Супер подробный анализ знаний по импульсному источнику питания, суперорганизовано!

Рис. 1. Схема стандартного линейного источника питания

Рисунок 2: Форма сигнала линейного источника питания

Хотя линейный источник питания очень подходит для питания маломощных устройств, таких как беспроводные телефоны, PlayStation/Wii/Xbox и другие игровые консоли, для мощных устройств линейного источника питания будет недостаточно.

Для линейного источника питания размер его внутренней емкости и трансформатора обратно пропорционален частоте сети переменного тока: то есть, если частота входной сети ниже, для линейного источника питания необходимы более крупные емкость и трансформатор, и наоборот. В настоящее время всегда используется сеть переменного тока с частотой 60 Гц (50 Гц в некоторых странах), что является относительно низкой частотой, поэтому размеры ее трансформатора и конденсатора часто относительно велики. Кроме того, чем больше скачок напряжения в сети переменного тока, тем больше трансформатор линейного источника питания.

Поэтому для области персональных ПК изготовление линейного блока питания будет сумасшедшим шагом, поскольку его объем будет очень большим, а вес — очень тяжелым. Таким образом, пользователи персональных компьютеров не подходят для совместного использования линейного источника питания.

● Насколько хорошо вы знаете об импульсном источнике питания?

Импульсный источник питания может хорошо решить эту проблему за счет высокочастотного режима переключения. Для высокочастотного импульсного источника питания входное напряжение переменного тока может быть повышено перед входом в трансформатор (обычно на 50-60 кГц перед повышением).С увеличением входного напряжения размер таких компонентов, как трансформаторы и конденсаторы, не обязательно должен быть таким большим, как у линейного источника питания.

Этот высокочастотный импульсный источник питания — именно то, что нужно нашему персональному компьютеру и такому оборудованию, как видеомагнитофон.Следует отметить, что то, что мы часто называем «импульсным блоком питания», на самом деле является аббревиатурой от «высокочастотный импульсный источник питания», не имеющий никакого отношения к выключению и включению самого блока питания.Фактически, источник питания ПК конечного пользователя использует более оптимизированную схему: система с замкнутым контуром — схема, отвечающая за управление переключающей трубкой, получение сигнала обратной связи с выхода источника питания, а затем увеличение или уменьшение частоты напряжение в определенный период в зависимости от потребляемой мощности ПК, чтобы адаптироваться к трансформатору источника питания (этот метод называется ШИМ, широтно-импульсной модуляцией, широтно-импульсной модуляцией).Таким образом, импульсный источник питания может самостоятельно регулироваться в соответствии с потребляемой мощностью подключенного энергопотребляющего оборудования, чтобы трансформатор и другие компоненты могли отбирать меньше энергии и снижать теплотворную способность.

С другой стороны, концепция линейного источника питания заключается в том, что мощность имеет первостепенное значение, даже если цепь нагрузки не требует большого тока. Следствием этого является то, что все компоненты работают с полной нагрузкой, даже когда в этом нет необходимости, что приводит к гораздо более сильному нагреву.

Рисунок 4. Источник питания со схемой PFC.

Сравнивая рисунок 3 с рисунком 4, мы видим разницу между ними: на одном есть активная схема PFC, а на другом нет. В первом нет преобразователя 110/220 В и схемы удвоения напряжения. Далее основное внимание будет уделено объяснению источника питания с активной коррекцией коэффициента мощности.Чтобы читатели могли лучше понять принцип работы блока питания, выше приведена очень простая схема, которая не включает в себя другие дополнительные схемы, такие как защита от короткого замыкания, схема режима ожидания и генератор сигналов PG. Конечно, если вы хотите узнать более подробную схему, посмотрите рисунок 5. Не беда, если вы этого не понимаете, потому что эта картинка изначально предназначена для профессиональных проектировщиков электроэнергетики.

Рис. 5. Типичная конструктивная схема блока питания ATX бюджетного класса (изображение может быть нечетким, поэтому предлагаю вытащить его и посмотреть)

Вы можете спросить, а почему в схеме рисунка 5 нет схемы выпрямления напряжения? Фактически схема ШИМ уже взяла на себя работу по выпрямлению напряжения. Входное напряжение будет снова скорректировано перед прохождением через трубку переключателя, и напряжение, поступающее в трансформатор, станет прямоугольной волной. Следовательно, форма выходного сигнала трансформатора также представляет собой прямоугольную, а не синусоидальную волну. В это время форма сигнала имеет прямоугольную форму, поэтому напряжение можно легко преобразовать в напряжение постоянного тока с помощью трансформатора.

