Схемотехника блоков питания персональных компьютеров
Часть №2. Полумостовый инвертор и принцип его работы
Опубликовано:
Во второй части серии статей о схемотехнике блоков питания персональных компьютеров мы познакомимся с одной из самых популярных топологий построения силового каскада импульсного блока питания для ПК – двухтактным полумостовым преобразователем (инвертором).
Но для начала зайдём с практической стороны и узнаем, как найти его основные элементы на плате реального блока питания.
Элементы силового каскада
Основными элементами силового каскада инвертора являются: конденсаторы ёмкостного делителя, ключевые транзисторы полумоста и высокочастотный силовой трансформатор (фото №1).
Все эти элементы на печатной плате блока питания найти несложно. Так как большинство блоков питания для ПК AT-формата собирались по двухтактной полумостовой схеме (но не всегда!), то в этом каскаде обязательно присутствуют два электролитических конденсатора (фото №2) и два мощных ключевых транзистора (фото №3), включённые в диагональ моста.
В роли ключевых транзисторов, как правило, выступают мощные высоковольтные биполярные транзисторы, которые крепятся на алюминиевый охлаждающий радиатор и располагаются ближе к конденсаторам ёмкостного делителя, так как это конструктивно оправдано.
Не менее важным элементом силовой части преобразователя является импульсный силовой трансформатор (фото №4). Он расположен в средней части платы рядом с согласующим трансформатором, размер которого заметно меньше.
Принцип работы преобразователя
В IBM PC AT-совместимых блоках питания для ПК, мощность которых 200 или более ватт, высокочастотный преобразователь собирался по топологии двухтактного полумостового инвертора, который также называют Half-Bridge (полумост).
Полумостовая схема является разновидностью двухтактных прямоходовых преобразователей (Push-Pull Forward). В отличие от классического Push-Pull (с центральной точкой в первичной обмотке), здесь же используется ёмкостной делитель, который создаёт виртуальную среднюю точку. Поскольку эта топология относится к прямоходовым, то во вторичных цепях обязательно присутствует накопительный дроссель.
Типовая схема полумостового инвертора
Представьте себе задачу: у вас есть высокое постоянное напряжение (около 310 вольт), которое было получено после входного выпрямителя, и вам нужно превратить его в переменное, чтобы затем понизить трансформатором.
В полумостовой схеме всё напряжение не коммутируется сразу. Сначала оно искусственно делится пополам с помощью ёмкостного делителя, а затем энергия передается в нагрузку в оба полупериода работы. Поэтому схема и называется двухтактной.
Обобщённая принципиальная схема двухтактного полумостового преобразователя показана на рисунке №1. На ней отрисованы лишь основные элементы, которые отражают архитектуру данного узла.
Схему можно разделить на три основных части.
- Входной ёмкостной делитель (Ёмкостная стойка).
После входного выпрямителя (диодного моста) установлены два больших электролитических конденсатора одинаковой ёмкости, включенных последовательно (C1, C2).
Их функция – это не только сглаживание пульсаций напряжения, но и создание средней точки. Если на входе будет +310 В, то в точке соединения этих конденсаторов будет ровно половина – около +155 В. Эта точка – виртуальный «ноль» для трансформатора T1.
- Силовые ключи (Транзисторы)
Два мощных транзистора VT1 и VT2 (в классических AT блоках это биполярные транзисторы типа MJE13007 или 13009). Они работают в ключевом режиме, то есть как переключатели.
Важно знать: Эти два транзистора никогда не открываются одновременно. Если это случится, то через них пойдёт сквозной ток, что равно короткому замыканию, и транзисторы выйдут из строя. Поэтому ШИМ-контроллер в узле управления делает обязательную паузу между переключениями, которая называется «мёртвое время» или «мёртвая зона» (Dead Time).
- Силовой импульсный трансформатор
Первичная обмотка силового импульсного трансформатора T1 включена между точкой соединения ключевых транзисторов и средней точкой конденсаторов ёмкостной стойки.
Его задача – понизить 155 В переменного тока до нужных 5 и 12 В, необходимых для работы цифровой начинки компьютера. Этот трансформатор работает на высокой частоте (обычно 30–60 кГц), что позволяет сделать его компактным.
