем на микроконтроллере
• Активный корректор коэффициента мощности на входе
• Многоканальная система охлаждения с несколькими вентиляторами
• Наличие дополнительных сервисных функций (мониторинг, защиты)

Это позволяет достичь высокой эффективности и надежности при больших выходных токах. КПД таких блоков питания может достигать 92-94%.

Выбор оптимальной мощности блока питания

При выборе блока питания важно правильно рассчитать необходимую мощность. Для этого нужно учесть энергопотребление всех компонентов системы:

• Процессор — 65-140 Вт
• Видеокарта — 75-350 Вт
• Материнская плата — 50-100 Вт
• Оперативная память — 2-5 Вт на планку
• Жесткие диски — 6-15 Вт на HDD
• SSD-накопители — 2-5 Вт
• Вентиляторы — 2-5 Вт на штуку

Суммарное энергопотребление нужно умножить на коэффициент запаса 1.2-1.3. Это и будет рекомендуемая мощность БП. Для типового игрового ПК обычно достаточно 500-650 Вт, для мощных конфигураций может потребоваться 750-850 Вт и более.

Заключение

Современные блоки питания ATX имеют сложную схемотехнику, обеспечивающую высокую эффективность и надежность. Выбор оптимальной мощности и качественного БП — важное условие стабильной работы компьютера. При подборе стоит обращать внимание на параметры и характеристики, а также репутацию производителя.

Блок питания компьютера для круглосуточной работы

Полное описание БП от компьютеров и режимы работы.

В данной статье использовались только факты, проверенные и испытанные временем. Автор статьи не ставит своей целью убеждать читателя в чём-либо. И уж тем более не несёт никакой ответственности за ваши эксперименты с вашим же оборудованием. Информация справедлива для блоков питания стоимостью много меньше 40$. Ну так вот. Вернёмся к нашим… ээ.. файл серверам и маршрутизаторам. Как правило в домашних сетях такая вещь не принадлежит конкретному человеку, а собирается из общих комплектующих или на общие деньги. Стараются чтоб было надёжно и подешевле (CPU – Intel, Память – не больше не меньше, сетевухи – NE2000 ISA 10Base2/T). Для полной надёжности и скорости на всё это железо ставят Unix. Ах да!!! совсем забыл. Сюда ещё нужен UPS.

Без стоимости UPS скромная системка потянет на 50..70$ + стоимость HDD для файл сервера. Естественно, что блок питания в такой системе не может стоить 40$

Кто-то возразит: “А у нас старый корпус от брендовой i486. ” Угу. А сколько лет этому БП? И сколько лет он ещё должен будет проработать? Будет ли всё это работать долго и безглючно? И так:

Типовая схема блока питания АТ 200W.

 Главный недостаток всех дешевых БП

Вот так выглядит осциллограмма напряжений +5В дешевого БП.

Рис1. Статическая нагрузка 30%

В общем-то всё в пределах нормы. Заметны короткие выбросы напряжения. С увеличением нагрузки – увеличиваются выбросы.Следствие – глюки памяти и других цифровых элементов PC.Отметим, что нагрузка 30% — это большинство PC не обременённых более чем одним HDD. Имеющим простенькую видеокарту и CPU потребляющий не более 15W.

Второй недостаток

В теории сказано, что ИБП очень критичны к нестабильности тока нагрузки.В нашем случае этот недостаток проявляется во всей красе.Так выглядит осциллограмма напряжения +12В при динамической нагрузке.

Рис2. Комбинированная нагрузка 50% (2 и более HDD)

На Рис. 2 участок №1 – статическая нагрузка.Участок №2 – HDD в режиме чтение/запись. Характерны провалы напряжения питания +12В. Величина и длительность провала зависит от параметров фильтра блока питания и мощности HDD.Следствие: Из-за нестабильности шины питания +12В жесткий диск начинает хлопать головами по “блинам”. Появляются бэды. Глюки устройств питающихся от шины +12В (ISA карты, COM порты)

Как с этим бороться

Рассмотрим фильтр блока питания.

Рис3. Фильтр (какой он есть)

В большинстве АТ блоках фильтр для шины питания +5В состоит из двух электролитических конденсаторов 1000мкФх10В. Для шины питания +12В одного конденсатора 1000мкФх16В. Для импульсных блоков питания емкость фильтрующих конденсаторов берётся из расчета 500..1000мкФ на 1А тока нагрузки.В нашем случае получаем для шины +5В максимальный ток нагрузки составит 4А. Для шины питания +12В максимальный ток нагрузки составит 2А. В большинстве случаев аварийная ситуация не возникает.Но вот при использовании даже одного HDD типа IBM DPTA 7200RPM (или с аналогичным энергопотреблением) наблюдались вышеуказанные глюки.

