Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC

• Название: Импульсные блоки питания для IBM PC
• Автор: Александр Куличков
• Жанр: Техническая литература

Книга посвящена вопросам ремонта и обслуживания импульсных источников вторичного электропитания, которые используются практически во всем современном импортном и отечественном радиоэлектронном оборудовании.

В книге рассмотрены теоретические вопросы проектирования и расчета импульсных источников питания, подробно описаны основы их схемотехники и принципы функционирования. Описываются различные способы стабилизации выходных напряжений, способы защиты источников питания от перегрузок во вторичных цепях, а также рассматриваются способы отключения источников питания при повышении выходных напряжений выше установленных пределов.

В качестве примеров рассмотрены источники питания современных компьютеров AT и ATX форм-факторов. В соответствующих разделах рассмотрены типовые неисправности и методы их поиска и устранения.

Книга предназначена для специалистов, занимающихся ремонтом и обслуживанием вычислительной техники и другой радиоэлектронной аппаратуры с импульсными источниками вторичного электропитания, подготовленных радиолюбителей и студентов высших и средних специальных учебных заведений.

---

Рассмотрим схему включения ШИМ преобразователя в системе управления импульсным источником питания, пользуясь обозначениями на принципиальной схеме, приведенными на рис. 2.2, и функциональной схемы – на рис. 2.7.

При подаче напряжения питания на вход импульсного источника на транзисторе Q3 включается автогенераторный вспомогательный источник, который формирует на своих вторичных обмотках два напряжения. Первое предназначено для запитки стабилизатора канала дежурного режима, а второе – для подачи питающего постоянного напряжения на микросхему ШИМ стабилизатора. Обмотка трансформатора T6, с которой снимаются напряжения для питания IC1 и стабилизатора канала дежурного режима (+5VSB), включена во вторичную цепь источника питания. Это означает, что общие проводники этих цепей объединены между собой. Таким образом, питание ШИМ преобразователя производится напряжением, гальванически развязанным от первичной сети питания. Напряжение, подаваемое на вывод 12 микросхемы IC1 от выпрямителя на D9, нестабилизированно и служит для начального запуска этой микросхемы. В зависимости от величины нагрузки канала дежурного режима +5VSB уровень напряжения на вторичной обмотке трансформатора T6, а, следовательно, и питания на IC1/12, будет изменяться в некоторых пределах.

Для формирования пилообразного напряжения внутренним генератором микросхемы IC1 между ее выводом 6 и общим проводом вторичного напряжения подключен резистор R29 с номинальным значением сопротивления 12 кОм, а между общим проводом и выводом IC1/5 включен конденсатор C18 емкостью 1500 пФ. Согласно сервисной документации на микросхему TL494, расчет частоты генерации, применительно к элементам данной принципиальной схемы, может быть произведен по следующей формуле:

При указанных значениях элементов RC цепочки, частота работы генератора составляет ~55,5 кГц. Внутренний генератор формирует сигнал с нарастающим напряжением, форма которого представлена на верхней диаграмме рис. 2.8. Согласно данным технической документации на микросхему TL494, нарастание напряжения доходит до уровня +3 В, после чего конденсатор разряжается и напряжение на нем скачком падает до нулевого значения. Затем процесс циклически повторяется (см. диаграммы на рис. 2.8). Вид сигналов имеет качественный характер и не отражает реальных временных и амплитудных соотношений.

Рис. 2.8. Диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу микросхемы TL494

Пилообразное напряжение подается на инвертирующие входы компаратора «мертвой зоны» – элемент DA1 и ШИМ компаратора – элемента DA2. Ко второму входу компаратора подключен внутренний источник начального смещения, величина которого задана и составляет 100 мВ. На диаграмме 1 рис. 2.8 наличие этого источника условно изображено прямой линией, пересекающей «зубцы» пилообразного напряжения. Компаратор является пороговым устройством, поэтому на его выходе формируется сигнал, значения которого принимают только два состояния. Если на инвертирующем входе напряжение превышает уровень напряжения на неинвертирующем, то на выходе компаратора устанавливается низкое напряжение, в данном случае нулевое. И наоборот, если величина напряжения на инвертирующем входе меньше, чем на неинвертирующем, то на выходе напряжение принимает значение высокого уровня, близкого к уровню питания. В нашем случае, когда напряжение начального смещения на неинвертирующем входе компаратора DA1 больше напряжения пилообразного генератора, поданного на второй вход, выходное напряжение (диаграмма 2 на рис. 2.8) имеет высокий уровень. Ко входу IC1/4 подключены дискретные элементы каскадов только с положительным напряжением питания. Смещение на неинвертирующем входе DA1 на величину 100 мВ является минимальным, и приращение напряжения на IC1/4 может только увеличить его. Поэтому можно сделать вывод о том, что длительность импульсов, формируемых на выходе DA1, при данном начальном смещении имеет минимальное значение и с повышением напряжения на выводе IC1/4 длительность импульсов положительной полярности будет только увеличиваться. Какое влияние это свойство оказывает на работу всей схемы управления, будет рассмотрено ниже.

