Схемотехника блоков питания персональных компьютеров

Токовая обмотка или виток связи

На схеме силового каскада видно, что согласующий трансформатор T1 имеет дополнительную обмотку 5-6. Её называют токовой обмоткой или витком связи. На фрагменте схемы она выделена красным цветом. Виток токовой обмотки превращает трансформатор T1 в трансформатор с токовой обратной связью.

В реальности токовая обмотка (5-6) согласующего трансформатора T1 выглядит как один виток провода, намотанный верхним слоем поверх остальных обмоток. Сам провод обмотки выполнен в виде жгута проводов небольшого сечения, соединённых вместе.

На фото 2 показан согласующий трансформатор ИБП (LEC-982 Rev 1.3) с выводами токовой обмотки, выходящими из боковых пазов каркаса трансформатора.

Почему для этой обмотки используется именно жгут из проводов небольшого сечения?

Дело в том, что на частотах работы ИБП (обычно 30–50 кГц) начинает проявляться скин-эффект. Ток вытесняется на поверхность проводника. Использование пучка из нескольких тонких жил вместо одной толстой жилы снижает потери на высокой частоте.

Также стоит отметить, что сечение токовой обмотки заметно больше, чем сечение провода вторичных обмоток согласующего трансформатора.

Это связано с тем, что когда полумост выйдет в режим штатной работы, то через неё будет протекать весь импульсный ток первичной обмотки силового трансформатора T2, который может достигать величины в несколько ампер.

Процесс запуска преобразователя

После включения, когда контакты сетевого выключателя замыкаются, на шину питания силового каскада подаётся напряжение +310 В от выпрямителя. При этом ШИМ-контроллер в узле управления ещё обесточен.

В этот момент в дело вступают высокоомные резисторы R3 и R5 (330 кОм). Через них, а также низкоомные резисторы R7, R8 начинает течь очень слабый ток по пути: шина питания +310 В → резистор R3 → резистор R7 → б-э транзистора VT1 → резистор R5 → резистор R8 → б-э транзистора VT2 → минус силовой шины «-» (общий провод).

Этого ничтожно малого тока (менее 1 мА) недостаточно, чтобы полностью открыть транзисторы, но хватает, чтобы слегка приоткрыть их. Формируется начальное смещение баз транзисторов относительно эмиттеров.

В итоге оба транзистора пытаются приоткрыться, но полностью одинаковых компонентов не бывает. Из-за технологического разброса их параметров, в основном, из-за коэффициента усиления по току (hFE, h_21Э), один из транзисторов сделает это быстрее другого.

На то, какой из транзисторов приоткроется раньше, также влияет и разброс номиналов других элементов схемы, например, резисторов в базовой цепи транзистора.

Допустим, что транзистор VT1 приоткрылся чуть раньше VT2. Он оказался "шустрее".

При этом через него начинает течь ток по цепи: шина питания +310 В (плюсовая + обкладка конденсатора C8) → к-э транзистора VT1 → виток токовой обмотки 5-6 → вывод 1-2 первичной обмотки (Ⅰ) силового трансформатора T2 → конденсатор C6 → минусовая обкладка конденсатора C8.

Практически одновременно с этим приоткрывается и транзистор VT2, но в этом случае ток через виток токовой обмотки протекает в противоположном направлении: плюсовая + обкладка конденсатора C9 → конденсатор C6 → вывод 2-1 первичной обмотки (Ⅰ) силового трансформатора T2 → виток токовой обмотки 6-5 → к-э транзистора VT2 → минусовая обкладка конденсатора C9 (минус силовой шины «-», он же общий провод).

Как видим, в этот момент оба транзистора VT1 и VT2 пытаются проводить ток, но схема очень быстро переходит в асимметричный режим работы из-за наличия положительной обратной связи (ПОС).

Слабые токи, протекающие через приоткрытые транзисторы и виток токовой обмотки, направлены друг против друга. Если бы транзисторы приоткрылись одновременно и через них стал протекать одинаковый по величине ток, то они бы уравновесили друг друга и результирующий ток был бы нулевым. Но поскольку транзистор VT1 приоткрылся быстрее, то ток, протекающий через него, будет преобладать.

