Импульсный блок питания. Принципы изготовления.

KENWOOD TS-990S

Импульсный блок питания. Принцип изготовления


Блоки питания (БП) для компьютеров строятся по бестрансформаторной схеме подключения к питающей сети и представляют собой импульсные БП, которые характеризуются высоким коэффициентом полезного действия (КПД) (более 70%), малым весом и небольшими габаритами.

Однако импульсный БП является источником импульсных помех, что предъявляет к его схеме высокие требования в части электромагнитной совместимости с остальной схемой компьютера, а также с другими бытовыми электронными устройствами. Кроме того в бестрансформаторных импульсных блоках питания (ИБП) нет гальванической развязки части схемы от напряжения сети, что требует принятия специальных мер безопасности при его ремонте. Основными функциональными частями ИБП являются: • входной помехоподавляющий фильтр; • сетевой выпрямитель; • сглаживающий емкостной фильтр; • схема пуска; • ключевой преобразователь напряжения с импульсным силовым трансформатором (силовой инвертор); • схема управления; • цепи формирования выходных напряжений, гальванически развязанные от питающей сети; • цепи формирования и передачи сигнала обратной связи на схему управления. В зависимости от назначения ИБП может содержать различные дополнительные схемы, например: • линейные стабилизаторы в интегральном или дискретном исполнении; • помехоподавляющие цепи; • схемы защиты от перегрузок по току, а также от входного и выходного пере и недонапряжения. Кроме того, в схему ИБП могут включаться схемы формирования специальных управляющих сигналов, обеспечивающих согласованную работу ИБП с питаемой от него схемой. Для получения постоянных напряжений с помощью ИБП с бестрансформаторным входом в нем осуществляется тройное преобразование напряжения. Переменное напряжение сети выпрямляется и сглаживается. Полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсное прямоугольное напряжение частотой несколько десятков килогерц, которое трансформируется с соответствующим коэффициентом на вторичную сторону, выпрямляется и сглаживается. Определяющим узлом любого ИБП является ключевой преобразователь напряжения и в первую очередь его силовая часть (мощный выходной каскад). Выходные каскады всех разновидностей ИБП можно разделить на два больших класса: однотактные и двухтактные. Таблица 3. Технические характеристики на БП SMPS 5624 (приведенные в сервисной документации).
Параметр Значение
Входное сетевое напряжение (Input Voltage) 180-264V
Частота входного сетевого напряжения (Input Frequency) 47-53 Hz
Общая максимальная выходная мощность (Total Output Power) 200 W
Стандартные выходные параметры (Standart Outputs): выход 1 выход 2 выход 3 выход 4   +5V, 20А max, ЗА min; +12V, 7Amax, 1A min; -5V, 1 A max. 0A min; -12V, 1Amax, 0A min
Возможность регулировки выходных напряжений (Voltage Adjustment) Отсутствует (Fixed Output)
Стабилизация при изменениях сетевого напряжения (Line Regulation) При изменении напряжения сети от 180V до 264V выходные напряжения всех каналов меняются на ±0,5% при 50% нагрузке всех каналов
Стабилизация при изменениях нагрузки в данном канале при номинальном напряжении сети (Load Regulation): выход 1 выходы 2-4 Выходное напряжение канала +5V меняется на +0,5% при изменении нагрузки этого канала от 25% до 1 00% и неизменной 25%-й нагрузке остальных каналов Выходное напряжение в каждом из этих каналов меняется не более чем на 0,1% при изменении нагрузки этого канала от 50% до 100% и при неизменной 25%-й нагрузке в канале +5V
Стабилизация при изменениях нагрузки в других каналах (Cross Regulation): выход 1 выходы 2-4 Выходное напряжение канала +5V, нагруженного на 25%, изменяется не более чем на 0,1% при изменении нагрузки в любом из остальных каналов от 50 до 1 00% Выходное напряжение любого из этих каналов, нагруженного на 25% меняется не более чем на 4% при изменении нагрузки в любом из остальных каналов от 50 до 100% (при этом те каналы, нагрузка в которых не меняется, нагружены на 25%)
Пульсации (Ripple Spikes) 1% от номинала выходного напряжения; среднеквадратическое значение 20mV на частоте 30MHz при работе в нагруженном режиме
Температурный дрейф уровня выходных напряжений (Temperature Coefficient) 0,02%/°С для канала +5V, 0,05%/°С для остальных каналов
Общий КПД БП (Efficiency) 75%
Время удержания выходных напряжений после выключения (после последнего пика сетевого напряжения) (Hold Up Time) 20ms min
