up
ua ru
menu


ASUS_Quiz_1.gif

logo minifile

::>Джерела живлення > 2009 > 07 > ...

Версія для друку
Переопублікувати статтю

28-07-2009


rss

Сучасні блоки живлення ATX та їх характеристики

Введення

Невід'ємною частиною кожного комп'ютера є блок живлення. Він важливий так само, як і інші частини комп'ютера. При цьому покупка блоку живлення здійснюється досить рідко, тому що гарний БЖ може забезпечити живленням кілька поколінь систем. Враховуючи все це, до придбання блоку живлення необхідно віднестися дуже серйозно, тому що доля комп'ютера має безпосередню залежності від роботи блоку живлення.

Основне призначення блоку живлення - формування напруги живлення, яка необхідна для функціонування всіх блоків ПК. Основна напруга живлення компонентів це: +12В, +5В, +3,3В. Існуєь також додаткова напруга: -12В та -5В. Ще блок живлення здійснює гальванічну розв'язку між мережею 220В та компонентами комп'ютера. Це необхідно для усунення струмів витоків, наприклад щоб корпус ПК не бився струмом, а також перешкоджає виникненню паразитних струмів при сполученні пристроїв.

Для здійснення гальванічної розв'язки достатньо виготовити трансформатор з необхідними обмотками. Але для живлення комп'ютера потрібна чимала потужність, особливо для сучасних ПК. Для живлення комп'ютера довелося б виготовляти трансформатор, що мав би не тільки великий розмір, але і був би досить важким. Однак зі збільшенням частоти струму трансформатора для створення того ж магнітного потоку необхідно менше витків і менше перетин магнітопроводу. У блоках живленнях, побудованих на основі перетворювача, частота живлячої напруги трансформатора в 1000 і більше раз вище. Це дозволяє створювати компактні та легкі блоки живлення.

Найпростіший імпульсний БЖ

Розглянемо блок-схему простого імпульсного блоку живлення, що лежить в основі всіх імпульсних блоків живлення.

Блок схема імпульсного блоку живлення.

Перший блок здійснює перетворення змінної напруги мережі в постійну. Такий перетворювач складається з діодного мосту, що випрямляє змінну напругу, і конденсатора, що згладжує пульсації випрямленої напруги. У цьому боці також знаходяться додаткові елементи: фільтри мережної напруги від пульсацій генератора імпульсів і термістори для згладжування стрибка струму в момент включення. Однак цих елементів може не бути з метою заощадження на собівартості.

Наступний блок - генератор імпульсів, який генерує з певною частотою імпульси, що живлять первинну обмотку трансформатора. Частота генерації імпульсів різних блоків живлення різна та знаходиться в межах 30 - 200 кГц. Трансформатор здійснює головні функції блоку живлення: гальванічну розв'язку з мережею і зниження напруги до необхідних значень.

Змінну напругу, отриману від трансформатора, наступний блок перетворює у постійну напругу. Блок складається з діодів, що випрямляють напругу, та фільтра пульсацій. У цьому блоці фільтр пульсацій набагато складніше, ніж у першому блоці та складається з групи конденсаторів і дроселя. З метою заощадження виробники можуть встановлювати конденсатори малої ємності, а також дроселі з малою індуктивністю.

Перший імпульсний блок живлення являв собою двотактний або однотактний перетворювач. Двотактний означає, що процес генерації складається з двох частин. У такому перетворювачі по черзі відкриваються та закриваються два транзистори. Відповідно в однотактному перетворювачі один транзистор відкривається і закривається. Схеми двотактного та однотактного перетворювачів представлені нижче.

Принципова схема перетворювача.

Розглянемо елементи схеми докладніше:

  • Х2 - роз’єм джерело живлення схеми.
  • Х1 - роз’єм з якого знімається вихідна напруга.
  • R1 - опір, що задає початковий невеликий зсув на витоках. Він необхіден для більш стабільного запуску процесу коливань у перетворювачі.
  • R2 - опір, що обмежує струм бази на транзисторах, це необхідно для захисту транзисторів від згоряння.
  • ТР1 - Трансформатор має три групи обмоток. Перша вихідна обмотка формує вихідну напругу. Друга обмотка слугує навантаженням для транзисторів. Третя формує керуючу напругу для транзисторів.