Как работает полумост?
Рассмотрим работу типовой схемы, показанной на рисунке №1.
Пульсирующее напряжение, полученное после входного выпрямителя (диодного моста), поступает на ёмкостной делитель, состоящий из двух электролитических конденсаторов C1, C2, и заряжает их. В результате пульсации напряжения сглаживаются и на конденсаторах формируется постоянное напряжение около +310 В.
Здесь стоит уточнить, что конденсаторы ёмкостного делителя выполняют двойную работу:
- Во-первых, они сглаживают низкочастотные пульсации напряжения частотой 100 Гц, которые возникают в результате работы входного выпрямителя (диодного моста);
- Во-вторых, они сглаживают высокочастотные импульсные токи инвертора (десятки кГц), предотвращая просадки напряжения на силовой шине +310 В в моменты переключения транзисторов, тем самым снижая уровень помех, излучаемых в электросеть.
Одновременно с этим в узле управления – ШИМ-контроллере – формируются управляющие последовательности прямоугольных импульсов. Они усиливаются согласующим каскадом и поступают на базы ключевых транзисторов VT1 и VT2. Управляющие импульсы поочерёдно открывают транзисторы VT1, VT2, а также имеют паузу между собой для исключения сквозного тока («мёртвое время»).
Когда на базу транзистора верхнего плеча (VT1) приходит открывающий импульс со вторичной обмотки согласующего трансформатора T2, ток течёт по цепи: плюс «+» конденсатора C1 → коллектор-эмиттер VT1 → вывод 1 силового трансформатора T1 → вывод 2 трансформатора T1 → конденсатор C4 → средняя точка конденсаторов C1, C2 → минус «-» конденсатора C1.
При этом конденсатор C1 разряжается, отдавая мощный импульс тока в несколько ампер, который протекает через первичную обмотку силового трансформатора. То есть электролитический конденсатор в ёмкостном делителе служит источником мгновенного тока.
Одновременно с этим происходит подзарядка конденсатора C2 в нижнем плече преобразователя по цепи: шина питания +310 В → коллектор-эмиттер VT1 → вывод 1 силового трансформатора T1 → вывод 2 трансформатора T1 → конденсатор C4 → средняя точка конденсаторов C1, C2 → плюс «+» конденсатора C2 → минус «-» (общий провод) первичной стороны.
Здесь же в случае с подзарядом конденсатора баланс заряда восстанавливается за счёт источника питания схемы – силовой шины +310 В, идущей от входного выпрямителя.
По окончании действия импульса транзистор VT1 закрывается, и наступает пауза, во время которой оба транзистора полностью закрыты, наступает то самое «мёртвое время» (Dead Time).
Далее уже на базу транзистора VT2 нижнего плеча приходит открывающий импульс, и ток течет по цепи: плюс «+» конденсатора C2 → средняя точка конденсаторов C1, C2 → конденсатор C4 → вывод 2 силового трансформатора T1 → вывод 1 трансформатора T1 → коллектор-эмиттер VT2 → минус «-» конденсатора C2.
Как видим, здесь всё происходит аналогично тому, что происходит в первом такте, когда открыт транзистор VT1, но на этот раз разряжается конденсатор C2.
Также, как и при открытии верхнего плеча, происходит подзарядка конденсатора, но уже C1 по цепи: шина питания +310 В → плюс «+» конденсатора C1 → средняя точка конденсаторов C1, C2 → конденсатор C4 → вывод 2 силового трансформатора T1 → вывод 1 трансформатора T1 → коллектор-эмиттер VT2 → минус «-» (общий провод) первичной стороны. То есть конденсатор C1 подзаряжается от источника питания – входного сетевого выпрямителя.
Как видим, в каждом такте ток течет по очереди через первичную обмотку (Ⅰ) силового трансформатора T1, но в противоположном направлении. Благодаря этому сердечник используется эффективно, так как работает по полной петле гистерезиса, что исключает его намагничивание.
