Линейни и импулсни захранвания
Да започнем с основите. Захранването в компютъра изпълнява три функции. Първо, променливият ток от домакинското захранване трябва да се преобразува в постоянен ток. Втората задача на захранването е да намали напрежението от 110-230 V, което е прекомерно за компютърната електроника, до стандартните стойности, изисквани от преобразувателите на мощност на отделните компютърни компоненти - 12 V, 5 V и 3,3 V (както и отрицателни напрежения, за които ще говорим малко по-късно) . И накрая, захранването играе ролята на стабилизатор на напрежението.
Има два основни вида захранвания, които изпълняват горните функции - линейни и импулсни. Най-простото линейно захранване се основава на трансформатор, върху който напрежението на променливия ток се намалява до необходимата стойност и след това токът се коригира чрез диоден мост.
Захранването обаче е необходимо и за стабилизиране на изходното напрежение, което се причинява както от нестабилност на напрежението в домакинската мрежа, така и от спад на напрежението в отговор на увеличаване на тока в товара.
За да се компенсира падането на напрежението, в линейно захранване параметрите на трансформатора се изчисляват така, че да осигурят излишна мощност. След това при голям ток ще се наблюдава необходимото напрежение в товара. Въпреки това повишеното напрежение, което ще възникне без никакви средства за компенсация при нисък ток в полезния товар, също е неприемливо. Излишното напрежение се елиминира чрез включване на неполезен товар във веригата. В най-простия случай това е резистор или транзистор, свързан чрез ценеров диод. В по-усъвършенствана версия транзисторът се управлява от микросхема с компаратор. Както и да е, излишната мощност просто се разсейва като топлина, което се отразява негативно на ефективността на устройството.
В схемата на импулсното захранване се появява още една променлива, от която зависи изходното напрежение, в допълнение към вече съществуващите две: входно напрежение и съпротивление на натоварване. Има превключвател последователно с товара (който в случая, който ни интересува е транзистор), управляван от микроконтролер в режим на широчинно-импулсна модулация (PWM). Колкото по-голяма е продължителността на отворените състояния на транзистора по отношение на техния период (този параметър се нарича работен цикъл, в руската терминология се използва обратната стойност - работен цикъл), толкова по-високо е изходното напрежение. Поради наличието на превключвател, импулсното захранване се нарича още захранване с импулсен режим (SMPS).
През затворен транзистор не протича ток, а съпротивлението на отворен транзистор в идеалния случай е незначително. В действителност един отворен транзистор има съпротивление и разсейва част от мощността като топлина. Освен това преходът между транзисторните състояния не е съвършено дискретен. И все пак ефективността на източник на импулсен ток може да надхвърли 90%, докато ефективността на линейно захранване със стабилизатор достига в най-добрия случай 50%.
Друго предимство на импулсните захранвания е радикалното намаляване на размера и теглото на трансформатора в сравнение с линейните захранвания със същата мощност. Известно е, че колкото по-висока е честотата на променливия ток в първичната намотка на трансформатора, толкова по-малък е необходимият размер на сърцевината и броят на навивките на намотката. Следователно ключовият транзистор във веригата се поставя не след, а преди трансформатора и освен за стабилизиране на напрежението се използва за производство на високочестотен променлив ток (за компютърни захранвания това е от 30 до 100 kHz и по-високо, и като правило - около 60 kHz). Трансформатор, работещ на захранваща честота от 50-60 Hz, би бил десетки пъти по-масив за мощността, необходима на стандартен компютър.
Линейните захранвания днес се използват главно в случаите на приложения с ниска мощност, където сравнително сложната електроника, необходима за импулсно захранване, представлява по-чувствителен елемент от разходите в сравнение с трансформатора. Това са например 9 V захранвания, които се използват за педали за китарни ефекти и веднъж за игрови конзоли и т.н. Но зарядните устройства за смартфони вече са изцяло импулсни - тук разходите са оправдани. Поради значително по-ниската амплитуда на пулсациите на напрежението на изхода, линейните захранвания се използват и в онези области, където това качество е търсено.
