|
Блоки питания (БП) для системных модулей IBM PC XT/AT
Скачать книгу |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ОписаниеА. В. Головков, В. Б, Любицкий БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT «ЛАД и Н» Москва 1995 2 ОБЩАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ БЛОКОВ ПИТАНИЯ Блоки питания (БП) для системных модулей IBM PC XT/AT предназначены для преобразования входного переменного напряжения сети в выходные постоянные напряжения, обеспечивающие работу всех узлов и блоков компьютера. Основной функцией источника электропитания является обеспечение стабильного заданного выходного напряжения при изменении я широких пределах входного напряжения, выходного тока и рабочей температуры. Степень, с которой источник электропитания обеспечивает стабильность выходного напряжения в вышеприведенных условиях, является основным показателем качества источника. БП системных модулей вырабатывают напряжения +5В, -5В, +12В, -12В, сигнал POWER GOOD (PG) и, как правило, имеют выходную мощность 150 или 200 Вт. Примерное распределение потребляемой мощности между отдельными компонентами компьютера выглядит следующим образом, Вт: плата видеоадаптера 5 контроллер дисководов 8 и игровых портов в различных сочетаниях 4 плата модема 4 плата контроллера стримера 15 плата расширения памяти (2 Мб) 20 системная плата 35 "винчестер" на 40 Мб 15 НГМД 10 клавиатура. 2 Наиболее токонагруженным является канал выработки напряжения +5В (максимальный ток в нагрузке примерно 15Адля 150-ваттного БП и 20А для 200-ваттного БП), затем - канал выработки напряжения +12В (максимальный ток в нагрузке достигает 5,5А для 150-ваттного БП и 8А для 200-ваттного БП ), затем - каналы выработки -5В и -12В (токи в нагрузке - по 0,5А). Таблица 1. Максимальное токопотребление типовым ИБП ПЭВМ от первичной сети переменного тока
Примечание. Минимальный и максимальный токи нагрузки соответствуют границам диапазона работы схемы стабилизации выходных напряжении БП. Сигнал PG имеет активный низкий уровень с момента включения БП и запрещает работу процессора до тех пор, пока выходные напряжения БП не достигнут номинального уровня, после чего сигнал PG становится высокого уровня и процессор запускается. При выключении БП из сети PG становится активного низкого уровня и инициализирует сигнал системного сброса RESET, прежде чем исчезнет питание +5 В цифровой части системного модуля. Этим предотвращаются сбои в работе цифровой части системного модуля, поведение которой при заниженном питании становится непредсказуемым (ложная запись в память и т.д.). В процессе работы компьютера, когда БП работает в номинальном режиме, PG имеет высокий уровень и не влияет на работу процессора. Многие БП мощностью менее 180 Вт, предназначенные для компьютеров класса XT, не формируют сигнала PG, и поэтому не совместимы с ком- пьютерами класса AT. Как правило, на задней стенке БП имеется переключатель номинала сетевого напряжения 230В/115В. Внимание: необходимо следить за соответствием положения данного переключателя и напряжения сети, в противном случае БП выйдет из строя! Следует отметить, что в разных странах в качестве стандартных приняты различные значения питающих напряжений: 110В- в Ливане: 115В — в Тайване, Кубе, Колумбии; 120В - в США, Канаде, Никарагуа; 127В - в Алжире, Италии, Испании; 220В - в большинстве стран Европы, СНГ; 230В - в Индии, Норвегии; 240В - в Великобритании, Австралии. 3 Однако эти отличия являются несущественными для ИБП, т.к. находятся в его рабочем диапазоне допусков на напряжение питающей сети. Питающее напряжение сети обозначается на зарубежных схемах как, например, 220V АС. Сокращение AC (Alternating Current) применяется для обозначения напряжения переменного тока. Сокращение DC (Direct Current) применяется для обозначения напряжений постоянного тока, например, 5VDC. Выходные напряжения БП подаются ко всем узлам и блокам компьютера с помощью разноцветных проводов, собранных в жгуты. Количество выходных разъемов всегда одно и то же: четыре четырехконтактных и два шестиконтактных (изредка эти два шестиконтактных разъема объединены в один двенадцатиконтактный разъем). Шестиконтактные разъемы подсоединяются на системную плату, а четырехконтактные - на дисководы и накопители НГМД, НЖМД. По цвету провода можно определить, какое напряжение подается с его помощью на соответствующий контакт выходного разъема: красный............................ +5В ± 0,1В желтый............................ +12В ± 0,6В белый.............................. -5В ± 0,1В синий................................. -12В ± 0,6В оранжевый...................... PG черный............................ "корпус" Внимание: изредка встречаются отступления от стандартной цветовой маркировки! Все четырехконтактные разъемы имеют одинаковую цоколевку (рис.1), поэтому подключение их не вызывает затруднений. В ответной части для этих разъемов имеется "ключ", поэтому подключить разъем неправильно невозможно. С шестиконтактными разъемами ситуация иная. Сами разъемы одинаковые, а цоколевка у них разная. Это единственное место, где возможна ошибка при подключении. К сожалению, "ключ" на ответной части к этим разъемам позволяет установить их наоборот, т.е. поменять местами. С целью избежания такой ошибки в некоторых вариантах блоков два шестиконтактных разъема объединяются в один двенадцатиконтактный.