Диапазон рабочих температур (Operating Temperature) 0-50 °С
Бросок тока при включении (Switch On Surge) 79 A max
Изоляция (Insulation) Более 1 0 МОм при замере 500-вольтовым мегомметром между сетевым входом и вторичной "землей", при всех выходах, закороченных на "землю"
Параметры сигнала PG (Power Goodness) TTL-совместимость; задержка появления разрешающего сигнала PG высокого уровня при включении - от 1 00 до 200 mS; упреждающее исчезновение сигнала PG (переход в низкий уровень) минимум за 1 ms до того, как выходные напряжения станут меньше нижнего порога стабилизации
Наличие защит (Protections) При КЗ в нагрузке, значительной токовой перегрузке и перенапряжении на выходе канала +5V (от +5.8V до +7,OV); защитное отключение блока с последующим самовосстановлением; предохранитель: 4А по сетевому входу
Подстыковка (Termination) С помощью четырех и шестиконтактных соединителей
  Рис.3. Обобщенная структурная схема однотактного ИБП с бестрансформаторным входом. Рассмотрим работу обобщенной однотактной схемы ИБП, приведенной на рис. 3. Переменное напряжение сети выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсатором большой емкости. В результате на выходе выпрямителя появляется постоянное положительное напряжение Uep = +310В. Этим напряжением запитывается схема пуска, которая вырабатывает питающее напряжение для схемы управления сразу после включения ИБП. На выходе схемы управления вырабатывается управляющее напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой порядка несколько десятков килогерц. Эти импульсы управляют состоянием (открыт/закрыт) мощного ключевого высокочастотного транзистора, нагрузкой которого является первичная обмотка импульсного высокочастотного трансформатора (ИВТ). В результате переключении транзисторного ключа во вторичных обмотках ИВТ наводятся импульсные ЭДС прямоугольной формы, которые затем выпрямляются и сглаживаются. Силовая часть однотактного преобразователя с бестрансформаторным входом может быть выполнена одним из двух возможных способов. Поэтому следует различать проточные (прямоходовые) и запорные (обратноходовые) преобразователи. В проточных преобразователях ток подзарядки накопительных емкостей во вторичной цепи (ток через диоды выпрямителя) протекает во время открытого состояния ключевого транзистора, а в запорных - во время закрытого состояния этого транзистора. Тип преобразователя определяется выбором определенной полярности подключения выпрямительных диодов ко вторичным обмоткам импульсного трансформатора и конструктивными особенностями самого импульсного трансформатора. Принципиальная схема прямоходового преобразователя (преобразователя с пропускающим диодом) изображена на рис. 4,а. Энергия в цепь нагрузки передается через диод D1 во время открытого состояния транзистора Q1. Одновременно в сердечнике дросселя L1 накапливается магнитная энергия (токи через дроссель и первичную обмотку Т1 линейно нарастают), которая затем во время закрытого состояния Q1 выдается в нагрузку через диод D2. При этом ток дросселя линейно уменьшается. Магнитная энергия, накопленная в сердечнике трансформатора Т1 за время открытого состояния Q1, снова возвращается в источник во время закрытого состояния Q1. Этот возврат (рекуперация) осуществляется с помощью обмотки размагничивания и диода D3. В противном случае сердечник трансформатора оказался бы в состоянии насыщения, что при следующем открывании транзистора Q1 привело бы к выводу его из строя чрезмерно большим током первичной обмотки Т1, индуктивность которой была бы очень мала. Таким образом, в прямоходовом преобразователе трансформатор служит только для трансформации энергии. Исходя из этого принципа трансформатор прямоходового преобразователя должен выполняться таким, чтобы запасаемая в его сердечнике магнитная энергия за время открытого состояния транзистора была бы минимальной.   Рис.4. Преобразователь с пропускающим (а) и запирающим (б) диодом (без схемы управления и согласующего каскада). Принципиальная схема обратноходового преобразователя (преобразователя с запирающим диодом) изображена на рис. 4,6. Трансформатор Т1 во время открытого состояния транзистора Q1 запасает магнитную энергию, т.