В результате прохождения импульса тока через первичную обмотку (Ⅰ) трансформатора T1 на его вторичных обмотках (Ⅱ) появляется ЭДС индукции – пониженное переменное напряжение. Оно выпрямляется высокочастотными диодами VD1 и VD2, а оставшиеся пульсации сглаживаются конденсатором C3. Полученный постоянный ток напряжением +5 В (основной канал) подаётся в нагрузку Rн (системную плату ПК). Так упрощённо выглядит работа выходных выпрямителей.
Назначение других элементов схемы
На типовой схеме полумоста показаны конденсатор C4 и диоды VD3, VD4, назначение и работу которых мы не рассмотрели. Заполним этот пробел.
На печатной плате реального блока питания эти элементы порой трудно заметить. Ну, разве что бросится в глаза крупный плёночный конденсатор красно-коричневого цвета (фото №5). Эти детали неприметны, но выполняют очень важные функции.
Разделительный конденсатор
Уже при описании схемы вы наверняка заметили конденсатор C4 и задались вполне резонным вопросом: «Что же он делает?»
Этот конденсатор называется разделительным, или конденсатором блокировки постоянной составляющей (DC-blocking capacitor).
Роль этого конденсатора в схеме порой недооценивают, но она критически важна. Его основная задача – не пропускать постоянный ток.
Дело в том, что в реальности биполярные транзисторы не обладают полностью одинаковыми параметрами. И хотя они относятся к одному типономиналу, например, MJE13007, они не являются полными «клонами». Это связано с особенностью технологии их производства.
На работу полумостовой схемы влияют два параметра транзисторов:
- Время выключения toff.
- Реальные транзисторы закрываются не мгновенно, а в течение определённого промежутка времени. При этом один может закрываться на 50 наносекунд дольше другого из-за разного времени рассасывания носителей заряда в базе. В итоге одно из плеч полумоста остаётся открытым дольше.
- Напряжение насыщения коллектор-эмиттер Vce (sat).
- У одного транзистора в открытом состоянии падение напряжения может быть 0,8 В, а у другого 1,1 В. А это значит, что к первичной обмотке трансформатора в один полупериод прикладывается чуть большее напряжение, чем в другой.
В результате форма импульсов по длительности и уровню напряжения будут слегка отличаться, они будут асимметричными. Это приводит к тому, что часть импульса тока всегда будет течь через обмотку трансформатора только в одном направлении. Это и есть постоянная составляющая тока (так называемый DC bias).
Из-за протекания постоянного тока при каждом цикле переключения сердечник будет получать небольшую порцию намагниченности, что неминуемо приведёт к его насыщению. При частоте 50 кГц это произойдёт за доли секунды, индуктивное сопротивление обмотки исчезнет, ток через неё резко возрастёт (что сравни короткому замыканию). При этом ключевые транзисторы перегреются из-за чрезмерного тока и мгновенно сгорят.
В схеме конденсатор C4 пропускает импульсы переменного тока высокой частоты, но задерживает постоянную составляющую тока. Это называется развязкой по постоянному току.
Конденсатор обладает свойством автоматического смещения напряжения. Если одно плечо (например, верхнее) открыто дольше, конденсатор C4 за этот такт успевает зарядиться чуть сильнее, чем разрядиться при следующем такте.
На обкладках конденсатора начинает накапливаться постоянное напряжение смещения, которое направлено против более «сильного» плеча. Благодаря этому смещению, вольт-секундные площадки (произведение напряжения на время) для обоих полупериодов уравниваются.
Конденсатор C4 превращает асимметрию тока в небольшое постоянное напряжение на самом себе. Для силового трансформатора это выглядит так, будто его питают идеально симметричным переменным напряжением, что и необходимо для штатной работы полумостовой схемы.
Разделительный конденсатор в схеме реального блока питания является единственным плёночным конденсатором большой ёмкости. Он имеет красно-коричневый цвет и заметно выделяется своими размерами среди прочих конденсаторов, распаянных на плате. Его номинальная ёмкость обычно составляет 1 мкФ, а рабочее напряжение – 250 или 400 В.
На следующем фото №6 показано место установки такого конденсатора с маркировкой CL21 1µK250V.