При этом преобладающий ток, проходя по витку токовой обмотки 5-6, наведёт в базовых обмотках 4-5 и 7-8 согласующего трансформатора T1 ЭДС взаимоиндукции (напряжение).

Обмотки 4-5 и 7-8 трансформатора T1 включены противофазно по отношению к базам транзисторов VT1 и VT2 (обратите внимание на расположение точек в отображении витков обмоток).

Из-за этого на базе транзистора VT1 напряжение будет увеличиваться, причём из-за наличия положительной обратной связи этот процесс будет происходить лавинообразно, что приведёт к быстрому переходу транзистора VT1 в насыщение – он полностью откроется.

На базу транзистора VT2 будет действовать возрастающее отрицательное напряжение, так как на 7 выводе вторичной обмотки трансформатора T1 будет отрицательный полюс ЭДС взаимоиндукции. Это будет способствовать запиранию данного транзистора.

Если же транзистор VT2 окажется шустрее, то в таком случае всё будет происходить с точностью наоборот. На базу транзистора VT2 будет действовать открывающий импульс, а на базу VT1 – запирающий.

Цепь вспомогательного питания

Когда транзистор VT1 откроется, то через первичную обмотку (Ⅰ) силового трансформатора T2 пройдёт импульс тока. В результате на его вторичных обмотках (Ⅱ) наведётся ЭДС индукции (напряжение), которое выпрямляется диодами VD6, VD7.

Размах полной амплитуды импульсов ЭДС на вторичной обмотке канала +12 В может достигать уровня в 60 В. После выпрямления двухполупериодным выпрямителем со средней точкой на диодах VD6 и VD7, оно уменьшается и находится на уровне, близком к 30 В.

Важно понимать, что это напряжение присутствует в точке соединения диодов VD6, VD7 и диода VD3 (см. рис. 3). То есть ещё до того, как оно поступит на дроссель групповой стабилизации (ДГС) L1.1, о котором будет рассказано в части про выходные выпрямители.

Это напряжение через диод VD3 поступает на конденсатор C3 и заряжает его. Через резистор R9 полученное напряжение +25…27 В подаётся на 12-й вывод микросхемы ШИМ-контроллера TL494, а также на согласующий каскад через резистор R15 и диод VD8.

Далее происходит запуск микросхемы ШИМ-контроллера, и он берёт управление на себя. Так происходит запуск управляющей части блока питания.

На фото 3 показаны элементы вспомогательной цепи питания рассматриваемого нами блока питания (LEC-982 Rev 1.3). На рис. 3 они обозначены как диод VD3, конденсатор C3 и резистор R9.

Пропорционально-токовое управление

После активации микросхемы ШИМ-контроллера транзисторы полумоста начинают поочерёдно переключаться. Но что же происходит с витком токовой обмотки? Ведь он никуда не девается.

Да, при штатной работе через данный виток (5-6) протекает весь ток первичной обмотки (Ⅰ) силового трансформатора T2. Разница лишь в том, что при открытии транзистора VT1 ток течёт в одном направлении, а при открытии VT2 – в противоположном.

При этом происходит так называемое пропорционально-токовое управление (ПТУ).

В момент, когда открывается транзистор VT1, ток, протекая по витку 5-6, наводит во вторичных обмотках 4-5 и 7-8 ЭДС взаимоиндукции. Из-за особенностей намотки, напряжение на выводах этих обмоток будет противоположенным. На выводах 4-5 будет положительное напряжение по отношению к базе VT1, а на выводах 7-8 отрицательное по отношению к базе VT2.

Положительное напряжение на выводах обмотки 4-5 будет ещё сильнее открывать транзистор VT1, помогая ему.

Отрицательное напряжение на выводах обмотки 7-8 будет ещё сильнее закрывать VT2.

Так будет происходить до тех пор, пока ШИМ-контроллер принудительно не закроет транзистор VT1.

Таким образом, благодаря витку токовой обмотки 5-6 и образовавшейся цепи положительной обратной связи, полумост сам поддерживает генерацию импульсов в согласующем трансформаторе T1.

В момент старта происходит автогенерация, и в последующем это даёт выигрыш в мощности, так как ток базы силовых транзисторов инвертора растёт вместе с током нагрузки. Это режим с токовой обратной связью, который также называют пропорционально-токовым управлением. Полумост сам подпитывает часть схемы управления. Но далее в работу преобразователя вклинивается ШИМ-контроллер и задаёт ритм его переключения.

