Тема 7. Схемотехника блоков питания ЭВМ.

Блоки питания аппаратуры, предназначены для питания от сети переменного тока, в зависимости от назначения и мощности могут быть выполнены по различным схемам. Простейший блок питания с трансформаторным входом имеет схему, приведенную на рис.1.

Рис.1.

Здесь понижающий трансформатор, работающий на частоте питающей сети 50/60 Гц, кроме обеспечения требуемого напряжения также обеспечивает и гальваническую развязку питаемых цепей от сети переменного тока. Выходное напряжение может стабилизироваться непрерывным или импульсным низковольтным стабилизатором напряжения. Главный недостаток такого блока - большие габариты низкочастотного силового трансформатора. Трансформатор блока питания, рассчитанный на частоту 60 Гц, на частоте 50 Гц может ощутимо нагреваться. Естественно, от сети постоянного тока (редко, но так бывает) такой блок работать не может. Блоки питания с трансформаторным входом применяются при небольшой выходной мощности, чаще всего – в выносных адаптерах, обеспечивающих питание модемов, хабов и прочих маломощных устройств внешнего исполнения. Такие блоки достаточно часто монтируются прямо на вилке питания.

Уменьшить габариты и вес блока питания позволяет перевод понижающего трансформатора на высокую частоту – десяти кГц. В этом случае входное напряжение сразу выпрямляется и после фильтрации поступает на высокочастотный преобразователь. Высокочастотные импульсы преобразователя поступают на понижающий импульсный трансформатор, который обеспечивает и гальваническую развязку выходных и входных цепей. Преобразователь чаще всего делают управляемым, так что на него возлагаются и функции регулирующего элемента стабилизатора напряжения. Управляя шириной импульса, можно изменять величину энергии, поступающей через трансформатор в выпрямитель, и, следовательно, регулировать (стабилизировать) его выходное напряжение. В зависимости от мощности стабилизатор строится по однотактной или двухтактной схеме. Однотактная схема несколько проще (рис.2), и ее применяют в блоках питания мониторов, где мощность обычно не превышает сотни ватт. В мониторах частоту импульсного блока обычно синхронизируют с частотой генератора строчной развертки во избежание видимых помех.

Рис. 2. Однотактный блок питания: СФ – сетевой фильтр, Ф – формирователь импульсов, ОС – усилитель обратной связи

Двухтактные преобразователи сложнее, но они обеспечивают большую выходную мощность. Такие блоки широко используются в блоках питания РС. Если блок питания должен вырабатывать несколько выходных напряжений, преобразователь может стабилизировать лишь одно из них. Обычно для стабилизации выбирают основное питающее напряжение, для РС это цепь +5 В.

Импульсные блоки питания имеют малые габариты, но компактный трансформатор представляет собой довольно сложное изделие. Импульсные помехи, которые могут проникать как в питаемые, так и в питающие цепи, подавляют тщательно разработанными фильтрами. Внешнее излучение подавляется металлическим экраном, в который заключают весь блок.

Импульсные блоки питания не критичны к частоте сети (50 или 60 Гц) и часто позволяют работать в широком диапазоне входных напряжений. Относительно старые блоки питания имеют переключатели диапазона входного напряжения. Современные блоки имеют компоненты с большим запасом по допустимому напряжению и не требуют переключения номинала входного питающего напряжения – они работают в диапазоне 110 – 230 В. Такие блоки применяются в большинстве современных мониторов.

