В блоке питания пульсирует выходное напряжение

В этой статье, я немного расскажу об основах ремонта компьютерных, импульсных блоков питания стандарта ATX. Это одна из первых моих статей, я написал её примерно 5 лет назад, по этому прошу строго не судить.

Меры предосторожности.Ремонт импульсных БП, довольно опасное занятие, особенно если неисправность касается горячей части БП. Поэтому делаем всё вдумчиво и аккуратно, без спешки, с соблюдением техники безопасности.

Силовые конденсаторы могут длительное время держать заряд, поэтому не стоит прикасаться к ним голыми руками сразу после отключения питания. Ни в коем случае не стоит прикасаться к плате или радиаторам при подключенном к сети блоке питания.

Для того чтобы избежать фейерверка и сохранить ещё живые элементы следует впаять 100 ватную лампочку вместо предохранителя. Если при включении БП в сеть лампа вспыхивает и гаснет – все нормально, а если при включении лампа зажигается и не гаснет – где-то короткое замыкание.

Проверять блок питания после выполненного ремонта следует вдали от легко воспламеняющихся материалов.

Инструментарий.

Паяльник, припой, флюс. Рекомендуется паяльная станция с регулировкой мощности или пара паяльников разной мощности. Мощный паяльник понадобиться для выпаивания транзисторов и диодных сборок, которые находятся на радиаторах, а так же трансформаторов и дросселей.

Паяльником меньшей мощности паяется разная мелочевка.Отсос для припоя и (или) оплетка. Служат для удаления припоя.ОтверткаБокорезы. Используются для удаления пластиковых хомутов, которыми стянуты провода.МультиметрПинцетЛампочка на 100ВтОчищенный бензин или спирт.

Используется для очистки платы от следов пайки.

  • Устройство БП.
  • Немного о том, что мы увидим, вскрыв блок питания.

В блоке питания пульсирует выходное напряжение

  1. Внутреннее изображение блока питания системы ATX
  2. A – диодный мост, служит для преобразования переменного тока в постоянный
  3. B – силовые конденсаторы, служат для сглаживания входного напряжения
  4. Между B и C – радиатор, на котором расположены силовые ключи
  5. C – импульсный трансформатор, служит для формирования необходимых номиналов напряжения, а также для гальванической развязки
  6. между C и D – радиатор, на котором размещены выпрямительные диоды выходных напряжений
  7. D – дроссель групповой стабилизации (ДГС), служит для сглаживания помех на выходе
  8. E – выходные, фильтрующие, конденсаторы, служат для сглаживания помех на выходе
  9. Распиновка разъема 24 pin и измерение напряжений.

Знание контактов на разъеме ATX нам понадобится для диагностики БП. Прежде чем приступать к ремонту следует проверить напряжение дежурного питания, на рисунке этот контакт отмечен синим цветом +5V SB, обычно это фиолетовый провод.

Если дежурка в порядке, то следует проверить наличие сигнала POWER GOOD (+5V), на рисунке этот контакт помечен серым цветом, PW-OK. Power good появляется только после включения БП. Для запуска БП замыкаем зеленый и черный провод, как на картинке.

Если PG присутствует, то, скорее всего блок питания уже запустился и следует проверить остальные напряжения. Обратите внимание, что выходные напряжения будут отличаться в зависимости от нагрузки.

Так, что если увидите на желтом проводе 13 вольт, не стоит беспокоиться, вполне вероятно, что под нагрузкой они стабилизируются до штатных 12 вольт.

Если у вас проблема в горячей части и требуется измерить там напряжения, то все измерения надо проводить от общей земли, это минус диодного моста или силовых конденсаторов.

В блоке питания пульсирует выходное напряжение

Визуальный осмотр.

Первое, что следует сделать, вскрыть блок питания и произвести визуальный осмотр.

Если БП пыльный вычищаем его. Проверяем, крутится ли вентилятор, если он стоит, то это, скорее всего и является причиной выхода из строя БП. В таком случае следует смотреть на диодные сборки и ДГС. Они наиболее склонны к выходу из строя из- за перегрева.

Далее осматриваем БП на предмет сгоревших элементов, потемневшего от температуры текстолита, вспученных конденсаторов, обугленной изоляции ДГС, оборванных дорожек и проводов.

Первичная диагностика.