У початковий момент включення першої схеми транзистор трохи відкритий, тому що до бази через резистор R1 прикладена позитивна напруга. Через відкритий транзистор протікає струм, що також протікає і через II обмотку трансформатора. Струм, що протікає через обмотку, створює магнітне поле. Магнітне поле створює напругу в інших обмотках трансформатора. В наслідок на обмотці III створюється позитивна напруга, що ще більше відкриває транзистор. Процес відбувається доти, доки транзистор не потрапить у режим насичення. Режим насичення характеризується тим, що при збільшенні прикладеного керуючого струму до транзистора вихідний струм залишається незмінним.

Оскільки напруга в обмотках генерується тільки у випадку зміни магнітного поля, його зростання або падіння, то відсутність збільшення струму на виході транзистора, отже, обумовить зникнення ЕДС в обмотках II і III. Зникнення напруги в обмотці III призведе до зменшення ступеня відкриття транзистора. І вихідний струм транзистора зменшиться, отже, і магнітне поле буде зменшуватися. Зменшення магнітного поля обумовить створення напруги протилежної полярності. Негативна напруга в обмотці III почне ще більше закривати транзистор. Процес буде тривати доти, доки магнітне поле повністю не зникне. Коли магнітне поле зникне, негативна напруга в обмотці III теж зникне. Процес знову почне повторюватися.

Двотактний перетворювач працює по такому ж принципі, але відмінність в тому, що транзисторів два, і вони по черзі відкриваються та закриваються. Тобто коли один відкритий - інший закритий. Схема двотактного перетворювача має більшу перевагу, тому що використовує всю петлю гістерезису магнітного провідника трансформатора. Використання тільки однієї ділянки петлі гістерезису або намагнічування тільки в одному напрямку приводить до виникнення багатьох небажаних ефектів, які знижують ККД перетворювача та погіршують його характеристики. Тому в основному скрізь застосовується двотактна схема перетворювача з фазозмінюючим трансформатором. В схемах, де потрібна простота, малі габарити, і мала потужність все-таки використовується однотактна схема.

Блоки живлення форм-фактору АТХ без корекції коефіцієнта потужності

Перетворювачі, розглянуті вище, хоч і закінчені пристрої, але на практиці їх використовувати незручно. Частота перетворювача, вихідна напруга і багато інших параметрів «плавають», змінюються залежно від зміни: напруги живлення, завантаженості виходу перетворювача і температури. Але якщо контролером скеровувати витоки, який би міг здійснювати стабілізацію та різні додаткові функції, то можна використати схему для живлення пристроїв. Схема блоку живлення із застосуванням ШІМ-контролера досить проста, і, взагалі, є генератор імпульсів, побудований на ШІМ-котролері.

ШІМ - широтно-імпульсна модуляція. Вона дозволяє регулювати амплітуду сигналу минувшого ФНЧ (фільтр низьких частот) зі зміною тривалості або шпаруватості імпульсу. Головні переваги ШІМ це високе значення ККД підсилювачів потужності і великі можливості у застосуванні.

Схема простого блоку живлення з ШІМ контролером.

Дана схема блоку живлення має невелику потужність і у якості ключа використовує польовий транзистор, що дозволяє спростити схему та позбутися від додаткових елементів, необхідних для керування транзисторних ключів. У блоках живлення великої потужності ШІМ-контролер має елементи керування («Драйвер») вихідним ключем. У якості вихідних ключів в блоках живленнях великої потужності використовуються IGBT-транзистори.

Сіткова напруга в даній схемі перетвориться в постійну напругу і чрез ключ надходить на першу обмотку трансформатора. Друга обмотка слугує для живлення мікросхеми та формування напруги зворотного зв'язку. ШІМ-котролер генерує імпульси з частотою, що задана RC-ланцюгом підключеним до ніжки 4. Імпульси подаються на вхід ключа, що їх підсилює. Тривалість імпульсів змінюється залежно від напруги на ніжці 2.

Розглянемо реальну схему АТХ блоку живлення. Вона має набагато більше елементів і у ній присутні ще додаткові пристрої. Червоними квадратами схема блоку живлення умовно поділена на основні частини.

Схема АТХ блоку живлення потужністю 150-300 Вт.

Для живлення мікросхеми контролера, а також формування чергової напруги +5, що використовується комп'ютером, коли він виключений, у схемі знаходитися ще один перетворювач. На схемі він позначений як блок 2. Як видно він виконаний за схемою однотактного перетворювача. У другому блоці також є додаткові елементи. В основному це ланцюг поглинання сплесків напруг, які генеруються трансформатором перетворювача. Мікросхема 7805 - стабілізатор напруги формує чергову напругу +5В з випрямленої напруги перетворювача.