⇡ Обща схема на ATX захранване
Захранването на настолен компютър е импулсно захранване, на входа на което се подава битово напрежение с параметри 110/230 V, 50-60 Hz, а на изхода има множество DC линии, основните от които са номинални 12, 5 и 3,3 V Освен това, захранването осигурява напрежение от -12 V, а понякога и напрежение от -5 V, необходимо за шината ISA. Но последният в някакъв момент беше изключен от стандарта ATX поради края на поддръжката за самия ISA.
В представената по-горе опростена диаграма на стандартно импулсно захранване могат да се разграничат четири основни етапа. В същия ред разглеждаме компонентите на захранващите устройства в прегледите, а именно:
- EMI филтър - електромагнитни смущения (RFI филтър);
- първична верига - входен токоизправител (токоизправител), ключови транзистори (превключвател), създаващи високочестотен променлив ток върху първичната намотка на трансформатора;
- главен трансформатор;
- вторична верига - токоизправители от вторичната намотка на трансформатора (изправители), изглаждащи филтри на изхода (филтриране).
⇡ EMI филтър
Филтърът на входа на захранването се използва за потискане на два вида електромагнитни смущения: диференциални (differential-mode) - когато токът на смущение протича в различни посоки в електропроводите, и общ режим (common-mode) - когато токът тече в една посока.
Диференциалният шум се потиска от кондензатор CX (големият кондензатор с жълт филм на снимката по-горе), свързан паралелно с товара. Понякога към всеки проводник е допълнително прикрепен дросел, който изпълнява същата функция (не е на диаграмата).
Филтърът за общ режим се формира от CY кондензатори (сини капковидни керамични кондензатори на снимката), свързващи захранващите линии към земята в обща точка и т.н. синфазен дросел (LF1 на схемата), токът в двете намотки на който тече в една и съща посока, което създава съпротивление за синфазни смущения.
В евтините модели е инсталиран минимален набор от филтърни части, в по-скъпите, описаните вериги образуват повтарящи се (изцяло или частично) връзки. В миналото не беше необичайно да видите захранващи устройства без никакъв EMI филтър. Сега това е доста любопитно изключение, въпреки че ако купите много евтино захранване, все още можете да се натъкнете на такава изненада. В резултат на това ще пострада не само и не толкова самият компютър, но и друго оборудване, свързано към домакинската мрежа - импулсните захранвания са мощен източник на смущения.
Във филтърната зона на добро захранване можете да намерите няколко части, които предпазват самото устройство или неговия собственик от повреда. Почти винаги има обикновен предпазител за защита от късо съединение (F1 на диаграмата). Обърнете внимание, че когато предпазителят се включи, защитеният обект вече не е захранването. Ако възникне късо съединение, това означава, че ключовите транзистори вече са пробити и е важно поне да предотвратите запалването на електрическото окабеляване. Ако предпазител в захранването внезапно изгори, тогава замяната му с нов най-вероятно е безсмислена.
Предвидена е отделна защита срещу краткосроченпренапрежения с помощта на варистор (MOV - Metal Oxide Varistor). Но няма средства за защита срещу продължително повишаване на напрежението в компютърните захранвания. Тази функция се изпълнява от външни стабилизатори със собствен трансформатор вътре.
Кондензаторът в PFC веригата след токоизправителя може да запази значителен заряд след изключване от захранването. За да се предотврати токов удар от невнимателен човек, който пъхне пръста си в захранващия конектор, между проводниците е монтиран разряден резистор с висока стойност (съпротивление за обезвъздушаване). В по-усъвършенствана версия - заедно с управляваща верига, която предотвратява изтичането на заряд, когато устройството работи.