Перед вскрытием блока питания можно попробовать включить БП, чтобы наверняка определиться с диагнозом. Правильно поставленный диагноз – половина лечения.

Неисправности:

БП не запускается, отсутствует напряжение дежурного питанияБП не запускается, но дежурное напряжение присутствует. Нет сигнала PG.БП уходит в защиту,БП работает, но воняет.Завышены или занижены выходные напряжения

Предохранитель.

В блоке питания пульсирует выходное напряжение

Если вы обнаружили, что сгорел плавкий предохранитель, не спешите его менять и включать БП. В 90% случаев вылетевший предохранитель это не причина неисправности, а её следствие. В таком случае в первую очередь надо проверять высоковольтную часть БП, а именно диодный мост, силовые транзисторы и их обвязку.

Варистор

В блоке питания пульсирует выходное напряжение

Задачей варистора является защита блока питания от импульсных помех.

При возникновении высоковольтного импульса сопротивление варистора резко уменьшается до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла.

При перенапряжении в сети варистор резко уменьшает свое сопротивление, и возросшим током через него выжигается плавкий предохранитель. Остальные элементы блока питания при этом остаются целыми.

Варистор выходит из строя из-за скачков напряжения, вызванными например грозой. Так же варисторы выходят из строя, если по ошибке вы переключили БП в режим работы от 110в. Вышедший из строя варистор обычно определить не сложно.

Обычно он чернеет и раскалывается, а на окружающих его элементах появляется копоть. Вместе с варистором обычно перегорает предохранитель.

Замену предохранителя можно производить только после замены варистора и проверки остальных элементов первичной цепи.

Диодный мостДиодный мост представляет собой диодную сборку или 4 диода стоящие рядом друг с другом. Проверить диодный мост можно без выпаивания, прозвонив каждый диод в прямом и обратном направлениях. В прямом направлении падение напряжения должно быть около 500мВ, а в обратном звониться как разрыв.

В блоке питания пульсирует выходное напряжениеВ блоке питания пульсирует выходное напряжение

Диодные сборки измеряются следующим образом. Ставим минусовой щуп мультиметра на ножку сборки с отметкой «+», а плюсовым щупом прозваниваем в направления указанных на картинке.

В блоке питания пульсирует выходное напряжение

КонденсаторыВышедшие из строя конденсаторы легко определить по выпуклым крышкам или по вытекшему электролиту. Конденсаторы заменяются на аналогичные. Допускается замена на конденсаторы немногим большие по ёмкости и напряжению.

Если из строя вышли конденсаторы в цепи дежурного питания, то блок питания будет включаться с n-ого раза, либо откажется включаться совсем.

Блок питания с вышедшими из строя конденсаторами выходного фильтра будет выключаться под нагрузкой либо так же полностью откажется включаться, будет уходить в защиту.

Иногда, высохшие, деградировавшие, конденсаторы выходят из строя, без каких либо видимых повреждений. В таком случае следует, предварительно выпаяв конденсаторы проверить их емкость и внутренние сопротивление. Если емкость проверить нечем, меняем все конденсаторы на заведомо рабочие.

В блоке питания пульсирует выходное напряжениеВ блоке питания пульсирует выходное напряжениеВ блоке питания пульсирует выходное напряжение

Резисторы

Номинал резистора определятся по цветовой маркировке. Резисторы следует менять только на аналогичные, т.к. небольшое отличие в номиналах сопротивления может привести к тому, что резистор будет перегреваться.

А если это подтягивающий резистор, то напряжение в цепи может выйти за пределы логического входа, и ШИМ не будет генерировать сигнал Power Good. Если резистор сгорел в уголь, и у вас нет второго такого же БП, чтобы посмотреть его номинал, то считайте, что вам не повезло.

Особенно, это касается дешевых БП, на которые, практически не возможно достать принципиальных схем.

Диоды и стабилитроны

Проверяются прозвонкой в обе стороны. Если звонятся в обе стороны как К.З. или разрыв, то не исправны. Сгоревшие диоды следует менять на аналогичные или сходные по характеристикам, внимание обращаем на напряжение, силу тока и частоту работы.

Транзисторы, диодные сборки.

Транзисторы и диодный сборки, которые установлены на радиатор, удобнее всего выпаивать вместе с радиатором. В «первичке» находятся силовые транзисторы, один отвечает за дежурное напряжение, а другие формируют рабочие напряжения 12в и 3,3в. Во вторичке на радиаторе находятся выпрямительные диоды выходных напряжений (диоды Шоттки).