Найчастіше в блоці формування чергової напруги встановлені неякісні або дефектні компоненти, що викликає зниження частоти перетворювача до звукового діапазону. Внаслідок чого із блоку живлення чутний писк.

Оскільки блок живлення живиться від мережі змінної напруги 220В, а перетворювач має потребу в живленні постійною напругою, напругу необхідно перетворити. Перший блок здійснює випрямлення та фільтрацію змінної мережної напруги. У цьому блоці також знаходиться фільтр, що загороджує від перешкод, які генерує сам блоком живлення.

Третій блок це ШІМ-контролер TL494. Він здійснює всі основні функції блоку живлення. Захищає блок живлення від коротких замикань, стабілізує вихідні напруги та формує ШІМ-сигнал для керування транзисторними ключами, які навантажені на трансформатор.

Четвертий блок складається з двох трансформаторів і двох груп транзисторних ключів. Перший трансформатор формує керуючу напругу для вихідних транзисторів. Оскільки ШІМ-контролер TL494 генерує сигнал слабкої потужності, перша група транзисторів підсилює цей сигнал і передає його першому трансформатору. Друга група транзисторів, або вихідні, навантажені на основний трансформатор, який здійснює формування основних напруг живлення. Така більш складна схема керування вихідними ключами застосована через складність керування біполярними транзисторами та захисту ШІМ-контролера від високої напруги.

П'ятий блок складається з діодів Шотткі, що випрямляють вихідну напругу трансформатора, і фільтра низьких частот (ФНЧ). ФНЧ складається з електролітичних конденсаторів значної ємності та дроселів. На виході ФНЧ стоять резистори, які навантажують його. Ці резистори необхідні для того, щоб після вимикання ємності блоку живлення не залишалися зарядженими. Також резистори стоять і на виході випрямляча мережної напруги.

Решта елементів, не обведена в блоці цього ланцюга, формує «сигнали справності». Цими ланцюгами здійснюється робота захисту блоку живлення від короткого замикання або контроль справності вихідних напруг.

 

 Блок живлення АТХ потужністю 200 Вт.

Тепер подивимося, як на друкованій платі блоку живлення потужністю 200 Вт розташовані елементи. На малюнку показані:

  1. Конденсатори, що виконують фільтрацію вихідних напруг.
  2. Місце не розпаяних конденсаторів фільтра вихідних напруг.
  3. Катушки індуктивності, що виконують фільтрацію вихідних напруг. Велика котушка відіграє роль не тільки фільтра, але ще працює як феромагнітний стабілізатор. Це дозволяє дещо знизити перекоси напруг при нерівномірному навантаженні різних вихідних напруг.
  4. Мікросхема ШІМ-стабілізатора WT7520.
  5. Радіатор на якому встановлені діоди Шотткі для напруг +3.3В і +5В, а для напруги +12В звичайні діоди. Необхідно відзначити, що часто особливо в старих блоках живленнях, на цьому ж радіаторі розміщаються додатково елементи. Це елементи стабілізації напруг +5В и +3,3В. У сучасних блоках живленнях розміщуються на цьому радіаторі тільки діоди Шотткі для всіх основних напруг або польові транзистори, які використовуються у якості випрямляча.
  6. Основний трансформатор, що здійснює формування всіх напруг, а також гальванічну розв'язку з мережею.
  7. Трансформатор, що формує керуючі напруги для вихідних транзисторів перетворювача.
  8. Трансформатор перетворювача, що формує чергову напругу +5В.
  9. Радіатор, на якому розміщені вихідні транзистори перетворювача, а також транзистор перетворювача формує чергову напругу.
  10. Конденсатори фільтра мережної напруги. Їх не обов'язково повинно бути два. Для формування двополярної напруги та утворення середньої крапки встановлюють два конденсатори рівної ємності. Вони ділять випрямлену сіткову напругу навпіл, тим самим формуючи дві напруги різної полярності, з'єднані у загальній крапці. В схемах з однополярним живленням конденсатор один.
  11. Елементи фільтра мережі від гармонік (перешкод), що генеруються блоком живлення.
  12. Діоди діодного мосту, що здійснюють випрямлення змінної напруги мережі.

Блок живлення АТХ потужністю 350 Вт.

Блок живлення 350 Вт побудований еквівалентно. Одразу привертають увагу великі розміри плати, збільшені радіатори та більшого розміру трансформатор перетворювача.