То есть после повторной калибровки напряжения трансформатором выходное напряжение становится напряжением постоянного тока. Именно поэтому импульсный источник питания часто называют преобразователем постоянного тока.Петля схемы управления ШИМ отвечает за все необходимые функции регулирования. Если выходное напряжение неправильное, схема управления ШИМ изменит управляющий сигнал рабочего цикла, чтобы адаптироваться к трансформатору, и, наконец, скорректирует выходное напряжение. Это часто происходит, когда энергопотребление ПК увеличивается, а выходное напряжение имеет тенденцию к снижению, или когда энергопотребление ПК снижается, выходное напряжение имеет тенденцию к увеличению.При просмотре следующей страницы нам необходимо знать следующую информацию:

★ Все цепи и модули до трансформатора называются «первичной стороной», а все цепи и модули после трансформатора называются «вторичной стороной»;

★ Блок питания с активной коррекцией коэффициента мощности не имеет преобразователя 110 В/220 В и удвоителя напряжения;★ Для источника питания без схемы PFC, если для параметра 110 В/220 В установлено значение 110 В, прежде чем ток попадет в выпрямительный мост, сам источник питания будет использовать удвоитель напряжения для повышения напряжения 110 В примерно до 220 В;

★ Переключающая трубка блока питания ПК состоит из пары силовых МОП-транзисторов. Конечно, существуют и другие комбинации, которые мы подробно объясним позже;

★ Требуемая форма сигнала трансформатора — прямоугольная, поэтому форма сигнала напряжения после прохождения через трансформатор — прямоугольная, а не синусоидальная;

★ Ток управления ШИМ часто представляет собой интегральную схему, обычно изолированную от первичной обмотки небольшим трансформатором, но иногда она может быть изолирована от первичной обмотки с помощью соединительной микросхемы (небольшая микросхема со светодиодом и фототранзистором);

★Цепь управления ШИМ контролирует закрытие трубки переключателя источника питания в соответствии с выходной нагрузкой источника питания. Если выходное напряжение слишком высокое или слишком низкое, схема управления ШИМ изменит форму сигнала напряжения, чтобы адаптироваться к переключающей трубке, чтобы достичь цели коррекции положительного выходного напряжения;

На следующей странице мы изучим каждый модуль и схему блока питания через картинки, а также наглядно расскажем, где их найти в блоке питания через физические картинки.

Отличить первичную сторону от вторичной.

Выше мы примерно представили каждый модуль внутри блока питания с макроэкономической точки зрения. Давайте уточним и обратимся к теме компонентов каждого модуля питания...

04
Анализ схемы переходного фильтра

После подключения к импульсному источнику питания ПК коммерческое питание сначала поступает в схему переходной фильтрации, которую обычно называют схемой электромагнитных помех. На следующем рисунке изображена принципиальная схема «рекомендуемой» схемы переходного фильтра источника питания ПК.

Принципиальная схема цепи переходного фильтра

Почему мы должны подчеркивать, что это «рекомендуется»? Потому что во многих блоках питания, представленных на рынке, особенно в блоках питания бюджетного класса, некоторые компоненты на рисунке 8 часто отсутствуют. Таким образом, вы можете судить о качестве вашего источника питания, проверив, не произошло ли сокращение цепи электромагнитных помех.

Основным компонентом схемы электромагнитных помех является MOV (металлооксидный варистор) или варистор (RV1 на рисунке 8), который отвечает за подавление пиков переходных процессов в промышленном питании. Элемент MOV также используется в ограничителях перенапряжения. Однако многие недорогие источники питания часто отключают важные компоненты MOV в целях экономии средств. Для блока питания, оснащенного MOV-элементами, не важно, есть ли ограничитель перенапряжения или нет, поскольку блок питания уже имеет функцию подавления перенапряжения.