к. через первичную обмотку Т1 и открытый Q1 протекает нарастающий во времени ток. Во время закрытого состояния транзистора Q1 трансформатор Т1 отдает накопленную энергию через диод D1 в конденсатор С1 и в нагрузку. Во время открытого состояния транзистора диод D1 закрыт, и нагрузка получает энергию только от конденсатора С1. Обратноходовой преобразователь является единственным типом преобразователя с одним только индуктивным элементом в виде трансформатора Т1, который служит для накопления и трансформации энергии. Поскольку трансформатор Т1 является накопительным элементом, то большое значение приобретает линейность характеристики намагничивания его сердечника в большом диапазоне значений индукции.  Однако все магнитные материалы характеризуются наличием области насыщения, где изменение тока через первичную обмотку уже не вызывает изменения магнитного потока в сердечнике. С целью избежать попадания в область насыщения сердечники трансформаторов обратноходовых преобразователей обычно выполняются с немагнитным зазором. Такой зазор линеаризует характеристику намагничивания сердечника вплоть до очень больших значений индукции. Для регулировки выходных напряжений в импульсных БП в большинстве случаев используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который заключается в том, что изменяется длительность импульсов и пауз между ними при неизменной частоте преобразования. Соотношение между длительностью импульса и паузы зависит от уровня выходных напряжений и автоматически изменяется таким образом, чтобы поддерживать выходные напряжения на номинальном уровне. Выходное напряжение обратноходового преобразователя для режима непрерывных токов определяется по формуле: где n - коэффициент трансформации, Uвx - уровень входного постоянного питающего напряжения, q - коэффициент заполнения, q = Ti/ T (Ti - время открытого состояния транзистора, а Т - период переключения преобразователя). Примечание: Режимом непрерывных токов называется такой режим работы преобразователя, когда ток, протекающий через выпрямительный диод после запирания транзистора, не успевает уменьшиться до нуля к моменту следующего открывания транзистора. Для прямоходового преобразователя в режиме непрерывных токов это напряжение определяется по формуле: Таким обазом, регулируя q, можно регулировать выходное напряжение. Например, в случае увеличения выходных напряжений увеличивается напряжение обратной связи (ОС), подаваемое на схему управления (функциональный состав схемы управления будет подробно рассмотрен далее). В результате уменьшится длительность управляющих прямоугольных импульсов на выходе этой схемы управления, что приведет к уменьшению времени открытого состояния силового ключа за период. Это значит, что уменьшится время, в течение которого через первичную обмотку импульсного трансформатора ИВТ протекает линейно нарастающий ток. Следовательно, уменьшится время, в течение которого будет действовать импульс ЭДС на вторичных обмотках импульсного трансформатора. Поэтому уменьшатся уровни выходных постоянных напряжений блока, которые получаются как результат выпрямления и сглаживания импульсов ЭДС со вторичных обмоток ИВТ. Таким образом, уровень выходных напряжений поддерживается постоянным в состоянии динамического равновесия. При уменьшении выходных напряжений ИБП, например, вследствие увеличения токопотребления в нагрузке, происходящие процессы по регулировке выходных напряжений будут обратными. Упрощенная схема на рис. 3 иллюстрирует построение типового однотактного ИБП. Однако в ИБП для системных модулей обычно используется двухтактная полумостовая схема, т.к. однотактные схемы в диапазоне выходных мощностей свыше 150 Вт оказываются неэффективными из-за резкого увеличения габаритных размеров и массы импульсного трансформатора и ухудшения режимов работы ключевого транзистора. Поскольку силовая часть подавляющего большинства блоков питания для современных персональных компьютеров построена по двухтактной полумостовой схеме, то в данной книге подробно рассматриваются именно такие варианты ИБП.   