Рис4. Фильтр. (какой он должен быть)

Для этой схемы (Рис. 4.) справедливы следующие параметры:Шина +5В – максимальный динамический ток нагрузки 20А. Шина +12В – максимальный динамический ток нагрузки 8А. Электролитические конденсаторы устраняют нестабильность по току.Керамические (2.2мкФ 3..6шт.) устраняют импульсные выбросы напряжения.Рекомендуется серия с низким сопротивлением для импульсных токов(кажись так называется)Каждая фирма маркирует их по своему. Из того, что можно достать в Питере — например Hitano, Серия EXR, рабочая температура до 105 цельсия. Для +5В — две штучки 2200мкФ или 3300мкФ 6,3 или 10В (нужно смотреть габариты, производители БП очень сильно ужимают место)С керамикой ничего посоветовать не могу.Из того что видел отличаются только ТКЕ и точностью ( например +80 -50% ).Думаю в фильтрах такого рода это не принципиально. Тут чем больше емкость, тем лучше. Наверное лучше брать SMD (бескорпусную) и паять с обратной стороны платы прямо на проводники.По поводу катушек в выходных фильтрах:Если нет опыта намотки — лучше не экспериментировать. Если есть возможность купить, то можно попробовать. Или выпаять из мертвого БП.С катушками на выходе — нужно быть очень осторожным. Блок проверять только нагружая на резисторы.После модернизации фильтра смотрим осциллограмму.

Рис5. Статическая нагрузка 30% (шина +5В)

Так выглядит под нагрузкой “поверхность” напряжения брендового блока питания.Присутствуют выбросы напряжения, но они незначительны (много меньше допустимой нормы) и с увеличением нагрузки практически не увеличиваются.Суммарная емкость (мой вариант) электролитических конденсаторов 6800мкФ. Керамических конденсаторов 1.5мкФ. (всё что было под рукой).Для интереса был протестирован блок питания АТХ фирмы PowerMan из корпуса InWin A500 – осциллограмма похожая, но выбросы напряжения отсутствуют.

Рис6. Комбинированная нагрузка 50% (2 и более HDD)

На Рис.6 участок 2 соответствует динамической нагрузке.

Емкость фильтра – один конденсатор 4700мкФх25В (HDD в режиме чтение/запись). Максимальная помеха не более 100мВ. Блок питания АТХ фирмы PowerMan показал примерно тотже результат.

Безопасность/надёжность высоковольтной части БП

Рис7. Осциллограмма сетевого напряжения. Идеальная.

…Опять кто-то выключил свет.

Рис8. Осциллограмма сетевого напряжения. Работа нескольких РС без фильтра.

Кто-то скажет: “ну а нам пофигу гадит наш РС в сеть или нет. Ну сэкономили ушлые китайцы на сетевом фильтре, ну и что.”Возможно вас убедит следующая осциллограмма.

Рис9. Работа в сети (220В) некоторых мощных потребителей.

На Рис9. Участок №1 – работа мощного перфоратора.Участок №2 – включение мощного индуктивного потребителя.(например холодильник или пылесос)Включение индуктивной нагрузки всегда сопровождается мощным всплеском напряжения. Напряжение импульсной помехи рассчитывается по следующей формуле:

Где: — сопротивление контактов в момент размыкания. — сопротивление контура цепи 220В.-напряжение сети. (220В)

Нетрудно догадаться, что числитель всегда больше чем знаменатель.

На осциллограмме (Рис.9) участок 2 — присутствует “провал” сетевого напряжения длительностью 20..500мсек.(Характерно для включения в сеть потребителей с реактивным характером сопротивления)От коротких провалов напряжения спасает UPS.(минимальное время включения бесперебойника 4мсек) Это хорошо если он есть. Возможно понадобится увеличить емкость высоковольтного фильтра постоянного тока. (на Рис.10 – электролиты 680х250V).Обычно установлены 220х200VПри потребляемой мощности 100Ватт запаса емкости (220х200V) хватает на 70..100мсек. Если увеличивать емкость до 680..1000мкФх200В, то не забудьте заменить диодную сборку RS205 (2A 500V) на RS507 (5A 700V). Обязательно наличие терморезистора. 4,7 … 10 Ом на 10А. На терморезисторах обычно экономят. Ставят обычное сопротивление 1 Ом 1Ватт

Рис.10. Сетевой фильтр + выпрямитель. Какими они должны быть.

 Из всех элементов в схеме фильтра обычного БП присутствует только терморезистор PS405L и предохранитель. (самое необходимое)Иногда ставят симметричный трансформатор (на схеме – 5mH). Само собой — выпрямитель RS205 и высоковольтный фильтр постоянного тока (2 электролита 220х200В)

Увеличение КПД

1 Замена мощных ключевых транзисторов.

Менять будем импортные биполярные KSE13007 (или NT405F, 2SC3306) на наш советский полевик КП948А.

Рис.11 Типовая схема включения полевого транзистора.