В момент, когда необходимо открыть, например, транзистор VT1, он не мешает. Когда же наступает время его закрытия, ШИМ-контроллер через первичную обмотку согласующего трансформатора T1 влияет на магнитный поток в сердечнике и тем самым прерывает действие положительной обратной связи.

При этом согласующий каскад должен иметь хороший запас по мощности (току и напряжению), чтобы эффективно «подавить» ток в обмотке связи. В остальном же он работает в более экономичном режиме, так как основная часть энергии поступает с силовой части инвертора.

Базовые цепи силовых транзисторов

В первую очередь схема построения базовых цепей выбирается исходя из параметров биполярных транзисторов, которые применяются в полумостовом преобразователе.

Силовые транзисторы полумоста работают в ключевом режиме. Они должны быстро открываться – входить в насыщение, и также быстро закрываться – переходить в режим отсечки.

У транзисторов переход из полностью открытого состояния (насыщения) в закрытое (отсечка) не происходит мгновенно. Особенно это характерно для биполярных транзисторов. В этот момент возникают динамические потери, то есть активные потери на сопротивлении перехода коллектор-эмиттер. Проще говоря, в момент закрытия переход коллектор-эмиттер ещё обладает некоторым сопротивлением, и на нём начинает рассеиваться тепло. Транзистор греется, а энергия источника питания тратится впустую. Это снижает КПД преобразователя.

Также необходимо исключить перекрёстную проводимость, которая может сжечь оба транзистора из-за образования сквозного тока. А для этого нужно сделать так, чтобы ранее открытый транзистор полностью закрылся перед тем, как начнёт открываться другой.

Поэтому базовые цепи проектируются так, чтобы обеспечить оптимальный режим переключения выбранных транзисторов. Критерием эффективности являются малые динамические потери.

Рассмотрим подробно базовые цепи ключевых транзисторов силового каскада.

На следующем рисунке 4 показан фрагмент принципиальной схемы ИБП (плата LEC-982 Rev 1.3) с выделенными элементами базовых цепей ключевых транзисторов PHE13007 в полумостовом преобразователе.

Высокоомные резисторы R3 и R5 (330 кОм) необходимы для первоначального запуска преобразователя. Они являются частью цепи самовозбуждения, которую мы уже подробно рассмотрели.

Низкоомные резисторы R7, R8 (2,2 Ом) расположенные непосредственно у баз силовых транзисторов служат для ограничения пикового тока.

Когда согласующий трансформатор T1 выдаёт импульс, внутреннее сопротивление его вторичной обмотки очень мало, и без ограничивающего резистора пиковый ток базы мог бы достигать нескольких ампер. Данные резисторы ограничивают его и защищают переход база-эмиттер транзисторов VT1, VT2.

Кроме этого, резисторы R7, R8 подавляют колебания паразитного LC-контура ("ВЧ-звон") в цепи базы, который образуется из-за входной ёмкости базы транзистора, индуктивности обмотки и соединительных проводников.

Резисторы R1, R2 (20 Ом) влияют на форму управляющего импульса и ограничивают средний базовый ток. Это предотвращает глубокое насыщение транзисторов, которое приводит к увеличению времени удаления избыточных носителей заряда в базе (storage time). Проще говоря, транзистор дольше закрывается, а это прямой путь к росту динамических потерь.

Резисторы R4, R6, установленные между выводами базы и эмиттера силовых транзисторов VT1, VT2, выполняют несколько функций, но все они связаны с тем, чтобы обеспечить надёжное закрытие транзисторов при отсутствии сигнала, а также исключить их ложное открытие. Эти резисторы иногда называют резисторами утечки.

Например, из-за наличия паразитной ёмкости коллектор-база (C_кб, C_cb) при резком изменении напряжения на коллекторе в момент закрытия через эту ёмкость протекает импульс тока, который поддерживает ток базы. Из-за этого транзистор, который уже должен закрыться, поддерживается в открытом, активном состоянии. Это явление называют эффектом Миллера.

Зачем в базовых цепях установлены диоды VD1 и VD2?