  1. Конденсатори фільтра вихідних напруг.
  2. Радіатор, що охолоджує діоди, які випрямляють вихідну напругу.
  3. ШІМ-контролер АТ2005 (аналог WT7520), що здійснює стабілізацію напруг.
  4. Основний трансформатор перетворювача.
  5. Трансформатор, що формує керуючу напругу для вихідних транзисторів.
  6. Трансформатор перетворювача чергової напруги.
  7. Радіатор, що охолоджує вихідні транзистори перетворювачів.
  8. Фільтр мережної напруги від перешкод блоку живлення.
  9. Діоди діодного мосту.
  10. Конденсатори фільтра мережної напруги.

Розглянута схема довго застосовувалася в блоках живленнях і зараз іноді зустрічається.

Блоки живлення формату АТХ з корекцією коефіцієнта потужності.

У розглянутих схемах навантаженням мережі слугує конденсатор, що підключається до мережі через діодный міст. Зарядження конденсатора відбувається тільки в тому випадку, коли на ньому напруга менше ніж мережна. Внаслідок чого, струм носить імпульсний характер, що має безліч недоліків.

Мостовий випрямляч напруги.

Перелічимо ці недоліки:

  • струм вносить у мережу вищі гармоніки (перешкоди);
  • велика амплітуда струму споживання;
  • значна реактивна складова в струмі споживання;
  • сіткова напруга не використовується протягом всього періоду;
  • ККД таких схем має невелике значення.

Нові блоки живлення мають вдосконалену сучасну схему, у ній з'явився ще один додатковий блок - коректор коефіцієнта потужності (ККП). Він здійснює підвищення коефіцієнта потужності. Або інакше кажучи, забирає деякі недоліки мостового випрямляча мережної напруги.

Формула повної потужності.

Коефіцієнт потужності (КП) характеризує, скільки в повній потужності активної складової та скільки реактивної. Взагалі, можна сказати, а навіщо враховувати реактивну потужність, вона ж хибна та не несе користі.

Формула коефіцієнта потужності.

Наприклад, ми маємо якийсь прилад, блок живлення, з коефіцієнтом потужності 0,7 і потужністю 300 Вт. Видно з розрахунків, що наш блок живлення має повну потужність (суму реактивної і активної потужності) більше, ніж зазначена на ньому. І цю потужність повинна дати мережа живлення 220В. Хоча ця потужність не несе користі (навіть лічильник струму її не фіксує) вона все-таки існує.

Розрахунок повної потужності блоку живлення.

Тобто внутрішні елементи і мережні проводи повинні бути розраховані на потужність 430 Вт, а не 300 Вт. А уявіть собі випадок, коли коефіцієнт потужності дорівнює 0,1 ... Через це ДЕРЖМЕРЕЖА забороняє використовувати прилади з коефіцієнтом потужності менше 0,6, а у випадку виявлення таких на власника накладає штраф.

Відповідно кампаніями були розроблені нові схеми блоків живлення, які мали ККП. Спочатку в якості ККП використовувався включений на вході дросель великої індуктивності, такий блок живлення називають блок живлення з PFC або пасивним ККП. Подібний блок живлення має підвищений КП. Для досягнення потрібного КП необхідно оснащувати блоки живлення більшим дроселем, тому що вхідний опір блоку живлення носить ємний характер через встановлені конденсатори на виході випрямляча. Встановлення дроселя значно збільшує масу блоку живлення, і підвищує КП до 0,85, що не так вже і багато.

400 Вт блок живлення з пасивною корекцією коефіцієнта потужності.

На малюнку представлений блок живлення компанії FSP потужністю 400 Вт з пасивною корекцією коефіцієнта потужності. Він містить наступні елементи:

  1. Конденсатори фільтра випрямленої напруги мережі.
  2. Дросель, що здійснює корекцію коефіцієнта потужності.
  3. Трансформатор головного перетворювача.
  4. Трансформатор, що керує ключами.
  5. Трансформатор допоміжного перетворювача (чергової напруги).
  6. Фільтри мережної напруги від пульсацій блоку живлення.
  7. Радіатор, на якому встановлені вихідні транзисторні ключі.
  8. Радіатор, на якому встановлені діоди, що випрямляють змінну напругу головного трансформатора.
  9. Плата керування швидкістю обертання вентилятора.
  10. Плата, на якій встановлений ШІМ-контролер FSP3528 (аналог KA3511).
  11. Дросель групової стабілізації і елементи фільтра пульсацій вихідної напруги.
  12. Конденсатори фільтра пульсацій вихідної напруги.