Между другото, наличието на филтър в компютърното захранване (а захранването на монитора и почти всяко компютърно оборудване също има такъв) означава, че закупуването на отделен „филтър за пренапрежение“ вместо обикновен удължителен кабел е като цяло , безсмислено. Вътре в него всичко е същото. Единственото условие във всеки случай е нормално трипиново окабеляване със заземяване. В противен случай CY кондензаторите, свързани към земята, просто няма да могат да изпълняват функцията си.
⇡ Входен токоизправител
След филтъра променливият ток се преобразува в постоянен с помощта на диоден мост - обикновено под формата на монтаж в общ корпус. Отделен радиатор за охлаждане на моста е добре дошъл. Мост, сглобен от четири дискретни диода, е атрибут на евтини захранвания. Можете също да попитате за какъв ток е проектиран мостът, за да определите дали отговаря на мощността на самото захранване. Въпреки че, като правило, има добър марж за този параметър.
⇡ Активен PFC блок
В променливотокова верига с линеен товар (като крушка с нажежаема жичка или електрическа печка), текущият поток следва същата синусоида като напрежението. Но това не е така при устройства, които имат входен токоизправител, като например импулсни захранвания. Захранването пропуска ток в кратки импулси, приблизително съвпадащи във времето с върховете на синусоидата на напрежението (т.е. максималното моментно напрежение), когато изглаждащият кондензатор на токоизправителя се зарежда.
Изкривеният токов сигнал се разлага на няколко хармонични трептения в сумата от синусоида с дадена амплитуда (идеалният сигнал, който би възникнал при линеен товар).
Мощността, използвана за извършване на полезна работа (която всъщност е нагряване на компонентите на компютъра), е посочена в характеристиките на захранването и се нарича активна. Останалата мощност, генерирана от хармонични колебания на тока, се нарича реактивна. Той не произвежда полезна работа, но загрява проводниците и създава натоварване на трансформатори и друго захранващо оборудване.
Векторната сума на реактивната и активната мощност се нарича привидна мощност. А отношението на активната мощност към общата мощност се нарича фактор на мощността - да не се бърка с ефективността!
Импулсното захранване първоначално има доста нисък фактор на мощността - около 0,7. За частен потребител реактивната мощност не е проблем (за щастие не се отчита от електромерите), освен ако не използва UPS. Непрекъсваемото захранване носи пълната мощност на товара. В мащаба на офис или градска мрежа излишната реактивна мощност, създадена от импулсни захранвания, вече значително намалява качеството на електрозахранването и причинява разходи, така че срещу него се води активна борба.
По-специално, по-голямата част от компютърните захранвания са оборудвани с вериги за активна корекция на фактора на мощността (Active PFC). Модул с активен PFC се идентифицира лесно по единичен голям кондензатор и индуктор, монтирани след токоизправителя. По същество Active PFC е друг импулсен преобразувател, който поддържа постоянен заряд на кондензатора с напрежение около 400 V. В този случай токът от захранващата мрежа се консумира на кратки импулси, чиято ширина е избрана така, че сигналът се апроксимира със синусоида - която е необходима за симулиране на линеен товар. За да синхронизира сигнала за потребление на ток със синусоидата на напрежението, PFC контролерът има специална логика.
Активната PFC схема съдържа един или два ключови транзистора и един мощен диод, които са поставени на същия радиатор с ключовите транзистори на преобразувателя на основното захранване. По правило PWM контролерът на главния преобразувател и активният PFC ключ са един чип (PWM/PFC Combo).
Факторът на мощността на импулсните захранвания с активен PFC достига 0,95 и по-висок. Освен това имат едно допълнително предимство - не изискват мрежов ключ 110/230 V и съответния удвоител на напрежението вътре в захранването. Повечето PFC схеми се справят с напрежение от 85 до 265 V. В допълнение, чувствителността на захранването към краткотрайни спадове на напрежението е намалена.
Между другото, в допълнение към активната корекция на PFC, има и пасивна, която включва инсталиране на индуктор с висока индуктивност последователно с товара. Ефективността му е ниска и е малко вероятно да намерите това в модерно захранване.
