Схемотехника блоков питания персональных компьютеров

Выбор схемы построения выпрямителей

Несмотря на различия в реализации вторичных цепей у всех блоков питания, собранных по двухтактной схеме, выпрямители основных сильноточных каналов +5 and +12 В собираются по двухполупериодной схеме со средней точкой (рис. 2).

В англоязычной технической литературе (даташитах, учебниках) двухполупериодный выпрямитель со средней точкой именуют Full-Wave Center-Tapped Rectifier. Также можно встретить выражение Center Tap или сокращение C.T., которое указывает на то, что схема или изделие (например, трансформатор) имеет центральный отвод.

Типовая схема данного типа выпрямителя состоит из трансформатора T1, у которого вторичная обмотка имеет отвод от середины и состоит из двух половинок (Ⅱа и Ⅱб), двух отдельных полупроводниковых диодов VD1, VD2 или сборки, у которой катоды или аноды соединены вместе (в зависимости от того, напряжение какой полярности требуется получить на выходе выпрямителя).

Применение двухполупериодной схемы со средней точкой в низковольтных и высокотоковых каналах (+5 В и +12 В) AT/ATX блоков питания продиктовано балансом экономии и эффективности.

Как известно, в прямом включении, когда диод открыт и пропускает ток, на его переходе теряется часть мощности.

В даташитах на диоды всегда можно найти параметр V_F (Maximum Forward Voltage или Forward Voltage Drop) — падение напряжения на открытом диоде, которое указывается для конкретной величины тока (например, для 3 ампер постоянного тока — at 3.0A DC).

Как уже было сказано, в AT-блоках канал +5 В легко выдавал по 15–20 ампер тока, причём постоянно.

В двухполупериодном выпрямителе со средней точкой ток всегда течёт только через один диод в течение всего периода колебаний. Допустим, что используется диод Шоттки, для которого типовое падение напряжения V_F составляет 0,5 В.

Если помножить это напряжение на величину прямого тока в сильноточном канале +5 В нашего блока питания, то получим 10 ватт, которые преобразуются в тепло (по сути, расходуются на бесполезный нагрев).

P = I · V_F = 20 А · 0,5 В = 10 Вт.

Поэтому, мостовую схему из четырёх диодов, которая является стандартом для классических блоков питания с низкочастотным (50/60 Гц) трансформатором, в выходных выпрямителях импульсных блоков питания AT/ATX-формата не используют.

В ней, при каждом полупериоде ток проходит через два последовательно включенных диода, поэтому потери возрастают вдвое по сравнению с двухполупериодной схемой со средней точкой.

Для линии питания +5 В израсходовать 10 ватт на бесполезный нагрев при общей мощности линии в 100 ватт – это уже потеря 10% эффективности. И это только на одном выпрямителе!

Выпрямитель со средней точкой по сравнению с мостовой схемой снижает эти потери ровно в два раза. А если меньше потерь, то выше КПД блока, требуются менее габаритные радиаторы и тише работает охлаждающий вентилятор.

Несмотря на все преимущества приведённой схемы, и у неё есть недостатки. При её использовании необходим трансформатор со средней точкой (Center-Tapped Transformer), у которого вторичная обмотка имеет вдвое больше витков и выдаёт два противофазных напряжения одновременно.

Но импульсные трансформаторы работают на частоте в несколько десятков килогерц и поэтому требуют намотки небольшого числа витков обмоток. Намотать несколько дополнительных витков оказалось выгоднее, чем устанавливать в блоки питания дорогие в 80-х и 90-х годах двадцатого века высокочастотные диоды и увеличивать размеры охлаждающих радиаторов.

Работа двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Рассмотрим работу двухполупериодного выпрямителя со средней точкой. В этом нам поможет рисунок 3.

Когда в силовом каскаде открыт один из ключевых транзисторов, то через первичную обмотку (Ⅰ) трансформатора T1 протекает линейно-нарастающий ток по пути от точки 1 → 2. В результате на вторичных обмотках (Ⅱа и Ⅱб) появляются импульсы ЭДС индукции.

Намотка вторичных обмоток выполнена так, что на крайнем верхнем выводе обмотки Ⅱа (точка 3) будет положительный потенциал импульса, а на крайнем нижнем выводе обмотки Ⅱб (точка 5) – отрицательный.