Блок питания РС. Блок питания РС обеспечивает напряжениями постоянного тока системный блок со всеми его сложными и часто привередливыми устройствами. С самых первых моделей РС здесь применяется двухтактная схема преобразователя с бестрансформаторным входом. Упрощенная схема блока питания приведена на рис. 3. Входное напряжение после высокочастотного фильтра (см. рис.1) выпрямляется и поступает на накопительные конденсаторы (С1 и С2), являющиеся главными хранителями энергии на случай кратковременного провала питающего напряжения. Мощные высоковольтные транзисторы Т1 и Т2 и конденсаторы С1 и С2 образуют полумостовую схему генератора преобразователя, нагрузкой которого является высокочастотный импульсный силовой трансформатор Тр2. Этот трансформатор обеспечивает и гальваническую развязку выходных и входных цепей. Преобразователь является регулирующим элементом стабилизатора напряжения основного источника +5 В. Остальные напряжения могут быть стабилизированы дополнительными выходными стабилизаторами, но чаще их оставляют и нестабилизированными. При этом чем больше нагрузка блока по основной (стабилизированной) цепи, тем выше напряжения на остальных шинах. Убедиться в этом просто – понаблюдайте за вентилятором процессора, который питается от цепи +12 В, изменяя нагрузку по цепи +5 В – например, с подключенной системной платой и без нее. При подключении нагрузки скорость вращения вентилятора повышается. Это происходит потому, что с повышением тока нагрузки преобразователь вырабатывает более широкие импульсы, а выходное напряжение нестабилизированных выпрямителей (при постоянной нагрузке) будет пропорционально их ширине. По этой причине уровни напряжения на не основных выходах большинства блоков питания будут соответствовать номиналам лишь при номинальной (и сбалансированной) нагрузке. Но, как правило, потребители этих напряжений не требуют особой точности напряжения, а стабильность обеспечивается относительным постоянством нагрузки основной цепи.

Рис.3. Двухтактный блок питания РС: СФ – сетевой фильтр, УУ – устройство управления, Ф – формирователи импульсов, Тр1 – трансформатор развязки цепей управления, Тр2 – силовой трансформатор

Двухтактные блоки питания РС строятся на основе управляющей микросхемы TL494CN или ее аналогов. Эта микросхема содержит встроенный генератор и управляет ключами выходных транзисторов, воспринимая сигнал обратной связи из цепи +5 В и сигнал отключения по токовой перегрузке. Для определения перегрузки по току последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включает еще и трансформатор тока (на рис. 3 для упрощения не показан), с выхода которого сигнал через пороговую схему подается на вход управляющей микросхемы.

При включении блока питания РС симметричный мультивибратор, образованный выходными транзисторами совместно с трансформатором, начинает плавно возбуждаться. Когда выходное напряжение цепи +12 В, от которого питается и управляющая микросхема, достигает уровня нескольких вольт, микросхема приступает к исполнению своих сдерживающих регулировочных обязанностей и блок выходит в рабочий режим, управляемый генератором микросхемы. Заметим, что некоторые блоки не запускаются без нагрузки.

Блоки питания РС не критичны к частоте сети (20 ил 60 Гц) и могут работать даже от сети постоянного тока. Относительно старые блоки питания имеют переключатели диапазона входного напряжения. Переключение диапазона входного напряжения легко осуществляется переключателем S1, который преобразует мостовую схему выпрямителя в схему выпрямителя с удвоением для питания от сети 110 – 127 В. При включении блока, предназначенного для работы при напряжении 110 В в сеть 220 В, часто выходят из строя ключевые транзисторы или диоды. Поскольку большинство цепей блока питания находится под высоким напряжением, ремонт блока требует соответствующей квалификации и знаний техники безопасности.

В заключение отметим, что все постоянные запоминающие устройства с общим названием ROM, как отмечено выше, являются энергонезависимыми ЗУ, которые сохраняют информацию при отключении питания. Такое свойство этих ПЗУ при их практическом применении с использованием варианта с импульсным питанием позволяет существенно снизить мощность потребления, улучшить тепловой режим их эксплуатации и повысить надежность функционирования. В варианте с импульсным питанием работа всех микросхем по входам СS постоянно разрешена, но напряжение источника питания подается не на все микросхемы модуля памяти, как в обычном варианте его построения (рис. 4, а), а только на ту микросхему, к которой имеется обращение, т. е. которая выбрана с помощью ключа, управляемого адресным дешифратором, декодирующим стар-шие разряды адреса (рис. 4, б).

Режим импульсного питания, хотя и предоставляет возможность экономичного использования энергии источника питания, однако и увеличивает время обращения к микросхемам ПЗУ при произвольных одиночных обращениях, т. к. после включения питания необходимо время для установления режима микросхем.

Рис. 4. Микросхемы постоянной памяти с обычным вариантом построения (а)

и импульсным питанием (б)

Основная литература:2 [327:334],3[404:412].