Импульсные блоки питания для IBM PC

/W

– коэффициент трансформации силового трансформатора TV1.

Для обеспечения постоянного тока базы транзистора в течение всей длительности импульса переключающий трансформатор изготавливается на магнитопроводе с малым током намагничивания, а в базовые цепи включаются токоограничивающие резисторы Rб. Мощность переключающего трансформатора определяется максимальным током базы транзистора и напряжением на его вторичных (базовых) обмотках.

Реализация двухтактных автогенераторных схем предъявляет определенные требования к параметрам применяемых силовых транзисторов. Транзисторы должны быть однотипными и с максимально близкими параметрами. Так, большое различие коэффициентов передачи тока эмиттера h

у транзисторов VT1 и VT2 может вызвать значительную асимметрию длительностей полупериодов импульсного переменного напряжения и подмагничивание выходного трансформатора TV1. Если сердечник трансформатора имеет прямоугольную петлю гистерезиса, то он постепенно перейдет в состояние насыщения. Во время коммутации тока на транзисторе с большим коэффициентом усиления будет наблюдаться всплеск коллекторного тока. На таком транзисторе будет рассеиваться больше тепловой энергии, чем на втором.

Во избежание насыщения сердечника магнитопровода выходного трансформатора TV1, он должен выполняться из материала с непрямоугольной петлей гистерезиса. Дополнительное симметрирование работы транзисторного каскада можно произвести подстройкой номиналов базовых резисторов Rб.

Заканчивая рассмотрение автогенераторных преобразователей напряжения, следует уделить внимание достоинствам и недостаткам их применения.

К неоспоримым достоинствам, представленных одно– и двухтактных схем можно отнести их относительную простоту и небольшое количество элементов для реализации силовой части. Применение таких схем рекомендуется в устройствах с потребляемой мощностью 30–40 Вт.

В заключение приведем наиболее существенные недостатки описанных выше вариантов автогенераторных высокочастотных преобразователей напряжения, ограничивающие их применение. К ним относятся:

• сложность получения симметричной формы импульсного сигнала и как следствие подмагничивание силового трансформатора, что ограничивает выходную мощность преобразователя;

• необходимость использования транзисторов с большим запасом по максимальным току и напряжению из-за возможных скачков тока и напряжения во время коммутационных процессов;

• помехи, возникающие во время коммутационных процессов, требуют тщательной дополнительной фильтрации, что может ограничивать их применение при работе с аналоговыми цепями;

• большая зависимость частоты автогенерации от параметров элементов схемы, первичного напряжения питания и температуры;

• возможная нестабильность работы при изменении нагрузки и критичность к параметрам цепи фильтрации вторичного напряжения (более подробное описание приведено в примере преобразователя с насыщающимся трансформатором);

• невозможность удовлетворительной регулировки уровня напряжения вторичной цепи прямым воздействием на автогенераторный каскад. Необходимость установки стабилизаторов во вторичной цепи и в этом случае существенное снижение КПД;

• трудность тестирования силового каскада преобразователя при проведении ремонтных работ.

Последний фактор имеет немаловажное значение. Режимы автогенератора рассчитываются с учетом реальных условий его функционирования и жестко от них зависят. Оценка и анализ отказа, особенно связанного с силовым каскадом, может проводиться только при отключенном напряжении питания. Безопасное включение сетевого преобразователя (с первичным питанием от 220 В) на пониженное напряжение в «щадящем» режиме для тестирования может оказаться бессмысленным, так как условия самовозбуждения не будут выполнены и преобразователь не запустится. Если произведенная замена неисправных элементов окажется неправильной или неполной, может произойти повторный отказ, и в результате выйдут из строя новые элементы. Ремонт таких источников требует особого внимания, предварительной подготовки и тщательного всестороннего анализа возникшей проблемы.

Перечисленные недостатки описанных выше преобразователей накладывают серьезные ограничения на их применение. В настоящее время более широко используются источники питания, структурная схема которых соответствует приведенной на рис. 1.2. Такие источники питания частично лишены недостатков, свойственных автогенераторным преобразователям. Они выгодно отличаются существенно большей экономичностью, предсказуемостью параметров, удобнее при проведении ремонтных и диагностических работ (эти вопросы будут подробно рассмотрены при описании методов поиска неисправностей в реальных схемах).

В значительной степени сложность и экономичность схемы источника питания зависит от выбранного способа управления силовым каскадом и методов стабилизации вторичных напряжений. Рассмотрим несколько возможных вариантов решения этих проблем.

1.2.2. Методы стабилизации напряжения в импульсных преобразователях напряжения

Как отмечалось выше, одним из основных преимуществ ИБП является возможность преобразования первичной электрической энергии с более высоким КПД по сравнению с обычными трансформаторными источниками питания. Чаще всего это достигается за счет стабилизации выходного напряжения воздействием на процесс функционирования силового усилительного каскада преобразователя напряжения. Только в многоканальных ИБП с различными нагрузочными возможностями каналов при необходимости применяются дополнительные линейные или импульсные стабилизаторы вторичного напряжения.