Когда при следующем такте направление тока в первичной обмотке (Ⅰ) трансформатора T1 меняется на обратное от точки 2 → 1, то на крайнем верхнем выводе обмотки (Ⅱа) (точка 3) будет уже отрицательный потенциал импульса, а на крайнем нижнем выводе обмотки (Ⅱб) (точка 5) – положительный.

Средняя точка соединения вторичных обмоток (Ⅱа и Ⅱб) (точка 4) подключается к общему проводу схемы (GND, «Земля»). Относительно неё напряжения на крайних выводах 3 и 5 сдвинуты по фазе. Когда на одном выводе действует положительный импульс, то на другом симметричный ему отрицательный.

Таким образом, на крайних выводах вторичных обмоток формируется пониженное переменное напряжение прямоугольной формы. Далее оно поступает на диоды VD1 и VD2.

По схеме видно, что аноды диодов VD1, VD2 соединены с крайними выводами вторичных обмоток 3 и 5. Поэтому диоды будут открываться попеременно, так как на выводах обмоток фаза импульсов будет меняться каждый полупериод.

В результате в точке соединения катодов двух диодов VD1, VD2 формируется последовательность положительных импульсов напряжения.

Здесь важно отметить, что частота следования импульсов после выпрямителя будет вдвое больше, чем частота переключения ключевых транзисторов в силовом каскаде блока питания. Отрицательные импульсы как бы "переворачиваются" и заполняют место между положительными импульсами.

Забавным моментом является то, что встроенный генератор ШИМ-контроллера (например, типовой для AT-блоков TL494) работает на высокой частоте f_osc (например, 60 кГц), а внутренний триггер-делитель разделяет импульсы на два ключевых транзистора полумостового преобразователя, чтобы переключать их по очереди. При этом частота генератора делится ровно пополам (30 кГц).

Выходной выпрямитель со средней точкой выполняет обратную операцию. В точке соединения катодов двух диодов он снова "собирает" эти импульсы вместе.

Как видим, диоды выпрямителя формируют лишь пульсирующее напряжение положительной полярности, но не делают его постоянным.

Чтобы превратить последовательность прямоугольных импульсов положительной полярности в постоянное напряжение, используется связка из дросселя и электролитического конденсатора (LC-фильтр).

Режим непрерывных токов и работа LC-фильтра

Совместную работу дросселя L1 и конденсатора C1 в составе выпрямителя можно наглядно представить с помощью рисунка 5.

На нём показаны два графика.

Верхний график: Напряжение (U_{вх дросселя}, В)

(Красная линия). Показывает импульсы напряжения в точке соединения катодов на входе фильтра (см. рис. 4 точка A). Амплитуда напряжения импульса составляет +8 вольт (между крайним выводом обмотки и центральным отводом, – общим проводом или «землёй»).

Нижний график: Ток через дроссель (I_L)

Отображает ток, протекающий через дроссель L1 (синяя линия). Как видим, ток, протекающий через дроссель L1, имеет пилообразный вид.

Как уже было сказано, задача блока питания состоит в том, чтобы отдавать в нагрузку требуемый ток при стабильном напряжении. Когда компьютер потребляет по шине +5 В, например, 20 ампер, этот ток является средним значением. Назовём его ток нагрузки. На графике он отмечен пунктирной зелёной линией (I_нагр).

Когда на дроссель L1 поступает импульс, то его индуктивность препятствует протеканию тока, и он нарастает практически линейно. В начале импульса этот ток мал (I_min) и не превышает потребляемый нагрузкой ток (I_нагр). Его недостаток компенсируется конденсатором C1. Он разряжается.

В первую половину импульса ток дросселя линейно нарастает, но он еще мал. Ток I_L растёт от I_min до величины тока нагрузки I_нагр. В этот момент дроссель еще не накопил достаточно энергии, и его ток меньше тока нагрузки (I_L < I_нагр). При этом конденсатор C1 разряжается через сопротивление нагрузки R_н, компенсируя недостаток тока.

Во вторую половину импульса ток дросселя начинает превышать средний. Ток дросселя I_L продолжает расти от уровня тока нагрузки I_нагр до I_max. Теперь ток дросселя превышает уровень тока, требуемого нагрузке (I_L > I_нагр). Куда деваться избытку? Этот избыток течет в конденсатор C1, заряжая его.

Далее, когда силовой транзистор в полумостовом преобразователе закрывается, то импульс прекращается. За ним следует пауза (dead time).