Проверка транзисторов заключается в “позвонке” р-п-переходов, также следует проверить сопротивление между корпусом и радиатором. Транзисторы не должны замыкать на радиатор. Для проверки диодов ставим минусовой щуп мультиметра на центральную ногу, а плюсовым щупом тыкаем в боковые. Падение напряжения должно быть около 500мВ, а в обратном направление должен быть разрыв.

Если все транзисторы и диодные сборки оказались исправные, то не спешите запаивать радиаторы обратно, т.к. они затрудняют доступ к другим элементам.

ШИМ

Если ШИМ визуально не поврежден и не греется, то без осциллографа его проверить довольно сложно.

Простым способом проверки ШИМ, является проверка контрольных контактов и контактов питания на пробой.

Для этого нам понадобиться мультиметр и дата шит на микросхему ШИМ. Диагностику ШИМ следует проводить, предварительно выпаяв её. Проверка производится прозвоном следующих контактов относительно земли (GND): V3.3, V5, V12, VCC, OPP. Если между одним из этих контактов и землей сопротивление крайне мало, до десятков Ом, то ШИМ под замену.

Дроссель групповой стабилизации (ДГС).

Выходит из строя из-за перегрева (при остановке вентилятора) или из-за просчетов в конструкции самого БП (пример Microlab 420W).

Сгоревший ДГС легко определить по потемневшему, шелушащемуся, обугленному изоляционному лаку. Сгоревший ДГС можно заменить на аналогичный или смотать новый.

Читайте также:  Как сделать фланец для наждака своими руками

Если вы решите смотать новый ДГС, то следует использовать новое ферритовое кольцо, т.к. из за перегрева старое кольцо могло уйти по параметрам.

Трансформаторы.

Для проверки трансформаторов их следует предварительно выпаять. Их проверяют на короткозамкнутые витки, обрыв обмоток, потерю или изменение магнитных свойств сердечника.

Чтобы проверить трансформатор на предмет обрыва обмоток достаточно простого мультиметра, остальные неисправности трансформаторов определить гораздо сложнее и рассматривать их мы не будем. Иногда пробитый трансформатор можно определить визуально.

Опыт показывает, что трансформаторы выходят из строя крайне редко, поэтому их нужно проверять в последнюю очередь.

Профилактика вентилятора.

После удачного ремонта следует произвести профилактику вентилятора. Для этого вентилятор надо снять, разобрать, почистить и смазать.

Отремонтированный блок питания следует длительное время проверить под нагрузкой.Прочитав эту статью, вы самостоятельно сможете произвести легкий ремонт блока питания, тем самым сэкономив пару монет и избавить себя от похода в сервис или магазин.

Понимание выходных артефактов импульсных регуляторов напряжения ускоряет проектирование источников питания — ADP2114

  • Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2018
  • Aldrick S. Limjoco, Analog Devices
  • Analog Dialogue

В блоке питания пульсирует выходное напряжение

Введение

Минимизация выходных пульсаций и коммутационных выбросов импульсного регулятора может иметь большое значение, особенно при питании таких чувствительных к помехам устройств, как АЦП высокого разрешения, где пульсации на выходе преобразователя могут проявляться в виде отдельных пиков в спектре выходного сигнала.

Для того чтобы не допустить ухудшения отношения сигнал/шум и динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих, импульсные регуляторы часто заменяют линейными LDO стабилизаторами, жертвуя высоким КПД импульсного регулятора ради чистого выхода LDO.

Понимание этих артефактов позволит разработчикам успешно интегрировать импульсные преобразователи в более широкий круг высококачественных, чувствительных к шуму приложений.

В статье описаны эффективные методы измерения выходных пульсаций и коммутационных выбросов в импульсных стабилизаторах напряжения.

Для измерения подобных артефактов требуется величайшая аккуратность, поскольку плохая организация процесса может привести к некорректным результатам из-за паразитной индуктивности, создаваемой петлей, образованной щупом осциллографа и выводами земли.

Паразитная индуктивность увеличивает амплитуду выбросов, обусловленных фронтами импульсов переключения, поэтому при измерениях необходимо обеспечивать короткие связи, правильные методы и широкую полосу пропускания.