Диоды VD1, VD2 – это маломощные полупроводниковые диоды 1N4148. Их основная задача – предотвратить шунтирование обмотками 4-5, 7-8 трансформатора T1 пускового тока, который приоткрывает транзисторы VT1, VT2 в момент подачи напряжения +310 В на силовой каскад инвертора при включении блока питания.

Если бы их не было, то пусковой ток стал бы протекать по цепи наименьшего сопротивления, а именно по пути: шина питания +310 В → резистор R3 → резистор R1 → обмотка 4-5 трансформатора T1 → резистор R5 → резистор R2 → обмотка 7-8 трансформатора T1 → минус «-» силовой шины (общий провод).

Понятное дело, что при таком сценарии первоначальный запуск силового каскада просто бы не состоялся.

Поскольку для пускового тока диоды VD1 и VD2 включены в обратном направлении, ток в сторону обмоток трансформатора T1 они не пропускают, и он течёт через переход б-э ключевых транзисторов VT1, VT2, создавая то самое первоначальное смещение, благодаря которому происходит автогенерация.

При штатной работе, когда на выводах обмотки 4-5 положительный (открывающий) импульс напряжения, диод VD1 беспрепятственно пропускает его на базу транзистора VT1. Аналогично работает диод VD2 в базовой цепи транзистора VT2.

Форсирующие конденсаторы

Электролитические конденсаторы C1 и C2 небольшой ёмкости (1 мкФ) называют ускоряющими или форсирующими (см. рис. 4).

Рассмотрим их работу подробнее, но предварительно стоит дать некоторые пояснения.

Как уже говорилось, биполярные транзисторы обладают инерционностью. Они закрываются не мгновенно. Связано это с тем, что при насыщении (полном открытии) в области базы скапливается заряд из неосновных носителей. Для транзисторов NPN-структуры это электроны.

В даташитах на транзисторы для импульсных устройств даже приводится специальный параметр t_s (storage time). Упрощённо t_s – это время, в течение которого транзистор остаётся проводящим после снятия базового тока.

Это досадное обстоятельство приводит к динамическим потерям, ведь на "полузакрытом" переходе транзистора выделяется тепло, транзистор греется, а КПД преобразователя падает. Также возрастает вероятность пробоя транзисторов в полумосте из-за возможного образования сквозного тока.

Запомним это и вернёмся к нашим конденсаторам.

В тот момент, когда на выводах обмотки 4-5 появляется положительное напряжение (открывающий импульс), конденсатор C1 начинает заряжаться. Благодаря заряду конденсатора формируется крутой фронт импульса, а величина тока в этот момент превышает в дальнейшем установившийся базовый ток в 1,7 – 2,2 раза. То есть ток заряда ёмкости провоцирует ускоренное открытие транзистора за счёт кратковременного импульса тока. В дальнейшем, когда конденсатор C1 зарядится, базовый ток будет поддерживаться через цепь из диода VD1 и резисторов R1, R7.

Вслед за прекращением действия открывающего положительного импульса начинается время «мёртвой зоны» (dead time) – обязательной паузы между переключениями силовых транзисторов. При этом на вторичных обмотках согласующего трансформатора T1 управляющее напряжение резко уменьшается и на короткое время становится близким к нулю, а основной базовый ток прекращается.

Транзистор полумоста VT1 начинает закрываться. Но происходит это с задержкой. При этом через переход коллектор-эмиттер ещё продолжает протекать остаточный ток из-за накопленного заряда электронов в базе, а напряжение на коллекторе уже растёт. Это создаёт потери мощности на закрывающемся переходе (те самые динамические потери).

Чтобы ускорить закрытие транзистора и избежать больших потерь, используются форсирующие конденсаторы в базовых цепях.

Как уже было сказано, во время «мёртвой зоны» начинается процесс предварительного закрытия транзистора VT1. Управляющий импульс на выводах обмотки 4-5 согласующего трансформатора T1 отсутствует, а на его базе возникает отрицательное смещение, обусловленное зарядом, накопленным конденсатором C1 во время предыдущего импульса.

Вслед за паузой «мёртвой зоны» приходит запирающий импульс, и напряжение на выводах обмотки 4-5 меняется на отрицательное.