Периодическая последовательность импульсов с выхода компаратора DA1 поступает на цифровой логический элемент типа ИЛИ – DD1. Частота следования импульсов определяется временными характеристиками пилообразного напряжения.

Усилитель ошибки на элементе DA3 проводит сравнение напряжения обратной связи и опорного напряжения, уровень последнего определяется соотношением резисторов R23 и R24, подключенных между выводом IC1/14 и общим проводом. Внутренний каскад схемы IC1 формирует на выводе IC1/14 стабильное напряжение с номинальным значением +5 В. Резисторы R23 и R24 образуют делитель напряжения, средняя точка которого подключена через вывод IC1/2 к инвертирующему входу операционного усилителя DA3. На неинвертирующий вход DA3 через два резистора R46 и R47 поступает напряжение от выходов вторичных каналов напряжения со значениями +5 В и +12 В соответственно. Вход IC1/1 через параллельно соединенные резисторы R25 и R26 подключен к общему проводу вторичного питания. Величины сопротивлений резисторов R25, R26, R46 и R47, образующих делитель, подобраны таким образом, что при номинальных значениях выходных вторичных напряжений на выводе IC1/1 устанавливается напряжение чуть ниже значения +2,5 В. Этим создано некоторое начальное дифференциальное смещение на входах DA3. Усилитель DA3 работает в линейном режиме, параметры усиления определяются внутренней схемотехникой этого каскада. Питание DA3 осуществляется только от внутреннего источника с положительным значением напряжения. Следовательно, изменение выходного напряжения на DA3 может происходить только в положительной области. Для выполнения этого условия напряжение на выводе IC1/1 не должно превышать +2,5 В. Превышение этого порога приведет к тому, что на выходе DA3 установится напряжение с нулевым значением. Далее будем предполагать, что этого не происходит, и схема работает в некотором заданном для зоны регулировки диапазоне.

Итак, на входе IC1/2 – напряжение постоянное, а на вход IC1/1 поступает напряжение обратной связи, которое имеет отклонение, определяемое поведением нагрузки. На выходе усилителя DA3 формируется сигнал рассогласования, или ошибки, точность которого определяется параметрами стабильности внутреннего источника опорного напряжения микросхемы IC1. Понятно, что все его отклонения от номинала будут передаваться на IC1/2. Выход DA3 подключен к неинвертирующему входу ШИМ компаратора – DA2, на второй его вход подается пилообразное напряжение от генератора. Формы различных сигналов на входах DA2 показаны на диаграмме 3, приведенной на рис. 2.8. Линией, пересекающей «пилу», изображено напряжение на неинвертирующем входе DA2. Внешний вид результирующего сигнала на выходе DA2 представлен на диаграмме 4 (см. рис. 2.8). Видно, что импульсы положительной полярности формируются здесь в том случае, когда уровень напряжения, поданного с выхода DA3, превышает уровень линейно нарастающего напряжения на инвертирующем входе DA2. На диаграмме 4 показано, как происходит изменение длительности положительных импульсов и соответственно паузы между ними в зависимости от формы напряжения на выходе DA3. Длительность положительного импульса увеличивается по мере возрастания уровня на выходе DA3, то есть продолжительность импульса прямо пропорциональна уровню напряжения на выходе усилителя рассогласования. Последовательность импульсов подается на второй вход цифрового элемента DD1, на первый вход которого поступает импульсный сигнал с выхода DA1 – компаратора «мертвой зоны».

Элементы микросхемы IC1, работа которых описана выше, входят в аналоговую часть обработки и формирования сигналов. Необходимо отметить, что компараторы занимают здесь пограничное положение. Получая по входам аналоговые сигналы, на выходах они формируют двухуровневый сигнал. Компоненты же с буквенным обозначением DD относятся к элементам исключительно цифровой автоматики, работающими с дискретными сигналами как по входам, так и по выходам. Сигналы имеют только два уровня. В позитивной логике (этой терминологии мы будем придерживаться и далее) логической единицей принято считать значение напряжения, близкое к уровню положительного питания. Уровень логического нуля – низкий уровень, близкий к потенциалу общего провода.

Выходное состояние элемента DD1, логическое ИЛИ, принимает значение логической единицы тогда и только тогда, когда хотя бы на одном (произвольном) из его входов сигнал также имеет высокий логический уровень. Выход считается в состоянии низкого уровня, когда на все входы логического элемента типа ИЛИ подводятся напряжения также низкого уровня.

Вид импульсных сигналов на входах элемента DD1 представлен на диаграммах 2 и 4 (см. рис. 2.8). По времени начало формирования положительных импульсов на обеих диаграммах совпадает, но их длительность больше в последовательности, поступающей с выхода DA3. В данном случае выходной сигнал элемента DD1 будет совпадать с диаграммой 4. Последовательность, полученная на выходе DD1, является базовой для формирования конечного управляющего воздействия на силовые элементы усилителя мощности. Все временные соотношения конечного сигнала уже заложены в этой исходной последовательности. Выход DD1 соединен со счетным входом C динамического триггера – DD2, а также с одним из входов каждого из логических элементов DD5 и DD6.