Включення дроселя для корекції КП.

Внаслідок не високої ефективності пасивного ККП в блок живлення була введена нова схема ККП, що побудована на основі ШІМ-стабилизатора, навантаженого на дросель. Ця схема приносить безліч плюсів блоку живленню:

  • розширений діапазон робочих напруг;
  • з'явилася можливість значно зменшити ємність конденсатора фільтра мережної напруги;
  • значно підвищений КП;
  • зменшення маси блоку живлення;
  • збільшення ККД блоку живлення.

Є і недоліки в цієї схеми - це зниження надійності БЖ і некоректна робота з деякими джерелами безперебійного живлення при перемиканнях режимів роботи батарея / мережа. Некоректна робота цієї схеми з ІБЖ викликана тим, що в схемі значно зменшилася ємність фільтра мережної напруги. В момент, коли короткочасно пропадає напруга, сильно зростає струм ККП, необхідний для підтримки напруги на виході ККП, в наслідок чого спрацьовує захист від КЗ (короткого замикання) в ІБЖ.

Схема активного коректора коефіцієнта потужності.

Якщо подивитися на схему, то вона являє собою генератор імпульсів, що навантажений на дросель. Напруга мережі випрямляється діодним мостом і подається на ключ, що навантажений дроселем L1 і трансформатором Т1. Трансформатор введений для зворотного зв'язку контролера з ключем. Напруга з дроселя знімається за допомогою діодів D1 і D2. Причому напруга знімається по черзі за допомогою діодів, то з діодного мосту, то з дроселя, і заряджає конденсатори Cs1 і Cs2. Ключ Q1 відкривається і у дроселі L1 накопичується енергія потрібної величини. Розмір накопиченої енергії регулюється тривалістю відкритого стану ключа. Чим більше накопичено енергії, тим більшу напругу віддасть дросель. Після вимикання ключа відбувається віддача накопиченої енергії дроселем L1 через діод D1 конденсаторам.

Така робота дозволяє використати повністю всю синусоїду змінної напруги мережі на відміну від схем без ККП, а також стабілізувати напругу, що живить перетворювач.

У сучасних схемах блоків живленнях, часто застосовують двоканальні ШІМ-контролери. Одна мікросхема здійснює роботу, як перетворювача, так і ККП. Внаслідок чого істотно знижується кількість елементів у схемі блоку живлення.

Схема простого блоку живлення на двоканальному ШІМ-контролері.

Розглянемо схему простого блоку живлення на 12В з використанням двоканального ШІМ-контролера ML4819. Одна частина блоку живлення здійснює формування постійного стабілізованої напруги +380В. Інша частина являє собою перетворювач, що формує постійну стабілізовану напругу +12В. ККП складається, як і у вище розглянутому випадку, з ключа Q1, навантаженого на нього дроселя L1 трансформатора Т1 зворотного зв'язку. Діоди D5, D6 заряджають конденсатори С2, С3, С4. Перетворювач складається з двох ключів Q2 і Q3, навантажених на трансформатор Т3. Імпульсна напруга випрямляється діодною зборкою D13 і фільтрується дроселем L2 і конденсаторами С16, С18. За допомогою патрона U2 формується напруга регулювання вихідної напруги.

Блок живлення GlacialPower GP-AL650AA.

Розглянемо конструкцію блоку живлення, у якій є активний ККП:

  1. Плата керування струмовим захистом;
  2. Дросель, що виконує роль як фільтра напруг +12В и +5В, так і функцію групової стабілізації;
  3. Дросель фільтра напруги +3,3В;
  4. Радіатор, на якому розміщені випрямні діоди вихідних напруг;
  5. Трансформатор головного перетворювача;
  6. Трансформатор, що керує ключами головного перетворювача;
  7. Трансформатор допоміжного перетворювача (формуючий чергову напругу);
  8. Плата контролера корекції коефіцієнта потужності;
  9. Радіатор, що охолоджує діодний міст і ключі головного перетворювача;
  10. Фільтри мережної напруги від перешкод;
  11. Дросель коректора коефіцієнта потужності;
  12. Конденсатор фільтра мережної напруги.


Социальные комментарии Cackle
Пошук на сайті
Поштова розсилка
top10

vote

Голосування