Упрощенная структурная схема ИБП, силовая часть которого построена по двухтактной полумостовой схеме, показана на рис. 5. Рис.5. Обобщенная структурная схема двухтактного полумостового ИБП с бестрансформаторным входом. Рассмотрим принцип работы такой схемы. Первичная обмотка ИВТ включена в диагональ электрического моста, одно плечо которого образовано конденсаторами С1, С2, а другое - мощными ключевыми транзисторами Q1, Q2. Конденсаторы достаточно большой и одинаковой емкости С1, С2 образуют емкостной делитель, одновременно выполняя функцию сглаживающих емкостей высокочастотного фильтра. Выпрямленное напряжение сети делится на них пополам. Транзисторы управляются по базам от схемы управления через управляющий и развязывающий трансформатор DT таким образом, что переключение их происходит поочередно с регулируемой паузой на нуле. Когда транзистор Q1 достигает состояния насыщения, а транзистор Q2 находится в состоянии отсечки, первичная обмотка трансформатора подключается к заряженному конденсатору С1 достаточно большой емкости. Поэтому через первичную обмотку ИВТ РТ протекает ток разряда этого конденсатора по цепи: (+) С1 -к-э Q1 - первичная обмотка РТ-С4- (-)С1. Одновременно с током разряда конденсатора С1 по обмотке протекает от источника питания и ток подзаряда конденсатора С2 по цепи: Uep - к-э Q1 - первичная обмотка РТ - С4 - С2 - "общий провод" первичной стороны. Во второй полупериод, когда транзистор Q1 закрывается, a Q2 открывается, конденсаторы меняются ролями, т.е. конденсатор С2 разряжается, а С1 подзаряжается. Ток через первичную обмотку импульсного трансформатора протекает в противоположном предыдущему случаю направлении. Из схемы видно, что к первичной обмотке импульсного трансформатора прикладывается лишь половинное напряжение питания. Поэтому ток, коммутируемый транзистором в данной схеме, должен быть вдвое больше тока, протекающего через транзистор однотактной схемы преобразователя для получения той же мощности в нагрузке. Однако в такой схеме обратное напряжение, приложенное к закрытому транзистору, уменьшается более чем в два раза по сравнению с однотактной схемой преобразователя. Стабильность выходных напряжений поддерживается тем же способом, что и в однотактной схеме. Сигнал обратной связи подается на схему управления с делителя R1, R2 в цепи шины выходного напряжения ИБП. Схема управления, построенная по принципу ШИМ, изменяет длительность управляющих импульсов, подаваемых на базы силовых транзисторов Q1, Q2 таким образом, чтобы вернуть отклонившееся выходное напряжение к номинальному значению. При этом для обеспечения достаточной величины базового для силовых ключей тока на выходе схемы управления включается согласующий каскад. Диоды D1 и D2 называются рекуперационными (возвратными). Они создают путь для протекания тока в моменты запирания транзисторов Q1 и Q2. Токи эти протекают под воздействием противо-ЭДС, наводимой в первичной обмотке силового импульсного трансформатора РТ при резком прерывании тока через нее в результате запирания этих транзисторов. Возникновение импульса ЭДС при запирании транзисторов объясняется неизбежным наличием у силового импульсного трансформатора паразитной индуктивности рассеяния, в которой за время открытого состояния транзистора запасается магнитная энергия. Явление магнитного рассеяния заключается в том, что часть магнитного потока ответвляется от основного магнитного потока и замыкается по различным путям, охватывающим различные группы витков; этот факт отражают введением понятия индуктивности рассеяния Ls. Противо ЭДС всегда имеет полярность, стремящуюся поддержать ток прежнего направления. Потенциал вывода 1 первичной обмотки силового трансформатора РТ можно считать не изменяющимся. Поэтому на выводе 2 первичной обмотки РТ при запирании транзистора Q1 появляется отрицательный потенциал. Если бы диод D2 отсутствовал, то потенциал коллектора закрытого транзистора Q2 стал бы отрицательным по отношению к его эмиттеру, т.е. транзистор Q2 оказался бы в инверсном режиме, а к коллектору транзистора Q1 оказалось бы приложено напряжение, превышающее напряжение питания. Поэтому такой режим нежелателен. Диод D2 позволяет избежать попадания в этот режим, т.к. открывается и через него замыкается кратковременный ток рекуперации, протекающий по цепи: 1 РТ - С4 - С2 - "общий провод" - D2 - 2РТ. При этом конденсатор С2 подзаряжается, т.е. энергия, запасенная в индуктивности рассеяния первичной обмотки РТ, частично возвращается (рекуперируется) в источник. При запирании транзистора Q2 на выводе 2 первичной обмотки РТ появляется положительный потенциал и тогда, если бы диод D1 отсутствовал, в инверсном режиме оказался бы транзистор Q1, а коллектор транзистора Q2 оказался бы под воздействием импульса, превышающего уровень питания. Однако D1 открывается и замыкает цепь тока рекуперации: 2РТ - D1 - шина Uep - С1 -С4 - 1РТ. При этом подзаряжается конденсатор С1, т.е. избыточная энергия опять возвращается (рекуперируется) в источник.
Worldwide HAM Radio QSL Website
Антенна для Kenwood TS-990S