Такой вариант годится для АТХ блоков питания, т.к. запуск блока происходит от отдельного маломощного источника питания.Для АТ блоков такая схема не годится. Поэтому я оставил обвязку транзистора как есть, добавив 15В стабилитрон.(как показано на схеме Рис.11) Стабилитроны ставить не обязательно, т.к. прямое напряжение на затворе не превышает 1В (прямой диод),а напряжение его обратного пробоя не более 10В,Конденсаторы 1*50v(Рис12.) стоит ставить керамические (если ставится задача повышения надёжности), высыхание этих электролитов(особенно рядом с горячим радиатором) является основной причиной выхода блока питания из строя, так как недостаточно резко запираются силовые транзисторы.

Рис.12 Рекомендуемая схема включения КП948А для блока АТ.

Не знаю почему –но у меня работает.Падение мощности на транзисторах уменьшается на 3..5Ватт. Хотя стабилитроны я всё таки оставил.Как следствие – перестает греться.

<

2 Выпрямительные диоды.

Мощные выпрямительные диоды ставим на нормальные радиаторы.Подойдёт радиатор от CPU — пилим пополам. Одна половинка на +5В выпрямитель. Вторая — для +12В выпрямителя.Рекомендуют также силовые диодные сборки заменить на наши советские диоды КД2998А. Радиаторы — увеличить. Всё! Теперь вентилятор из БП можно выкинуть.При этом нарушается нормальный теплообмен внутри корпуса.Но если это БП для маршрутизатора – то греться внутри корпуса особо нечему. Если это файл сервер – тогда на свой страх и риск. Хотя Manowar Manowar’ыч утверждает, что у него переделанный АТХ блок питания нагружен на 2HDD 7200RPM + УНЧ и всё это хозяйство работает без вентилятора.

Теги:

• ATX

4.

Схемы с использованием блоков питания.

Для повышения мощности питания применяют блоки питания.

Блок питания тока типа БПТ-11 подключается к ТТ и состоит из промежуточного насыщающийся ТТ, выпрямителя В, конденсатора С.

Блок питания напряжения типа БПН-11 подключается к ТН и состоит из промежуточного ТН, выпрямителя В.

С хема зарядного устройства и подключения блоков конденсаторов к УЗ может быть следующим:

Применяют также схемы комбинированного питания от ТТ и ТН.

5. Питание цепей управления выключателей.

Дистанционное управление, АПВ и АВР должно производится при любых нагрузках и при отсутствии напряжения на шинах подстанции, поэтому питание цепей управления АПВ и АВР производится от ТН, ТСН и предварительно заряженных конденсаторов.

6. Реле.

6.1.Основные положения.

В схемах РЗА применяются электромеханические реле, полупроводниковые, на микроэлектронной базе, реле с использованием насыщающейся магнитных систем.

Наличие недостатков ( большие размеры, большое потребление мощности, трудности с обеспечением надежной работы контактов) ведет к новым принципам исполнения реле, что позволяет улучшить параметры и характеристики схем защит, а также применять бесконтактные схемы. Кроме реле, реагирующие на электрические величины применяются также реле реагирующие на неэлектрические величины (газовое реле, повышение температура трансформаторов).

Реле, реагирующие на электрические величины делятся на следующие группы:

• реагирующие на одну величину;

• реагирующие на две величины;

• реагирующие на три и более.

Кроме того, электромеханические реле подразделяются на реле электромагнитные, индукционные, электродинамические, индукционно-динамические, магнитоэлектрические.

Основными требованиями предъявляемые к реле являются:

6.2.Электромагнитные реле. Принцип действия.

I_р I_р_р Ф. Электромагнитная сила F_э равна F_э=кФ², где магнитный поток Ф равен . Таким образом , а магнитный момент , где l_р – плечо силы F_э. Для срабатывания реле необходимо создать силу F_э= F

эср=F_n+ F_т , где F_n— сила пружины, F_т— сила трения. Наименьший ток, при котором реле срабатывает равен . Для регулирования применяется ступенчатое изменение числа витков, плавное изменение М_n(F_n) пружины.

Возврат якоря происходит под действием пружины, для возврата необходимо, чтобы М_п>М’_э+М_т . Для уменьшения М_э нужно снизить I_Р до определенной величины. так чтобы М_п=М’_э+М_т. Таким образом током возврата I_воз называется наибольший ток реле при котором якорь реле возвращается в начальное положение. Коэффициент возврата равен .

Если реле минимального действия, то ток срабатывания I_ср – наибольший ток, при котором отпадает якорь реле, а ток возврата I_воз – наименьший ток, при котором притягивается якорь реле.

Коэффициент возврата в этом случае больше единицы к_воз>1.

Ключевые основы проектирования источников питания для печатных плат

Одним из наиболее фундаментальных законов физики является закон сохранения энергии, который можно резюмировать следующим образом:

«В замкнутой системе энергия не может быть создана или уничтожается, а только меняет форму».