Для демонстрации способов измерения выходных пульсаций и коммутационных шумов будет использована микросхема сдвоенного двухамперного синхронного понижающего DC/DC преобразователя ADP2114, допускающая также удвоение выходного тока путем объединения двух выходов. Этот понижающий регулятор обеспечивает высокий КПД, работая на частотах переключения до 2 МГц.

Выходные пульсации и коммутационные выбросы

Выходные пульсации и коммутационные выбросы зависят от топологии регулятора, а также от номиналов и характеристик внешних компонентов. Выходные пульсации – это остаточное напряжение переменного тока на выходе схемы, связанное с переключением регулятора. Их основная частота равна рабочей частоте преобразователя.

Коммутационные выбросы представляют собой высокочастотные колебания, создаваемые фронтами импульсов переключения. Измерение их амплитуды, выраженной как максимальное напряжение от пика до пика, затруднено, поскольку она сильно зависит от схемы испытаний. Пример выходных пульсаций и коммутационных шумов показан на Рисунке 1.

В блоке питания пульсирует выходное напряжение
Рисунок 1. Выходные пульсации и коммутационные выбросы.

Выходные пульсации

Основные компоненты, влияющие на выходные пульсации – это дроссель и выходной конденсатор регулятора. Дроссель меньшей индуктивности увеличивает скорость отклика за счет большей амплитуды пульсаций тока, в то время как большая индуктивность дросселя снижает пульсации за счет ухудшения переходной характеристики.

Минимизировать пульсации выходного напряжения позволяет использование конденсатора с низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Хорошо подходят керамические конденсаторы с диэлектриками X5R или X7R.

Для снижения выходных пульсаций часто используют конденсаторы большой емкости, однако размеры и количество выходных конденсаторов напрямую влияют на стоимость устройства и площадь печатной платы.

Измерения в частотной области

При измерении нежелательных артефактов выходного сигнала разработчикам силовой электроники полезно представлять поведение их устройства в частотной области, поскольку это дает им наглядную информацию о том, какие дискретные частоты и гармоники вносят основной вклад в выходные пульсации на каждом соответствующем уровне мощности. Пример такого спектра показан на Рисунке 2. Подобная информация помогает инженерам определить, подходит ли выбранная микросхема импульсного регулятора для преобразования напряжения в их приложениях.

В блоке питания пульсирует выходное напряжение
Рисунок 2. Характеристика в частотной области, полученная с использованием анализатора спектра.

Для измерений в частотной области 50-омный коаксиальный кабель подключают параллельно выходному конденсатору.

Сигнал проходит через блокировочный конденсатор на согласованный 50-омный вход анализатора спектра. Блокировочный конденсатор защищает вход анализатора от перегрузки постоянным напряжением.

50-омная линия передачи сигнала минимизирует высокочастотные отражения и уровень стоячих волн.

Основным источником выходных пульсаций является выходной конденсатор, поэтому точку измерений следует располагать как можно ближе к нему.

Для минимизации дополнительной индуктивности, способной исказить результаты измерений, площадь петли между измерительным наконечником щупа и землей должна быть минимально возможной.

Выходные пульсации и гармоники в частотной области представлены на Рисунке 2. В указанных режимах работы ADP2114 на основной частоте генерирует выходные пульсации амплитудой 4 мВ пик-пик.

Измерения во временнóй области

При использовании щупа осциллографа избегайте образования земляных петель, поскольку петли, образованные сигнальным щупом и длинными выводами земли вносят дополнительную индуктивность и увеличивают амплитуду коммутационных выбросов.

В блоке питания пульсирует выходное напряжение
Рисунок 3. Земляная петля вызывает ошибки измерений.

Измеряя слабые выходные пульсации, использовать пассивный щуп 1:1 или 50-омный коаксиальный кабель предпочтительнее, чем щуп 1:10, который ослабляет сигнал в 10 раз, опуская его вниз к уровню шумового порога. Приемлемый, но не лучший метод подключения щупа осциллографа показан на Рисунке 3.

Результирующая осциллограмма сигналов, полученная при полосе пропускания прибора 500 МГц, изображена на Рисунке 4. Высокочастотный шум и выбросы напряжения не имеют прямого отношения к импульсному преобразователю, а являются артефактами измерений, порожденными длинным проводником заземления.

В блоке питания пульсирует выходное напряжение
Рисунок 4. Формы сигналов в коммутационном узле (1) и на выходе (2).