+12В (желтый) ОБЩ. (черный) ОБЩ. (черный) +5В (красный) Рис. 1. Четырехконтактный стандартный выходной разъем ИБП (розетка) и его цоколевка. Внимание: правильной является такая установка шестиконтактных разъемов, когда черные ("корпусные") провода обоих разъемов оказываются рядом (рис. 2).
^^ Л Л Л л .-^
II и Рис. 2. Правильная установка шестиконтактных выходных разъемов ИБП на системную плату и их цоколевка. 4 ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ БП Эти характеристики приводятся в сопроводительной документации на БП. Наиболее полно они представлены в инструкциях по эксплуатации (Operating Instruction Manual), предназначенных для специальных сервисных служб по ремонту и обслуживанию. Наиболее важные из характеристик, но в гораздо меньшем объеме, приводятся в рекламных проспектах и инструкциях для пользователя, приобретающего компьютер, укомплектованный данным типом блока. Такого рода документация известна под общим названием "Руководство для пользователя" (Users Manual). И, наконец, самые важные характеристики могут быть указаны в виде цветных табличек (Labels), наклеенных на металлический корпус блока. На них приводятся минимально необходимые технические характеристики для исключения ошибок при установке БП. Кроме того, поскольку к БП предъявляются жесткие требования в части электромагнитной совместимости, то в паспортных данных обязательно имеется ссылка на выполнение БП в соответствии со специальным стандартом на этот параметр. В данном руководстве такая ссылка имеется: блок сконструирован в соответствии с национальными стандартами BS800, VDE0871, СЕЕ15. Отдельным пунктом указывается о совместимости данного блока с IBM PC AT. Кроме перечисленных могут приводиться и другие характеристики. Например, в рекламном проспекте на БП PSQ-1-200 приводятся такие характеристики как: акустический шум (не более 38 dB), уровень радиопомех ( 54dB max в диапазоне частот 0,15-5 MHz и 48dB max в диапазоне 5-30 MHz). ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ (ИБП) БП для компьютеров строятся по бестрансформаторной схеме подключения к питающей сети и представляют собой импульсные БП, которые характеризуются высоким 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 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 недо-напряжения. 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: одно-тактные и двухтактные. Таблица 3. Технические характеристики на БП SMPS 5624 (приведенные в сервисной документации)
F RTH , пп -ЁЭ фильтр ^ цепь обратной связи Рис.3. Обобщенная структурная схема однотактного ИБП с бестрансформаторн ым 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 = +31 OB. Этим напряжением за-питывается 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 против- ном 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. D1
Rh —1----- а— б) — я- 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. 06-ратноходовой 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 ди- Содержание Общая часть Основные параметры блоков питания.............................................................................................. 2 Основные технические характеристики импульсных БП................................................................... 4 Принцип построения импульсных блоков питания (ИБП)................................................................... 4 Конструктивное оформление ИБП.................................................................................................... 9 Схемотехника................................................................................................................................. 9 Схемотехнические решения основных узлов ИБП на основе схемы управления типа TL494........................................................................................ 9 Входные цепи............................................................................................................................ 10 Управляющая микросхема........................................................................................................ 14 Схема пуска.............................................................................................................................. 18 Согласующий каскад................................................................................................................ 20 Силовой каскад......................................................................................................................... 24 Выходные цепи......................................................................................................................... 28 Стабилизация выходных напряжений ИБП............................................................................... 31 Схемы защиты.......................................................................................................................... 37 Схема "медленного пуска"........................................................................................................ 51 Схема выработки сигнала PG (Power Good)............................................................................. 53 Пример построения одного из блоков питания.............................................................................. 57 Помехообразование................................................................................................................... 63 Схемные и конструктивные меры борьбы с помехообразованием............................................... 63 Борьба с уровнем помехообразования в схемах ИБП.................................................................. 63 В ентилятор.................................................................................................................................. 66 Техника безопасности Правила и меры безопасности при ремонте БП............................................................................. 70 Диагностика и ремонт Особенности ремонта ИБП....................................................................................................... 74 Элементная база ИБП и способы ее диагностики.......................................................................... 74 Резисторы..................................................................................................................................... 74 Конденсаторы............................................................................................................................... 76 Трансформаторы и дроссели........................................................................................................ 78 Диоды........................................................................................................................................... 79 Транзисторы................................................................................................................................. 80 Интегральные стабилизаторы...................................................................................................... 81 Некоторые ключевые моменты, которые необходимо учитывать при поиске неисправностей ИБП IBM PC........................................................................................ 82 Ремонт вентиляторов..................................................................................................................... 84 Приложения Перечень некоторых взаимозаменяемых элементов в блоках питания IBM PC.......... 86 Параметры наиболее распространенных силовых транзисторов, применяемых в двухтактных схемах ИБП зарубежного производства.................................................................. 87 Параметры наиболее распространенных маломощных транзисторов, применяемых в двухтактных схемах ИБП зарубежного производства........................................... 87 Назначение выводов и основные электрические характеристики управляющей микросхемы TL494................................................................................................... 88 Условные обозначения полупроводниковых приборов зарубежного производства.... 88 Литература...................................................................................... 90 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
-220В 50Гц ^
+
&