В принципе это можно интерпретировать как изолированную систему, которая не взаимодействует ни с какой внешней силой, сохраняет постоянный уровень внутренней энергии. Эта предпосылка послужила катализатором для многих схем создания самоподдерживающихся энергетических систем, которые могли бы работать вечно. До сих пор было трудно полностью изолировать систему таким образом, чтобы энергия не накапливалась и не терялась. Это означает, что системы, требующие энергии, должны периодически подзаряжаться, как это делаем мы.

Цепи питания являются источником подзарядки электронных систем и печатных плат. Некоторые платы содержат подсхемы питания; однако обычно печатные платы также служат источниками питания. Эти платы фактически являются преобразователями, поскольку они преобразуют входной источник энергии в выходной, соответствующий требованиям нагрузки, системы или схемы. Независимо от требований к источнику и нагрузке, всегда важно сделать сборку платы неотъемлемой частью макета печатной платы для вашего проекта. Сначала давайте обсудим различные типы схем источников питания, а затем определим основы проектирования источников питания, которые следует применять для их разработки.

Типы печатных плат источника питания

Являясь преобразователями или мостами между входным электрическим источником и электронной нагрузкой, цепи питания могут быть отнесены к одной из групп в таблице ниже.

Типы цепей питания
Выходы		Выход переменного тока	Выход постоянного тока
Вход переменного тока		Изоляция, преобразователь частоты	Выпрямитель
Вход постоянного тока		Инвертор	Преобразователь постоянного тока в постоянный

Как показано выше, цепи питания в основном используются для преобразования энергии из одного состояния в другое, переменного тока в постоянный или наоборот, для изменения уровней, повышения или понижения напряжения или частоты.

Источники питания AC-AC также могут использоваться для изоляции входных цепей от выходных. В дополнение к вышеперечисленным типам цепи питания можно разделить на регулируемые и нерегулируемые. К регулируемым источникам питания относятся устройства для поддержания уровня выходного напряжения. Эти регуляторы напряжения отсутствуют в нестабилизированных источниках питания, а выходное напряжение зависит от входного сигнала и изменения тока нагрузки.

Цепи электропитания также классифицируются в зависимости от их работы. Двумя основными рабочими типами являются линейный и коммутационный или режим переключения.

Линейный источник питания

Пример схемы линейного источника питания

Линейный источник питания, описанный выше, используется для преобразования сетевого переменного тока на первичной стороне трансформатора TR1 в постоянный ток для распределения. Эта схема включает регулятор напряжения IC1, который обеспечивает постоянное напряжение независимо от нагрузки R1. Этот линейный источник питания демонстрирует базовую работу этих схем, которые могут иметь множество различных конфигураций. Линейные источники питания обычно используются в системах с низким энергопотреблением. Преимуществами являются их простота, дешевизна, надежность и низкий уровень шума; однако они неэффективны, что становится более серьезной проблемой в приложениях с более высокой мощностью.

DFM для высокоскоростных цифровых печатных плат

Загрузить сейчас

Импульсный источник питания

Альтернативой использованию линейного источника питания является импульсный источник питания или SMPS, показанный на рисунке ниже.

Пример схемы источника питания SMPS

Источник питания SMPS содержит схему переключения; такой как транзистор T1 выше, который преобразует выпрямленный постоянный ток из мостовой схемы B1 в высокочастотный переменный ток. Уровень частоты определяется или устанавливается управляющим сигналом, который включает и выключает транзистор. В приведенной выше схеме выходной сигнал сглаживается или регулируется LC-фильтром перед подачей на нагрузку R1. Как правило, схемы импульсных источников питания более сложны, чем линейные источники питания, и коммутация вносит шум, который может создавать электромагнитные помехи, которые могут повлиять на разводку трасс во время разводки печатной платы. Однако эти источники питания более эффективны и могут использовать более мелкие компоненты, чем линейные источники питания. SMPS чаще всего предназначены для цифровых систем.

Основы проектирования источника питания

При проектировании печатной платы импульсного источника питания или линейного источника питания возникают общие проблемы. К ним относятся тепловые соображения, электромагнитные помехи или шум, а также вес меди в зависимости от уровня мощности. Еще одним важным соображением является конструкция фильтра источника питания. Хотя ваши конкретные требования к конструкции будут диктовать конкретный выбор конструкции, существуют общие принципы проектирования источников питания для печатных плат, которым следует всегда следовать, как указано ниже.

• Оптимизируйте схему фильтрации

Производительность вашей схемы фильтрации зависит от выбора соответствующих значений компонентов фильтра, индуктивности, емкости и сопротивления. Поскольку доступные фактические значения компонентов могут не совпадать с расчетными значениями, следует использовать комбинацию значений компонентов, обеспечивающую наилучший отклик, определенный в ходе моделирования.

• Выберите подходящие медные гири

Токи источника питания могут быть очень высокими; поэтому необходимо убедиться, что ширина дорожек и толщина или вес меди способны выдерживать необходимые токи. Также важно убедиться, что ваша компоновка соответствует допускам на зазоры, как это предусмотрено правилами DFM вашего контрактного производителя (CM).