Для стабилизации величины выходного напряжения используются методы регулирования количества энергии, поступающей во вторичную цепь. Основными среди них являются: ШИМ, ЧИМ и релейная стабилизация напряжения. Эти методы отличаются способами воздействия на силовой (усилительный) каскад высокочастотного преобразователя, активные элементы которого работают в ключевом режиме. Как правило, система управления выполняется на маломощных компонентах, представляющих собой комбинацию аналоговых и цифровых элементов. Согласно рис. 1.2 узел регулирования состоит из:

• измерительной цепи, определяющей отклонение реальной величины напряжения нагрузки от номинального значения;

• схемы управления – формирователя конечной формы ВЧ сигнала, непосредственно воздействующего на силовые элементы преобразователя. В состав этого узла включены элементы, которые согласуют уровни сигналов и нагрузочную способность каскадов;

• задающего генератора – маломощная схема формирования колебаний с базовыми характеристиками, которые подвергаются изменениям в схеме управления.

Принцип действия ШИМ стабилизации заключается в изменении длительности импульсов, усиливаемых силовым каскадом, без коррекции собственно частоты колебаний и их амплитуды. Длительность импульсов, формируемых схемой управления, должна быть обратно пропорциональна величине напряжения на нагрузке. Процесс стабилизации вторичного напряжения с помощью ШИМ представлен на рис. 1.11а. Кривая U

отражает изменение напряжения на нагрузке при отсутствии стабилизации. Характер изменения длительности импульсов в зависимости от U

показан на графике U

, временная шкала содержит отметки кратные Т – условному периоду следования импульсов.

В отличие от предыдущего способа, ЧИМ стабилизация характеризуется модификацией частоты управляющего сигнала при постоянной длительности импульсов. На качественной диаграмме отработки частотным модулятором изменения напряжения U

, приведенной на рис. 1.11 б, показано изменение частоты импульсов, обратно пропорциональное значению U

.

Рис. 1.11. Графическая иллюстрация работы стабилизаторов вторичного напряжения: а – с ШИМ, б – с ЧИМ, в – релейная стабилизация

В релейной системе стабилизации цепи управления отслеживают изменения напряжения на нагрузке и, когда его значение выходит за пределы допустимой зоны стабилизации, производится формирование импульсов, при воздействии которых и происходит «подкачка» энергии в цепь нагрузки. На рис. 1.11в изменением управляющего импульсного сигнала U

изображено регулирование уровня напряжения на нагрузке U

. Уровнями U

и U

задан диапазон, в рамках которого должно находиться U

. Генерация импульса начинается в момент понижения U

ниже уровня U

, а прекращается при его возрастании более установленного U

. Как видно из рисунка, частота следования импульсов и их длительность варьируется в широких пределах и определяется свойствами нагрузки.

Диаграммы показывают качественную сторону регулирования и не отражают реальную картину процессов с учетом задержек срабатывания схем и погрешностей измерений.

Способ ШИМ стабилизации, несмотря на некоторое схемотехническое усложнения узла по сравнению с двумя другими методами, нашел наиболее широкое применение на практике. Поэтому этот метод стабилизации вторичного напряжения будет рассмотрен наиболее подробно. ШИМ регуляторы имеют следующие преимущества:

• обеспечение высокого КПД и поддержание основной частоты преобразования независимо от изменения напряжения первичного питания и величины нагрузки. При этом частота пульсаций на нагрузке имеет постоянное значение, что важно при проектировании и использовании фильтров с расчетными характеристиками и может быть критичным для нагрузок с различным характером входного сопротивления;

• возможность применения цепей синхронизации частоты с внешним задающим генератором, обладающим заданными параметрами.

Все магнитопроводы имеют определенные ограничения по частотным характеристикам, поэтому стабильность частоты ШИМ преобразователя позволяет наиболее правильно выбирать материал сердечника для них и эффективно использовать их возможности.

Структурная схема ШИМ регулятора и его подключение к каскадам ПН представлена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Структурная схема ШИМ регулятора

Напряжение на нагрузке в общем случае может быть произвольным, и поэтому устройство сравнения подключается к ней через делитель напряжения. Кроме того, предполагается, что напряжение на нагрузке находится в пределах, определяемых диапазоном регулировки, и во время работы в ней не возникает нештатной ситуации (короткое замыкание и т. п.). Устройство сравнения вырабатывает сигнал рассогласования, знак которого определяется соотношением сравниваемых входных сигналов – опорного напряжения и напряжения с выхода делителя напряжения. После необходимого усиления сигнал рассогласования U