L1 и L2 на рис. 8 — ферритовые катушки; C1 и C2 — дисковые конденсаторы, обычно синие, и эти конденсаторы обычно называются конденсаторами «Y»; C3 представляет собой металлизированный полиэфирный конденсатор, обычно емкостью 100 нФ, 470 нФ или 680 нФ, также называемый конденсатором «X»; Некоторые источники питания оснащены двумя конденсаторами X, которые подключаются параллельно сети, как показано на рисунке 8 RV1.

Конденсатором X может быть любой конденсатор, подключенный параллельно сети; Конденсаторы Y обычно соединяются парами, которые необходимо соединить последовательно между огнём и нулем, а средние точки двух конденсаторов должны быть заземлены через шасси. То есть они подключаются параллельно с сетью.

Схема переходного фильтра может не только фильтровать коммерческую мощность, но также предотвращать помехи, создаваемые переключающей трубкой, другим электронным устройствам, подключенным к той же коммерческой мощности.

Давайте рассмотрим несколько практических примеров. Как показано на рисунке 9, видите ли вы какие-нибудь странные вещи? Этот источник питания не имеет схемы переходного фильтра! Это дешевый «дачный» блок питания. Обратите внимание, посмотрите на маркировку на плате. Схема переходного фильтра должна была быть там, но ее вывел на рынок бессердечный Дж.С.

Этот дешевый «коттеджный» блок питания не имеет схемы переходного фильтра.

Как показано на рисунке 10, это источник питания низкого уровня со схемой переходного фильтра, но, как мы видим, в схеме переходного фильтра этого источника питания отсутствует важный MOV-варистор и имеется только ферритовая катушка; Однако этот источник питания оснащен дополнительным конденсатором X.

Схема электромагнитных помех низкочастотного источника питания

Схемы переходных фильтров делятся на первичные и вторичные ЭМП. Первичные электромагнитные помехи многих источников питания часто размещаются на независимой печатной плате рядом с интерфейсом сети, тогда как вторичные электромагнитные помехи размещаются на основной плате блока питания, как показано на следующих рисунках 11 и 12.Класс I EMI оснащен конденсатором X и ферритовым индуктором.

Посмотрите на вторичные электромагнитные помехи этого источника питания. Здесь мы видим варистор MOV, хотя его расположение немного странное, за вторым ферритом. В целом следует сказать, что схема EMI этого блока питания очень полная.

Полная вторичная ЭМИ

Стоит отметить, что варистор MOV вышеуказанного блока питания имеет желтый цвет, но на самом деле большинство MOV имеют темно-синий цвет.

Кроме того, схема переходного фильтра этого источника питания оснащена предохранителем (показан как F1 на рисунке 8). Следует отметить, что если вы обнаружите, что предохранитель в трубке предохранителя перегорел, то можно быть уверенным, что один или несколько компонентов внутри блока питания неисправны. Заменять предохранитель в это время бесполезно, и он, вероятно, снова перегорит после включения.

05

Удвоитель напряжения и схема первичного выпрямления

● Удвоитель напряжения и схема первичного выпрямления.

Как упоминалось выше, импульсный источник питания в основном включает в себя источник питания с активной коррекцией коэффициента мощности и источник питания с пассивной коррекцией коэффициента мощности. Последний не имеет схемы PFC, но оснащен удвоителем напряжения. В удвоителе напряжения используются два огромных электролитических конденсатора, то есть, если вы видите два больших конденсатора внутри блока питания, то в принципе можно судить, что это удвоитель напряжения блока питания. Как мы упоминали ранее, удвоитель напряжения подходит только для территорий с напряжением 127 В.

Удвоитель напряжения, состоящий из двух огромных электролитических конденсаторов.

Сними его и посмотри

Выпрямительный мост можно увидеть на одной стороне удвоителя напряжения. Выпрямительный мост может состоять из четырех диодов или одного компонента, как показано на рисунке 15. Выпрямительный мост высокопроизводительного блока питания обычно размещается на специальном радиаторе.

выпрямительный мост

В первичной части обычно находится термистор NTC, который может изменять значение сопротивления в зависимости от изменения температуры. Термистор NTC — это аббревиатура отрицательного температурного коэффициента. Его функция заключается в основном в повторном согласовании источника питания при очень низкой или очень высокой температуре, что похоже на керамический дисковый конденсатор, обычно оливковый.