• Выбор материала должен соответствовать типу плиты

Для цепей высокой мощности убедитесь, что ваша плата может выдерживать уровни температуры, которые будут создаваться при выборе материалов с соответствующим коэффициентом теплового расширения (КТР). Для SMPS, если это высокоскоростная конструкция, такие свойства, как диэлектрическая проницаемость, dk, коэффициент рассеяния, df, диэлектрические потери, потери в проводнике, Ploss, становятся важными и должны определять ваш выбор материала.

• Убедитесь, что ваша плата обеспечивает адекватное рассеивание тепла

Одной, если не самой большой проблемой, связанной с платами питания, является отвод избыточного тепла. Крайне важно, чтобы ваш проект включал адекватные методы рассеивания тепла. Например, использование термопрокладок и радиаторов. Напротив, для сборки печатных плат также важно, чтобы ваша плата имела адекватное тепловое сопротивление, чтобы можно было достичь хорошего качества паяного соединения.

Введение в 6 распространенных схем проектирования источников питания

Быстрое развитие электронных информационных технологий ускорило прогресс в области технологий электропитания, предоставив инженерам и техникам по электроснабжению беспрецедентные возможности и проблемы, начиная от бытовых приборов и заканчивая крупными инструментами. и оборудование, используемое в энергетике. Источник питания для подачи энергии, что требует значительного числа инженеров с опытом работы в области электропитания для завершения проектирования и разработки.

Для дипломированного инженера-энергетика очень важно получить опыт работы, но вы также должны работать над улучшением своих теоретических знаний. Возможно, вы сможете использовать некоторые регулярно используемые цепи питания, если сохраните их.

Обратноходовые источники питания с ферритовыми усилителями При использовании обратноходового источника питания с двумя выходами, который выдает реальную мощность на обоих выходах (5 В 2 А и 12 В 3 А, оба регулируются с точностью до 5%), когда напряжение превышает 12 В, он входит в режим нулевой нагрузки. государство и больше не может регулироваться в пределах 5%. Хотя линейный 9Возможным вариантом являются регуляторы 0020 , но они все же не идеальны, потому что они дороги и неэффективны.

Даже в обратноходовой топологии мы рекомендуем использовать магнитный усилитель на выходе 12В. В целях экономии рекомендуется использовать ферритомагнитный усилитель . Схема управления ферритомагнитным усилителем . с другой стороны, отличается от материала традиционной прямоугольной петли гистерезиса (материал с высокой проницаемостью). Чтобы сохранить мощность на выходе, схема управления феррита (D1 и Q1) пропускает ток. Эта схема прошла обширные испытания. Обмотки трансформатора рассчитаны на выходное напряжение 5 и 13 вольт. Даже при входной мощности менее 1 Вт (5 В, 300 мВт и 12 В при нулевой нагрузке) схема может обеспечить выходное напряжение 12 В с регулировкой 5%.

Рис. 1

02

Защита от перегрузки по току Использование преимуществ существующих цепей перегрузки Рассмотрите возможность использования обратноходового источника питания с выходами 5 В 2 А и 12 В 3 А. Когда на выходе 12 В отсутствует нагрузка или нагрузка очень мала, одной из важных характеристик этого источника питания является обеспечение защиты от перегрузки по мощности (OPP) для выхода 5 В. На обоих выходах требуется контроль напряжения 5%.

Применение чувствительного резистора при стандартном подходе ухудшает характеристики перекрестной регуляции, а предохранитель стоит недёшево. Для защиты от перенапряжения теперь существуют цепи гашения дуги (OVP). Схема может одновременно соответствовать критериям OPP и регулирования напряжения, и эта функция может быть выполнена с помощью схемы частичного подавления дуги.

R1 и VR1 обеспечивают активную фиктивную нагрузку на выходе 12 В, как показано на рис. 2, что позволяет регулировать напряжение 12 В, даже когда выход 12 В слабо загружен. Напряжение на выходе 5 В будет снижаться, когда выход 5 В находится в состоянии перегрузки. Эквивалентная нагрузка будет потреблять значительное количество тока. Падение напряжения на резисторе R1 можно использовать для обнаружения такого большого тока. Q1 включается и запускает схему OPP.

 

Рис. 2

03

Обратноходовая схема является наиболее распространенной топологией в активных шунтовых регуляторах и фиктивной нагрузке линейного напряжения переменного тока в низковольтное оборудование импульсного источника питания постоянного тока. Одной из ключевых причин этого является уникальная экономичность подачи многочисленных выходных напряжений простым добавлением дополнительных обмоток во вторичную обмотку трансформатора.

Обратная связь обычно обеспечивается выходом с самыми строгими требованиями к допуску выхода. Количество витков на вольт для всех других вторичных обмоток затем определяется этим выходом. Требуемая перекрестная стабилизация выходного напряжения не всегда достигается на выходах из-за эффектов индуктивности рассеяния, особенно если данный выход не нагружен или очень слабо нагружен, в то время как другие выходы полностью нагружены.