На частоте работы блока питания (например, 50 кГц) сопротивление такого конденсатора (ёмкостью 1 мкФ) составляет около 3 Ом. Это достаточно мало, чтобы передавать энергию без потерь.
Почему используется именно плёночный конденсатор? Обычные электролитические конденсаторы здесь не подходят, так как они полярные (а ток здесь переменный высокой частоты) и имеют слишком высокое паразитное сопротивление (ESR). Плёночные же конденсаторы отлично работают на частотах 30–60 кГц и выдерживают большие импульсные токи.
Демпферные диоды
Следующими элементами схемы, заслуживающими внимания, являются два диода. И это не простые выпрямительные диоды, а быстродействующие (Fast Recovery). На плате реального аппарата они расположены рядом с ключевыми транзисторами и подключаются к выводам их коллектора и эмиттера (фото №7).
На схеме полумостового инвертора (рис. №1) они обозначены как VD3 и VD4.
Это так называемые демпферные диоды. Термин «демпферный диод» (англ. – damper diode) перекочевал в силовую электронику из схемотехники ламповых и транзисторных телевизоров с ЭЛТ (кинескопом). В блоке строчной развертки телевизора стоял диод, который гасил (демпфировал) паразитные колебания, возникающие в катушке отклонения после обратного хода луча. Без него на экране появлялись бы вертикальные полосы.
Так как полумостовой инвертор в БП работает с индуктивной нагрузкой (трансформатором) и диод здесь также борется с выбросами напряжения, инженеры «старой школы» стали называть эти диоды демпферными.
В современной же технической литературе их называют диодами свободного хода (freewheeling diodes), рекуперационными диодами (recuperation / regeneration diode), реже ограничительный диод (clamp diode) или антипараллельный диод (anti-parallel diode).
Несмотря на обилие названий, задача у данных диодов одна – уберечь ключевые транзисторы VT1 и VT2 от ЭДС самоиндукции, которая возникает на первичной обмотке силового трансформатора T1 в момент закрытия транзистора.
Они создают обходной путь для протекания тока индуктивности рассеяния трансформатора в те моменты, когда оба транзистора закрыты (Dead Time). Это защищает транзисторы от пробоя выбросом напряжения самоиндукции и возвращает часть энергии обратно в конденсаторы фильтра (так происходит рекуперация энергии).
В полумостовой схеме диоды работают "крест-накрест" с транзисторами: когда закрывается верхний транзистор VT1, в работу вступает нижний диод VD4, и наоборот (VT2 – закрывается, VD3 – пропускает ток).
Разберём работу демпферного диода на примере верхнего плеча.
Из-за индуктивности рассеяния в момент закрытия транзистора VT1 на первичной обмотке (Ⅰ) трансформатора T1 возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует резкому прекращению тока. Но поскольку ключевой транзистор закрыт, то на выводах обмотки напряжение может подскочить до сотен вольт и даже киловольт – до тех пор, пока его не ограничит лавинный пробой транзистора или паразитные ёмкости схемы. Этот всплеск может привести к пробою транзистора высоким обратным напряжением.
В момент закрытия транзистора VT1 ток в обмотке трансформатора T1 продолжает течь. Его поддерживает энергия магнитного поля индуктивности рассеяния. При этом, потенциал напряжения в точке соединения транзисторов резко падает ниже нуля. Как только он становится чуть ниже порога в -0,7 В, то p-n переход диода VD4 открывается и через него начинает течь ток по цепи: минус питания («-» конденсатора C2) → Диод VD4 → вывод 1 силового трансформатора T1 → вывод 2 трансформатора T1 → конденсатор C4 → средняя точка конденсаторов C1, C2 → плюс «+» конденсатора C2. То есть диод создаёт обходной путь для тока и тем самым ограничивает выброс напряжения, который может пробить ключевой транзистор.
В результате происходит процесс рекуперации – энергия возвращается в источник питания, в данном случае, подзаряжается конденсатор C2. Поэтому одно из названий данных диодов – рекуперационные.
В следующей части будут рассмотрены типовые схемы силового каскада импульсного блока питания AT-формата, в основе которого лежит разобранная здесь топология полумостового инвертора.