06Активная схема PFC

● Активная схема PFC.Несомненно, такую схему можно увидеть только в блоках питания, оснащенных активной схемой PFC.

На рисунке 16 показана типичная схема PFC:

Схема активной коррекции коэффициента мощности

В схеме активной коррекции коэффициента мощности обычно используются два силовых MOSFET-переключателя. Эти переключающие трубки обычно размещаются на радиаторе первичной обмотки. Для простоты понимания мы пометили каждую трубку переключателя MOSFET буквами: S означает источник, D означает сток и G означает затвор.

Диод PFC — это силовой диод, в котором обычно используется та же технология упаковки, что и в силовом транзисторе. Они схожи по длине и также размещены на радиаторе первичной обмотки, но диод PFC имеет только два контакта.

Индуктивность в цепи PFC является наибольшей индуктивностью в источнике питания; Конденсатор фильтра на первичной стороне является самым большим электролитическим конденсатором на первичной стороне источника питания с активной коррекцией коэффициента мощности. Резистор на рис. 16 представляет собой термистор NTC, который может изменять значение сопротивления при изменении температуры и имеет ту же функцию, что и термистор NTC вторичной электромагнитной совместимости.Схема управления активной PFC обычно основана на интегральной схеме IC, а иногда эта интегральная схема также отвечает за управление схемой ШИМ (используется для управления закрытием трубки переключателя). Этот тип интегральной схемы обычно называют «комбинацией PFC/PWM».

Как обычно, сначала посмотрите несколько примеров. На рисунке 17 мы можем лучше рассмотреть компоненты после удаления радиатора на первичной стороне. Это вторичная цепь электромагнитных помех схемы переходного фильтра слева, которая была подробно описана выше; Посмотрите на левую сторону: все они являются компонентами активной схемы PFC.

Поскольку мы удалили радиатор, транзистор PFC и диод PFC на изображении не видны. Кроме того, если обратить немного внимания, то можно увидеть, что между выпрямительным мостом и активной схемой PFC имеется конденсатор X (коричневый элемент в нижней части радиатора выпрямительного моста). Обычно оливковый термистор, похожий на керамический дисковый конденсатор, покрыт резиной.

Активные компоненты PFC

Рис.18 представляет собой элемент радиатора первичной стороны. Этот блок питания оснащен двумя MOSFET-ключами и силовыми диодами активной схемы PFC:

Переключатель, силовой диод

Далее мы сосредоточимся на трубке переключателя…

07
переключатель трубки

● Переключатель трубкиИмпульсный инвертор блока питания может иметь множество режимов. Мы суммировали следующие ситуации:

Конечно, мы анализируем только то, сколько компонентов необходимо в том или ином режиме. Фактически, инженеры будут ограничены многими факторами при выборе режима.

В настоящее время двумя наиболее популярными режимами являются передняя конструкция с двумя транзисторами и двухтактная конструкция, в обоих из которых используются два выключателя света. Мы уже рассказывали об этих светоизлучающих трубках, расположенных на радиаторе первичной обмотки, на предыдущей странице, поэтому я не буду повторять их здесь.

Вот конструктивные чертежи этих пяти режимов:

（Прямая конфигурация с одним транзистором）

(Двухтранзисторная прямая конфигурация)

（Полумостовая конфигурация）

（Полная конфигурация моста）

（Двухтактная конфигурация）

8,И схема управления ШИМ трансформатора.

● Трансформатор и схема управления ШИМ.

Как мы упоминали ранее, блок питания ПК обычно оснащен тремя трансформаторами: самым большим является главный трансформатор, отмеченный на предыдущих рисунках 3, 4 и 19-23. Его первичная сторона соединена с трубкой переключателя, а вторичная сторона соединена со схемой выпрямителя и схемой фильтра, которые могут обеспечивать выход постоянного тока низкого напряжения (+12 В, + 5 В, + 3.3 В, -12 В, -5 В) источник питания.

Самый маленький трансформатор имеет выходную нагрузку +5VSB, которая обычно становится резервным трансформатором и всегда находится в «режиме ожидания», поскольку эта часть выхода всегда включена, даже когда питание ПК отключено.Третий трансформатор представляет собой изолятор, который соединяет схему управления ШИМ с трубкой переключателя. Не все источники питания будут оснащены этим трансформатором, поскольку некоторые источники питания часто оснащены интегральными схемами оптронов с той же функцией.