В таких случаях можно использовать пострегулятор или фиктивную нагрузку, чтобы предотвратить повышение выходного напряжения. Однако из-за их более высокой стоимости и снижения эффективности пострегуляторы или фиктивные нагрузки не так привлекательны, как раньше, особенно в последние годы для потребления входной мощности без нагрузки и / или в режиме ожидания в ряде потребительских приложений. По мере ужесточения ограничений дизайн начинает терять популярность. На рис. 3 показан активный шунтирующий регулятор, который не только решает проблему регулирования, но также снижает затраты и повышает эффективность.

 

Рис. 3 Активный шунтирующий регулятор для обратноходового преобразователя с несколькими выходами

Схема работает следующим образом: Резистивные делители R14 и R13 смещают транзистор Q5, который удерживает Q4 и Q1 в выключенном состоянии, когда оба выхода регулируются. Ток, протекающий через Q5, действует как умеренная фиктивная нагрузка на выходе 5 В в этих условиях эксплуатации.

Разница между выходами 5 В и 3,3 В обычно составляет 1,7 В. Когда нагрузка требует большего тока от выхода 3,3 В, а ток нагрузки от выхода 5 В не увеличивается на ту же величину, выходное напряжение 5 В возрастает по сравнению с выходным напряжением 3,3 В. Q5 будет смещен, так как разница напряжений превышает 100 мВ, включив Q4 и Q1 и пропуская ток с выхода 5 В на выход 3,3 В. Напряжение на выходе 5 В будет уменьшено в результате этого тока, что снизит разницу напряжений между двумя выходами.

Разница в напряжении между двумя выходами определяет количество тока в Q1. В результате, даже в наихудшем сценарии полной нагрузки на выходе 3,3 В и отсутствии нагрузки на выходе 5 В схема поддерживает оба выхода в стабилизированном состоянии. Поскольку колебания температуры VBE в каждом транзисторе и могут компенсировать друг друга, Q5 и Q4 в конструкции обеспечивают температурную компенсацию. Диоды D8 и D9 являются дополнительными, хотя их можно использовать для уменьшения рассеиваемой мощности в транзисторе Q1 и устранения необходимости в радиаторе.

В условиях полной и малой нагрузки схема в основном неэффективна, потому что просто реагирует на относительную разницу между двумя напряжениями. Активное рассеивание этой схемы может быть снижено на 66 процентов по сравнению с заземленным шунтовым регулятором, поскольку шунтирующий регулятор подключается от выхода 5 В к выходу 3,3 В. В результате эффективность высока при полной нагрузке, а энергопотребление низкое от легкой до нулевой нагрузки.

 

04

Импульсные источники питания с высоковольтным входом Полевые транзисторы StackFET представляют собой тип транзистора, который можно использовать в различных приложениях. Часто требуется вспомогательный силовой каскад, который может обеспечить стабильное низкое напряжение постоянного тока для аналоговых и цифровых цепей. в промышленном оборудовании, работающем от трехфазного переменного тока. Примерами такого использования являются промышленные приводы, системы бесперебойного питания и счетчики энергии.

Требования к такому блоку питания намного выше, чем к обычным коммутаторам, приобретаемым в готовом виде. В этих приложениях не только входные напряжения выше, но и оборудование, созданное для трехфазных приложений в промышленных условиях, должно быть способно выдерживать широкий диапазон изменений, таких как длительные провалы, скачки напряжения и потеря одного или нескольких фазы иногда. Кроме того, диапазон входного напряжения таких вспомогательных источников питания может составлять от 57 до 580 В переменного тока.

Из-за высокой стоимости высоковольтных полевых МОП-транзисторов и ограниченного динамического диапазона стандартных контуров управления ШИМ разработка такого широкодиапазонного импульсного источника питания может быть затруднена. Технология StackFET позволяет использовать недорогие низковольтные МОП-транзисторы с номинальным напряжением 600 В со встроенным контроллером мощности Power Integrations для создания простых и недорогих импульсных источников питания, способных работать в широком диапазоне входных напряжений.

 

Рис. 4 Трехфазный импульсный источник питания мощностью 3 Вт с использованием технологии StackFET

Схема работает следующим образом: входной ток цепи может исходить от трехфазной трехпроводной или четырехпроводной системы, а также от однофазной системы. Диоды D1-D8 составляют трехфазный выпрямитель. Пусковой ток ограничен резисторами R1-R4.

Резисторы R13 и R15 используются для выравнивания напряжения на конденсаторах входного фильтра.

На истоке Q1 будет установлен низкий уровень, когда MOSFET внутри встроенного переключателя (U1) откроется, резисторы R6, R7 и R8 дадут ток затвора, а емкость перехода VR1-VR3 откроет Q1. Напряжение затвор-исток, подаваемое на Q1, ограничивается стабилитроном 9.0020 диод ВР4. Когда МОП-транзистор в U1 выключен, цепь ограничения 450 В, состоящая из VR1, VR2 и VR3, ограничивает максимальное напряжение стока U1. В результате напряжение стока U1 будет ограничено примерно 450 В.