⇡ Главен конвертор
Общият принцип на работа за всички импулсни захранвания с изолирана топология (с трансформатор) е един и същ: ключов транзистор (или транзистори) създава променлив ток върху първичната намотка на трансформатора, а PWM контролерът контролира работния цикъл на превключването им. Конкретните схеми обаче се различават както по броя на ключовите транзистори и други елементи, така и по качествени характеристики: ефективност, форма на сигнала, шум и т.н. Но тук твърде много зависи от конкретната реализация, за да си струва да се съсредоточите върху това. За тези, които се интересуват, предоставяме набор от диаграми и таблица, които ще ви позволят да ги идентифицирате в конкретни устройства въз основа на състава на частите.
| Транзистори | Диоди | Кондензатори | Първични крака на трансформатора | |
| Единичен транзистор напред | 1 | 1 | 1 | 4 |
| 2 | 2 | 0 | 2 | |
| 2 | 0 | 2 | 2 | |
| 4 | 0 | 0 | 2 | |
| 2 | 0 | 0 | 3 |
В допълнение към изброените топологии, в скъпите захранвания има резонансни версии на Half Bridge, които лесно се идентифицират чрез допълнителен голям индуктор (или два) и кондензатор, образуващ колебателен кръг.
|
Единичен транзистор напред |
|
|
|
|
|
⇡ Вторична верига
Вторичната верига е всичко, което идва след вторичната намотка на трансформатора. В повечето съвременни захранвания трансформаторът има две намотки: 12 V се отстраняват от едната от тях и 5 V от другата. Токът първо се изправя с помощта на комплект от два диода на Шотки - един или повече на шина (на най-високата натоварена шина - 12 V - в мощните захранвания има четири монтажа). По-ефективни по отношение на ефективността са синхронните токоизправители, които използват полеви транзистори вместо диоди. Но това е прерогатив на наистина напреднали и скъпи захранвания, които претендират за сертификат 80 PLUS Platinum.
Релсата 3,3 V обикновено се задвижва от същата намотка като релсата 5 V, само че напрежението се понижава с помощта на индуктор с възможност за насищане (Mag Amp). Специална намотка на трансформатор за напрежение 3,3 V е екзотична опция. От отрицателните напрежения в текущия стандарт ATX остават само -12 V, които се отстраняват от вторичната намотка под 12 V шината чрез отделни слаботокови диоди.
PWM управлението на ключа на преобразувателя променя напрежението на първичната намотка на трансформатора и следователно на всички вторични намотки наведнъж. В същото време консумацията на ток на компютъра в никакъв случай не е равномерно разпределена между захранващите шини. В съвременния хардуер най-натоварената шина е 12-V.
За отделно стабилизиране на напрежението на различни шини са необходими допълнителни мерки. Класическият метод включва използването на дросел за групова стабилизация. През неговите намотки се прекарват три основни шини и в резултат на това, ако токът на една шина се увеличи, напрежението на останалите пада. Да кажем, че токът на 12 V шината се е увеличил и за да предотврати спад на напрежението, PWM контролерът е намалил работния цикъл на ключовите транзистори. В резултат на това напрежението на шината 5 V може да надхвърли допустимите граници, но е потиснато от груповия стабилизиращ дросел.
Напрежението на шината 3,3 V се регулира допълнително от друг насищащ се индуктор.
По-усъвършенствана версия осигурява отделна стабилизация на 5 и 12 V шини поради насищащи се дросели, но сега този дизайн е отстъпил място на DC-DC преобразуватели в скъпи висококачествени захранващи устройства. В последния случай трансформаторът има една вторична намотка с напрежение 12 V, а напреженията от 5 V и 3,3 V се получават благодарение на DC-DC преобразуватели. Този метод е най-благоприятен за стабилност на напрежението.
Изходен филтър
Крайният етап на всяка шина е филтър, който изглажда пулсациите на напрежението, причинени от ключовите транзистори. В допълнение, пулсациите на входния токоизправител, чиято честота е равна на удвоената честота на захранващата мрежа, проникват в една или друга степен във вторичната верига на захранването.