Отрицательное напряжение на обмотке 4-5 и обкладках конденсатора C1 суммируется. Через низкоомный резистор R7 оно прикладывается к базе транзистора VT1. В результате возникает некая "вольтодобавка" – напряжения складываются, и запирающее напряжение возрастает. За счёт этого происходит резкое удаление избыточного заряда неосновных носителей из области базы обратным током. Это существенно снижает время хранения заряда в базе (t_s), что способствует быстрому переходу транзисторов VT1, VT2 в закрытое состояние.

Попутно форсирующие конденсаторы в схеме с самовозбуждением выполняют ещё одну задачу.

Как уже было отмечено, во время паузы между переключениями («мёртвой зоны») на вторичных обмотках согласующего трансформатора T1 нет управляющих импульсов ЭДС индукции. Отсутствие конденсаторов C1 и C2 в схеме приводило бы к активации цепи первоначального запуска во время каждой паузы. При этом транзисторы VT1, VT2 не удалось бы закрыть полностью, а это потери мощности и риск сквозного тока.

Но при наличии в схеме конденсаторов C1 и C2 такого явления не происходит, так как в начале открывающего импульса конденсаторы заряжаются. Во время паузы отрицательное напряжение с обкладки конденсатора прикладывается к базе силового транзистора и начинает закрывать его. Происходит предварительный этап закрытия транзистора.

Таким образом, конденсаторы C1 и C2 выполняют три функции:

• Ускоряют нарастание базового тока при открытии ключевого транзистора;
• Создают начальное отрицательное смещение при закрытии транзистора;
• Усиливают действие запирающего импульса, сокращая время хранения заряда в базе.

Как видим, форсирующие конденсаторы играют весьма важную роль в работе полумостового преобразователя, поэтому при ремонте или восстановлении старого AT-блока обязательно проверьте их.

Снаббер

В момент, когда один из транзисторов полумоста закрывается, то через первичную обмотку силового импульсного трансформатора T2 резко прекращает течь ток. Это порождает очень опасный процесс – всплеск напряжения. Из-за наличия индуктивности рассеяния и межвитковой ёмкости обмотки трансформатора возникает ЭДС самоиндукции, которая пытается поддержать ток в цепи.

Наличие паразитной ёмкости и индуктивности рассеяния создаёт паразитный LC-контур, в котором возникают высокочастотные колебания ("ВЧ-звон"). Они могут повредить ключевые транзисторы обратным напряжением, а также создают электромагнитные помехи (ЭМП).

Если с амплитудой выброса напряжения справляются демпферные (рекуперационные) диоды VD4, VD5, то для гашения колебаний паразитного LC-контура используется RC-цепь C4, R10.

Данную цепь из C4, R10 часто называют снаббером (рис. 5). Иногда можно встретить определение RC-поглотитель или успокаивающая RC-цепь.

В результате переходного процесса, когда ток в цепи первичной обмотки импульсного трансформатора резко прекращается, в паразитном LC-контуре возникает резонанс, который в основном проявляется как резонанс параллельного LC-контура. Чтобы подавить возникшие высокочастотные (ВЧ) колебания, в схему намеренно встраивается цепь, которая вводит потери.

Так, резистор R10 снижает добротность контура (Q). С его помощью энергия колебаний преобразуется в тепло и рассеивается на нём. По фото 6 видно, что в качестве R10 применён невозгораемый (flameproof) резистор с мощностью рассеивания в несколько ватт. Он работает как поглотитель импульсной энергии при каждом переключении силовых транзисторов.

С помощью конденсатора C4 в цепи снаббера увеличивают общую ёмкость паразитного LC-контура, что снижает его резонансную частоту. В реальности это миниатюрный керамический конденсатор, но рассчитанный на высокое импульсное напряжение, как правило, 1 киловольт (1kV).

Ёмкость и сопротивление элементов RC-цепи снаббера подбираются исходя из применяемого в схеме силового трансформатора и его режима работы. Если увеличить ёмкость конденсатора C4, то снижается частота колебаний и уменьшается крутизна выброса напряжения. Но при этом энергия рассеиваться дольше, что будет перегружать резистор снаббера, перегружать ключи и снижать КПД.

Если уменьшить сопротивление резистора R10, то это лучше будет подавлять колебания, но при этом импульсный ток через резистор возрастёт, что может привести к его перегреву.

На этом и без того длинный рассказ об устройстве силового каскада окончен, но мы ещё не раз встретимся с его элементами на страницах серии.