Q1 получает любое дополнительное напряжение на конце присоединенной к нему катушки. В этой конфигурации общее выпрямленное входное напряжение постоянного тока и напряжение обратного хода эффективно распределяются между Q1 и U1.

Сеть зажимов VR5, D9 и R10 используются для ограничения пикового напряжения на первичной обмотке из-за индуктивности рассеяния во время обратного хода, в то время как резистор R9используется для контроля высокочастотных колебаний при переключении.

D1 отвечает за исправление выходного сигнала. Выходной фильтр C2. Для уменьшения коммутационных пульсаций на выходе L2 и C3 образуют вторичный фильтр.

VR6 включится, когда выходное напряжение превысит суммарное падение напряжения на диоде оптопары и VR6. Изменения выходного напряжения влияют на ток, протекающий через диод оптрона U2, который изменяет ток, протекающий через транзистор U2B. Следующий цикл останавливается, когда этот ток превышает пороговый ток вывода FB U1. Контроль количества циклов активации и блокировки может помочь регулировать выход. Когда цикл переключения запускается, ток достигает внутреннего предела тока U1, и цикл завершается. Резистор R11 используется для управления коэффициентом усиления контура обратной связи и ограничения тока через оптопару при переходных нагрузках. Стабилитрон VR6 смещен резистором R12.

Схема защищена от потери сигнала обратной связи, короткого замыкания на выходе и перегрузки микросхемой У1 (LNK 304), имеющей встроенные функции. Нет необходимости добавлять дополнительную обмотку смещения к трансформатору, потому что U1 питается непосредственно от его вывода DRAIN. C4 используется для развязки внутреннего источника питания.

 

05

Цепь фильтра электромагнитных помех в преобразователе переменного/постоянного тока можно упростить и удешевить, используя правильные выпрямительные диоды. С помощью этой схемы можно упростить и удешевить схему фильтра электромагнитных помех преобразователя переменного тока в постоянный.

Большое количество компонентов фильтра электромагнитных помех, таких как конденсаторы X и Y, требуется для того, чтобы источник питания переменного/постоянного тока соответствовал электромагнитным помехам. Мостовой выпрямитель включен во все стандартные входные цепи источников переменного/постоянного тока для выпрямления входного напряжения (обычно 50–60 Гц). Можно использовать стандартные диоды, такие как диоды серии 1N400X, поскольку это низкочастотное входное напряжение переменного тока, а также они являются самыми дешевыми.

Чтобы соответствовать установленным ограничениям электромагнитных помех, эти фильтрующие устройства используются для минимизации электромагнитных помех, создаваемых источниками питания. Однако, поскольку испытания на электромагнитные помехи начинаются при частоте 150 кГц, а частота сетевого напряжения переменного тока составляет всего 50 или 60 Гц, время обратного восстановления обычных диодов, используемых в мостовых выпрямителях (см. рис. 1), велико и не часто связано с генерацией электромагнитных помех.

Цепи входных фильтров, содержащие конденсаторов , подключенных к мостовому выпрямителю для подавления любых высокочастотных сигналов, создаваемых выпрямлением низкочастотного входного сигнала.

Если в мостовом выпрямителе используются диоды быстрого восстановления , эти конденсаторы не требуются. Они быстро восстанавливаются, когда напряжение между этими диодами начинает меняться (см. рис. 2). За счет уменьшения последующих высокочастотных щелчков выключения и электромагнитных помех это сводит к минимуму паразитное возбуждение индуктивности линии во входной линии переменного тока. Поскольку за полпериода могут быть включены только два диода, только два из четырех диодов должны быть диодами с быстрым восстановлением. Точно так же только один из двух диодов, которые проводят каждый полупериод, должен иметь характеристику быстрого восстановления.

 

Рис. 5 Типовой входной каскад SMPS с мостовым выпрямителем на входе переменного тока

 

Рис. 6 Кривые входного напряжения и тока, показывающие замыкание диодов в конце обратного восстановления

 

06

Плавный пуск Отключение недорогих выходов для контроля скачков тока Некоторые блоки питания с мультиплексными выходами предназначены для отключения выходов при появлении сигнала ожидания. активируется для соответствия строгим критериям мощности в режиме ожидания.

Для этого обычно используется последовательный обходной биполярный транзистор (BJT) или полевой МОП-транзистор. Если силовой трансформатор спроектирован с учетом дополнительного падения напряжения на транзисторах , биполярные транзисторы могут быть подходящей и менее дорогой альтернативой полевым МОП-транзисторам для слаботочных выходов.