трансформатор

В этом блоке питания вместо трансформатора используется интегральная схема оптопары.

Схема управления ШИМ основана на интегральной схеме. Как правило, источник питания без активной коррекции коэффициента мощности использует интегральную схему TL494 (совместимая интегральная микросхема DBL494 показана на рисунке 26 ниже). В блоке питания с активной схемой PFC иногда используется микросхема, заменяющая микросхему ШИМ и схему управления PFC. Чип CM6800 является хорошим примером, который может интегрировать все функции чипа ШИМ и схемы управления PFC.

Схема управления ШИМ

08Вторичная сторона (1)

● Вторичная сторона

Наконец, представлена вторичная сторона. На вторичной стороне выход главного трансформатора будет выпрямлен и отфильтрован, а затем на выходе будет напряжение, необходимое ПК. Выпрямление -5 В и –-12 В можно осуществить только обычными диодами, поскольку им не нужна большая мощность и большой ток.

Однако задачи выпрямления положительных напряжений, таких как +3.3 В, +5 В и +12 В, требуют использования мощного выпрямительного моста Шоттки. Этот Шоттки имеет три контакта, которые внешне похожи на силовые диоды, но внутри них встроены два мощных диода. Возможность завершения выпрямления вторичной стороны определяется структурой силовой цепи. Как правило, может быть два типа структур схемы выпрямления, как показано на рисунке 27:

Режим исправления

Режим A будет чаще использоваться в недорогих источниках питания начального уровня. Для этого режима требуется три контакта от трансформатора. Режим B в основном используется в источниках питания высокого класса. Как правило, этот режим должен быть оснащен только двумя трансформаторами, но индуктивность феррита должна быть достаточно большой, поэтому этот режим стоит дороже, что является основной причиной, по которой низкопроизводительные источники питания не используют этот режим.

Кроме того, для высокопроизводительных источников питания, чтобы улучшить максимальный выходной ток, эти источники питания часто удваивают максимальный выходной ток схемы выпрямителя, соединяя два диода параллельно.

Независимо от того, является ли это источником питания высокого или низкого класса, его выходы +12 В и +5 В оснащены полными схемами выпрямителя и схемами фильтров, поэтому для всех источников питания требуется как минимум два набора схем выпрямителя, как показано на рисунке 27. .

Есть три варианта на выбор для выхода 3.3 В:

☆ Добавьте стабилизатор напряжения 3.3 В в выходную часть +5 В, который используется во многих недорогих источниках питания;

☆ Добавьте полную схему выпрямителя и схему фильтра, как показано на рисунке 27, для выхода 3.3 В, но для этого необходимо использовать общий трансформатор со схемой выпрямителя 5 В. Это распространенная схема проектирования высокопроизводительного блока питания.

☆ Используйте полную и независимую схему выпрямителя 3.3 В и схему фильтра. Такая схема встречается очень редко, и она может появиться только в нескольких источниках питания высшего уровня с уровнем лихорадки, таких как Galaxy 1000W от Annette.

Поскольку выход 3.3 В обычно представляет собой полностью общую схему выпрямителя 5 В (обычно для блоков питания низкого уровня) или частично разделенную (обычно для блоков питания высокого класса), говорят, что выход 3.3 В часто ограничивается выходом 5 В. Вот почему на заводской табличке многих блоков питания должно быть указано «комбинированный выход 3.3 В и 5 В».На рисунке 28 ниже показана вторичная обмотка бюджетного источника питания. Здесь мы видим интегральную схему, отвечающую за генерацию сигналов PG. Обычно интегральная схема LM339 используется для источников питания низкого уровня.

вторичная сторона

Кроме того, мы также можем увидеть некоторые электролитические конденсаторы (размер этих конденсаторов намного меньше, чем у удвоителя напряжения или активной схемы PFC) и катушки индуктивности, которые в основном отвечают за функцию фильтрации.

Чтобы более четко рассмотреть этот источник питания, мы удалили все проволочные провода и катушки фильтра с источника питания, как показано на рисунке 29. Здесь мы видим несколько небольших диодов, которые в основном используются для выпрямления -12 В и –5 В, и ток, проходящий через них, очень мал (данному блоку питания нужно всего 0.5 А). Выходной ток остальных напряжений должен быть не менее 1А, что требует, чтобы за выпрямление отвечал силовой диод.