Импульс закончился, и в первую половину паузы ток спадает, но все еще высок. Диоды выпрямителя переключились, на входе дросселя напряжение равно нулю, но за счет самоиндукции ток дросселя I_L начинает спадать от максимального значения I_max до I_нагр. В этот момент он все еще выше линии тока нагрузки I_нагр. Этот спадающий избыток тока перераспределяется: часть идёт в нагрузку, а часть подзаряжает конденсатор C1.

Во вторую половину паузы ток дросселя I_L становится ниже среднего. Его уровень опускается ниже линии тока нагрузки I_нагр и стремится к минимальному уровню тока I_min. Дроссель отдал большую часть магнитной энергии и сам по себе не может обеспечить нужный ток нагрузки. В этот момент конденсатор C1 снова начинает разряжаться, компенсируя просадку.

Вывод из приведённого описания следующий. Дроссель перераспределяет энергию импульсов во времени (работает как интегратор). При этом конденсатор фильтра компенсирует недостаток тока и тем самым поддерживает стабильное напряжение на выходе линии питания.

На приведённом графике (рис. 5) можно наблюдать ещё несколько занятных моментов. Во-первых, это некий «пьедестал» тока, а также то, что во время паузы уровень напряжения в точке соединения катодов выпрямительных диодов становится ниже нуля, а если быть точнее, -0,5 вольт.

Для начала поясним, откуда взялся этот самый «пьедестал». Дело в том, что понижающие импульсные преобразователи, к которым относится и рассматриваемый нами полумостовой каскад AT-блока питания совместно с LC-фильтром на выходе выпрямителя, работают в режиме непрерывных токов (РНТ, он же CCM – Continuous Conduction Mode).

В режиме непрерывных токов (РНТ) нагрузка потребляет достаточно большой ток. При этом дроссель успевает получить новую порцию энергии (новый импульс от трансформатора) до того, как полностью исчерпает запас магнитной энергии от предыдущего импульса. Из-за этого уровень "пилы" тока приподнят над нулем.

В таком режиме, ток в выходном дросселе никогда не опускается до нуля в процессе всего цикла работы ШИМ. Ток через него циклически колеблется и растет во время импульса, а во время паузы (dead time) спадает.

Размах пилы тока ΔI (дельта I) в дросселе групповой стабилизации (ДГС) сильноточных каналов компьютерного БП обычно составляет 2 - 4 ампера.

• В пике импульса ток в дросселе достигает уровня I_max (в примере на графике – 22 ампера).
• В конце паузы (dead time) ток опускается до уровня I_min (18 ампер).
• Размах колебания тока составляет: 22 - 18 = 4 ампера. Это и есть размах пилы ΔI.

Как видим, ток в дросселе колеблется в диапазоне от 18 до 22 ампер. Он ни на секунду не приближается к нулю. Вся эта огромная "подложка" в 20 ампер («пьедестал») прямиком идет через дроссель в нагрузку, а ШИМ-контроллер своими импульсами лишь слегка "раскачивает" этот ток вверх-вниз на 4 ампера.

Если компьютер начнет потреблять вместо 20 ампер, например, 25, то ШИМ-контроллер незначительно скорректирует коэффициент заполнения D, чтобы компенсировать падение напряжения на выходе блока питания. "Пьедестал" тока поднимется с 20 до 25 ампер, но сама пила так и будет колебаться с размахом около 4 ампер. При этом ток начнёт "гулять" от 23 до 27 ампер.

По итогу ток на выходе LC-фильтра становится практически постоянным, за исключением высокочастотных пульсаций.

«Свободный ход» или Freewheeling

То, что происходит с диодами выпрямителя при подаче на них положительного и отрицательного импульса, мы разобрали. Они поочерёдно открываются и закрываются. А что же происходит во время паузы, во время "мёртвой зоны" (dead time)?

В это время происходит весьма интересный процесс, который в технической литературе называют «свободным ходом» или «свободным выбегом» (англоязычный термин – freewheeling). Разберём его подробней с помощью рисунка 6.

Когда ШИМ-контроллер закрывает оба ключевых транзистора в силовой части преобразователя, наступает время мёртвой зоны, оно же dead time. При этом ЭДС индукции на вторичных обмотках силового импульсного трансформатора T1 падает до нуля. Это значит, что потенциал на анодах диодов (в точках 3 и 5) становится равным 0 В (ведь они соединены через обмотки со средней точкой 4, которая подключена к общему проводу, "земле").