Простой обходной переключатель серии BJT с напряжением 12 В, выходным током 100 мА и большим конденсатором показан на рис. 10. (CLOAD). Q1 представляет собой последовательный транзистор, переключение которого управляется транзистором Q2 в зависимости от состояния сигнала ожидания. Q1 требует достаточного базового тока для работы в режиме насыщения при минимальной бета-версии и максимальном выходном токе, поэтому номинал резистора R1 обеспечивает это. Чтобы управлять переходным током при включении, PI рекомендует добавить дополнительный конденсатор (Cnew). Q1 быстро входит в емкостную нагрузку после включения, если Cnew не добавляется, что приводит к сильному всплеску тока. Чтобы справиться с этим временным всплеском, мощность Q1 должна быть увеличена, что приведет к увеличению затрат.

Всплески тока можно устранить, используя Cnew в качестве дополнительного «конденсатора Миллера» для Q1. Значение dv/dt коллектора Q1 ограничено этой дополнительной емкостью. Чем меньше значение dv/dt, тем меньше зарядный ток поступает в Cload. Задайте такое значение конденсатора для Cnew, чтобы ток, протекающий через R1, был равен оптимальному выходному значению dv/dt Q1, умноженному на значение Cnew.

 

Рис. 7

Рис. 8 Простая схема плавного пуска может отключать выход источника питания в режиме ожидания и устранять скачки тока при включении. Таким образом, небольшой транзистор (Q1) может использоваться для снижения затрат

Изучив эти типичные схемы блока питания, давайте создадим простую схему блока питания с помощью LM317.

 

Введение в LM317

Одной из наиболее широко используемых мощных интегральных схем является LM317. Он не только имеет простейшую фиксированную трехвыводную схему стабилизатора напряжения, но также имеет регулируемые характеристики выходного напряжения. Он также может похвастаться широким диапазоном регулирования напряжения, отличными характеристиками регулирования напряжения, низким уровнем шума и высоким коэффициентом подавления пульсаций. Ниже приведены его основные показатели эффективности.

Максимальная разница входных и выходных напряжений: 40 В постоянного тока, минимальная разница входных и выходных напряжений: 3 В постоянного тока; рабочая среда Температура: -10-+85°C; выходное напряжение: 1,25-37 В постоянного тока; выходной ток: 5 мА-1,5 А; микросхема имеет схемы защиты от перегрева, перегрузки по току и короткого замыкания; максимальная разница входного-выходного напряжения: 40 В постоянного тока, минимальная разница входного-выходного напряжения: 3 В постоянного тока; рабочая среда Температура: -10-+85°C

 

Рис. 9

На рис. 9 показаны схема и расположение выводов нескольких часто используемых (разные формы корпусов) LM317.

Поскольку напряжение между выходной клеммой (контакт 2) и входной клеммой регулировки (контакт 3) поддерживается на уровне 1,25 В, выходной сигнал регулировки может быть получен путем регулировки резисторов делителя напряжения R1 и R2, подключенных между выходной клеммой и землей. изменить потенциал терминала ADJ. Напряжение служит следующей цели, как показано на рис. 10:

Постоянное напряжение 1,25 В на R1 создает постоянный ток, который проходит через R1 и R2, а напряжение, создаваемое на R2, подается на клемму ADJ. В этот момент выходное напряжение Vo определяется соотношением R1:R2. Когда сопротивление резистора R2 увеличивается, выходное напряжение увеличивается следующим образом:

Vo=1,25[(R1+R2)/R2].

 

Рис. 10

Регулируемый источник питания 1,25–37 В

Схематическая диаграмма показана на рис. 11. Выходное напряжение можно постоянно регулировать в пределах от 1,25 до 37 В, изменяя соотношение R1 и R2.

V1 и V2 выполняют следующие функции: когда выход замкнут накоротко, V2 разряжает напряжение на C2 для обеспечения защиты от обратного смещения. Когда вход закорочен, напряжение, хранящееся на таких компонентах, как C3, разряжается через V1, предотвращая обратное смещение внутренней регулировочной трубки. C2 используется для повышения способности ИС подавлять пульсации. C3 используется для усиления переходной характеристики микросхемы. Для фильтрации выпрямления на входе используется C1. Когда на выходе большой ток, микросхема отключается из-за сильного повышения температуры, и необходимо добавить радиатор соответствующей площади. R2 должен использовать линейный потенциометр.

Рис. 11

Блок питания 1,25–120 В для обслуживания и испытаний

Схематическая диаграмма показана на рис. 12. Схема состоит из четырех LM317, и R2 является единственной переменной, которая управляет выходными потенциалами четырех групп. Отрегулируйте R2, и выходной потенциал IC4 постоянно изменяется в диапазоне 1,25-30 В, в то время как выходной потенциал последовательно соединенных с ним IC1-IC3 также изменяется, что приводит к четырем наборам стабильных напряжений постоянного тока в диапазоне от 1,25 до 120 В.

Рис. 12

Блок питания 15 В с медленным пуском

Принципиальная схема показана на рис.