Выпрямительные диоды для цепей отрицательного напряжения –12 В и –5 В.

10. Вторичная сторона (II)

● Вторичная сторона
(2)На следующем рисунке показаны компоненты вторичного радиатора блока питания низкого уровня:

Компоненты вторичного радиатораСлева направо:

☆ Микросхема регулятора напряжения. Хотя она имеет три контакта и очень похожа на триод, это микросхема. В данном блоке питания используется стабилизатор напряжения 7805 (регулятор напряжения 5В), который отвечает за стабилизацию напряжения +5VSB. Как мы упоминали ранее, +5VSB использует независимую выходную цепь, поскольку ему все равно необходимо подавать выход +5 В на +5VSB, даже когда компьютер выключен. Вот почему выход +5VSB также часто называют «резервным выходом». 805IC может обеспечить максимальный выходной ток 1 А.

☆ Силовой MOSFET-транзистор, в основном отвечающий за выходное напряжение 3.3 В. Модель этого источника питания MOSFET — PHP45N03LT, которая может пропускать максимальный ток 45 А. Как мы упоминали на предыдущей странице, только бюджетные источники питания будут использовать стабилизатор 3.3 В, общий с 5 В.

☆ Силовой выпрямитель Шоттки, образованный объединением двух диодов. Модель Шоттки этого блока питания — STPR1620CT, и каждый диод этого блока питания может выдерживать максимальный ток 8 А (всего 16 А). Этот тип силового выпрямителя Шоттки обычно используется для выходного напряжения 12 В.

☆ Еще один силовой выпрямитель Шоттки. Модель этого блока питания — Е83-004, а максимально допустимый ток — 60А. Этот выпрямитель мощности часто используется для выходов +5 В и +3.3 В. Поскольку выходы +5 В и +3.3 В используют один и тот же выпрямитель, их сумма не может превышать ограничение тока выпрямителя. Это то, что мы часто называем концепцией совместного производства. Другими словами, выходное напряжение 3.3 В происходит от выхода 5 В. В отличие от других выходов, трансформатор не имеет выхода 3.3 В. Такая конструкция часто используется для бюджетных источников питания. Обычно в блоках питания высокого класса используются независимые выходы +3.3 В и +5 В.

Давайте рассмотрим основные компоненты вторичной обмотки высококлассного блока питания:

Компоненты вторичной стороны высококлассного источника питания

Компоненты вторичной стороны высококлассного источника питания

Здесь мы можем увидеть:

Два параллельных выпрямителя Шоттки для выхода 12 В. Бюджетные блоки питания часто имеют только один такой выпрямитель. Такая конструкция естественным образом удваивает максимальный выходной ток выпрямителя. В этом блоке питания используются два выпрямителя Шоттки STPS6045CW, каждый из которых может выдерживать максимальный ток 60 А.

☆ Выпрямитель Шоттки, отвечающий за выходное напряжение 5 В. В этом блоке питания используется выпрямитель STPS60L30CW, который может пропускать максимальный ток 60 А.

☆ Выпрямитель Шоттки, отвечающий за выходное напряжение 3.3 В, что является основным отличием между блоками питания высокого класса и блоками питания низкого уровня (блоки питания младших классов часто не имеют отдельного выхода 3.3 В). В этом блоке питания используется STPS30L30CT Шоттки, который может пропускать максимальный ток 30 А.

☆ Регулятор напряжения схемы защиты электропитания. Это также символ высококачественного источника питания.

Суть в том, что упомянутый выше максимальный выходной ток относится только к одному компоненту. Максимальный выходной ток источника питания на самом деле зависит от качества многих подключенных к нему компонентов, таких как индуктивность катушки, трансформатора, толщина провода, ширина печатной платы и так далее. Мы можем получить теоретическую максимальную мощность блока питания, умножив максимальный ток выпрямителя на выходное напряжение. Например, максимальная выходная мощность блока питания 12 В на последнем рисунке должна составлять 16 А*12 В = 192 Вт.

Отказ от ответственности: эта статья воспроизведена из «Power R&D Elite Circle» в поддержку защиты прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, укажите первоисточник и автора перепечатки. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их.