Но дроссель L1 к этому моменту уже накопил энергию в магнитном поле своего сердечника. За счёт явления ЭДС самоиндукции он сам превращается в источник тока и начинает поддерживать уровень тока, потребляемого нагрузкой I_нагр (те самые 20 ампер).

Чтобы обеспечить свободный ход тока в нагрузку через диоды VD1 и VD2, у которых на анодах сейчас нулевой потенциал, дроссель своей ЭДС самоиндукции начинает принудительно опускать потенциал на катодах диодов ниже нуля.

Как только потенциал общей точки катодов на входе дросселя опускается до отметки −0,5 В (точка A), на диодах возникает прямое смещение:

U_анод − U_катод = 0 В − (−0,5 В) = +0,5 В.

Напряжения +0,5 В достаточно, чтобы преодолеть барьер Шоттки выпрямительных диодов. Оба диода одновременно открываются и пропускают ток «свободного хода».

Дроссель начинает отдавать ток "сам из себя" через открытые диоды и среднюю точку трансформатора. Именно поэтому на графике (рис. 5) показан четкий уровень отрицательного потенциала в -0,5 В в паузах между импульсами. Это прямое свидетельство того, что во время паузы оба диода открыты током самоиндукции дросселя.

Описываемый процесс наглядно представлен на рисунке 7.

На представленном рисунке показано четыре временных интервала: активный импульс, спад, коммутация, пауза (dead time).

В нижней части рисунка показан процесс перераспределения токов между диодами VD1 и VD2.

Активный импульс

Импульс, приходящий со вторичной обмотки Ⅱа (сплошная красная линия) показан на графике в верхней части изображения. Амплитуда импульса на аноде диода VD1 составляет +8 В (между точками обмотки 3 и 4, см. рис. 6). Пунктирной линией коричневого цвета показано напряжение на катоде диода VD1. Как видим, оно на 0,5 В ниже напряжения на аноде из-за падения напряжения при прямом включении (V_F). Ток дросселя I_L полностью течет через VD1 достигая своего пика в 22 ампера к концу действия импульса.

Спад напряжения

На этом интервале ЭДС обмотки Ⅱа плавно спадает от +8 В до нуля. Из-за индуктивности рассеяния вторичных обмоток (Ⅱа и Ⅱб) ток диода VD1 не может мгновенно измениться. Он удерживается на максимальном уровне в 22 ампера. При этом диод VD2 остаётся в закрытом состоянии и не пропускает ток.

Интервал коммутации

ЭДС на вторичной обмотке Ⅱа полностью упала до нуля. На аноде диода VD1 нулевое напряжение. За счёт индуктивности дросселя возникает ЭДС самоиндукции, которая стремится поддержать прежний ток в цепи. При этом напряжение на катодах диодов VD1 и VD2 опускается в отрицательную область до уровня -0,5 В. В результате диод VD2 открывается. Начинается перераспределение тока.

Пауза (dead time)

Во время паузы ток дросселя I_L распределяется практически поровну между диодами VD1 и VD2. Ток через диод VD1 спадает от 11 до 9 ампер, а ток через диод VD2 также снижается в этих же пределах (от 11 до 9 ампер). К концу действия паузы ток через каждый диод снижается до уровня в 9 ампер, что суммарно даёт те самые 18 ампер «пьедестала» тока. Таким образом, на протяжении всей паузы оба диода одновременно открыты и работают в режиме свободного хода, обеспечивая непрерывность тока в нагрузке.

Вывод из всего сказанного такой.

В режиме непрерывного тока (РНТ), во время паузы между импульсами, диоды VD1 и VD2 работают не как выпрямители переменного тока, а как шунтирующие диоды свободного хода. Ток дросселя разделяется между ними поровну, замыкаясь через трансформатор на землю.

Таким образом, можно сказать, что диоды в выпрямителе практически всегда в работе и постоянно пропускают ток, за исключением времени действия отрицательного импульса.

Кстати, при добавлении LC-фильтра на выход двухполупериодного выпрямителя со средней точкой одно из утверждений о его работе рушится.

Помните? «В двухполупериодном выпрямителе со средней точкой ток всегда течёт только через один диод». Теперь мы видим, что такое бывает не всегда.