Пулсационният филтър включва дросел и големи кондензатори. Висококачествените захранващи устройства се характеризират с капацитет от най-малко 2000 uF, но производителите на евтини модели имат резерви за спестявания, когато инсталират кондензатори, например с половината от номиналната стойност, което неизбежно се отразява на амплитудата на пулсациите.
⇡ Захранване в режим на готовност +5VSB
Описанието на компонентите на захранването би било непълно, без да се спомене източникът на напрежение от 5 V в режим на готовност, който прави възможен режим на заспиване на компютъра и осигурява работата на всички устройства, които трябва да бъдат включени през цялото време. „Дежурната стая“ се захранва от отделен импулсен преобразувател с маломощен трансформатор. В някои захранвания има и трети трансформатор, който се използва във веригата за обратна връзка, за да изолира ШИМ контролера от първичната верига на главния преобразувател. В други случаи тази функция се изпълнява от оптрони (светодиод и фототранзистор в един пакет).
⇡ Методика за изпитване на захранвания
Един от основните параметри на захранването е стабилността на напрежението, което се отразява в т.нар. характеристика на напречно натоварване. KNH е диаграма, в която токът или мощността на шината 12 V е нанесена на едната ос, а общият ток или мощност на шините 3,3 и 5 V е нанесена на другата точка на пресичане за различни стойности и двете променливи, отклонението на напрежението от номиналната стойност се определя за една или друга гума. Съответно публикуваме две различни KNH - за 12 V шина и за 5/3,3 V шина.
Цветът на точката показва процента на отклонение:
- зелено: ≤ 1%;
- светло зелено: ≤ 2%;
- жълто: ≤ 3%;
- оранжево: ≤ 4%;
- червено: ≤ 5%.
- бяло: > 5% (не е разрешено от ATX стандарта).
За да се получи KNH, се използва тестов стенд за захранване по поръчка, който създава натоварване чрез разсейване на топлина върху мощни транзистори с полеви ефекти.
Друг също толкова важен тест е определянето на амплитудата на пулсациите на изхода на захранването. Стандартът ATX позволява пулсации в рамките на 120 mV за 12 V шина и 50 mV за 5 V шина. честота на захранващата мрежа).
Ние измерваме този параметър с помощта на осцилоскоп Hantek DSO-6022BE USB при максимално натоварване на захранването, определено от спецификациите. В осцилограмата по-долу зелената графика съответства на 12 V шина, жълтата графика съответства на 5 V. Вижда се, че пулсациите са в нормални граници и дори с марж.
За сравнение представяме снимка на вълни на изхода на захранването на стар компютър. Този блок не беше страхотен в началото, но със сигурност не се е подобрил с времето. Съдейки по големината на нискочестотната пулсация (имайте предвид, че делението на напрежението е увеличено до 50 mV, за да пасне на трептенията на екрана), изглаждащият кондензатор на входа вече е станал неизползваем. Високочестотната пулсация на 5 V шината е на ръба на допустимите 50 mV.
Следният тест определя ефективността на уреда при товар от 10 до 100% от номиналната мощност (чрез сравняване на изходната мощност с входящата мощност, измерена с домакински ватметър). За сравнение, графиката показва критериите за различните категории 80 PLUS. Това обаче не предизвиква голям интерес в наши дни. Графиката показва резултатите на захранването от най-висок клас Corsair в сравнение с много евтиния Antec, като разликата не е толкова голяма.
По-належащ проблем за потребителя е шумът от вградения вентилатор. Невъзможно е да се измери директно в близост до ревящия стенд за тестване на захранването, затова измерваме скоростта на въртене на работното колело с лазерен тахометър - също при мощност от 10 до 100%. Графиката по-долу показва, че когато натоварването на това захранване е ниско, 135 мм вентилатор остава на ниска скорост и почти не се чува. При максимално натоварване шумът вече се долавя, но нивото му е доста приемливо.