Существует несколько способов снижения паразитной индуктивности. Один из них заключается в том, чтобы отсоединить длинный земляной провод от стандартного щупа осциллографа, и касаться какой-либо точки платы, имеющей потенциал земли, непосредственно земляной втулкой. Этот метод, называемый «tip-and-barrel»1), иллюстрируется Рисунком 5.

Однако в данном случае щуп оказывается подключенным не к той точке – к выходу регулятора, а не непосредственно к выходному конденсатору, как это следовало бы сделать. В результате, хотя вывод земли при таком включении был удален, индуктивность дорожек печатной платы осталась. На Рисунке 6 показана результирующая осциллограмма, полученная в полосе пропускания 500 МГц.

После исключения длинного земляного вывода уровень высокочастотных шумов снизился.

1) Название метода «tip-and-barrel» оставлено без перевода. Здесь «tip» – острие щупа, «barrel» – в буквальном переводе «бочонок» – земляная металлическая втулка щупа.

В блоке питания пульсирует выходное напряжение
Рисунок 5. Использование метода tip-and-barrel в произвольной точке на выходе импульсного преобразователя.
В блоке питания пульсирует выходное напряжение
Рисунок 6. Формы сигнала в коммутационном узле (1) и переменной составляющей выходногонапряжения (2).
В блоке питания пульсирует выходное напряжение
Рисунок 7. Использование метода tip-and-barrel с заземляющей проволочной спиралью на выходном конденсаторе.

Как видно из Рисунка 7, прямое подключение щупа к выходному конденсатору с использованием заземляющей спирали дает почти оптимальную детализацию выходных пульсаций. Коммутационные выбросы стали лучше, а индуктивность проводников платы существенно уменьшилась. Теме не менее, изображение пульсаций все еще остается размытым из-за наложения постороннего сигнала небольшой амплитуды (Рисунок 8).

В блоке питания пульсирует выходное напряжение
Рисунок 8. Формы сигнала в коммутационном узле (1) и переменной составляющей выходногонапряжения (2).

Наилучший метод

В блоке питания пульсирует выходное напряжение
Рисунок 9. Наилучший метод подключения щупа с использованием коаксиального кабеля с 50-омным согласованием.
Рисунок 10. Пример наилучшего способа измерений.

Наилучший метод измерений на выходе импульсного преобразователя предполагает подключение 50-омного коаксиального кабеля, согласованного 50-омным входным импедансом осциллографа. Постоянную составляющую отсекает конденсатор, включенный между выходом регулятора и входом осциллографа. Другой конец кабеля может быть припаян непосредственно к выходному конденсатору с использованием заземляющей спирали, как это показано на Рисунках 9 и 10. Это позволяет сохранить целостность сигнала при измерении очень слабых сигналов в широкой полосе частот. Рисунок 11 дает возможность сравнить метод tip-and-barrel и вариант с подключением 50-омного коаксиального кабеля к выходному конденсатору при полосе измерений 500 МГц.

Рисунок 11. Сигнал в коммутационном узле (1), метод tip-and-barrel (3) и метод с 50-омнымкоаксиальным кабелем.

Сравнение методов показывает, что коаксиальный кабель в 50-омном оборудовании обеспечивает более точные результаты с меньшими шумами, даже при измерении в полосе частот 500 МГц.

Изменение полосы пропускания осциллографа до 20 МГц практически полностью убирает высокочастотный шум (Рисунок 12). Во временнóй области ADP2114 генерирует выходной шум с амплитудой 3.

9 мВ пик-пик, что хорошо согласуется с результатами измерений в частотной области, дающими значение 4 мВ пик-пик в полосе 20 МГц.

Рисунок 12. Сигнал в коммутационном узле (1) и пульсации выходного напряжения (2).

Измерение коммутационных выбросов

Энергия коммутационных выбросов ниже, но частотный спектр шире, чем у выходных пульсаций. Выбросы происходят в моменты переключения и часто нормируются как один параметр, измеряемый от пика до пика и включающий пульсации.

Читайте также:  Как прозвонить обмотку генератора мультиметром

Рисунок 13 иллюстрирует сравнение двух методов измерения коммутационные выбросов: с использованием стандартно щупа осциллографа с длинной земляной петлей и согласованного на конце 50-омного коаксиального кабеля при полосе частот осциллографа 500 МГц.

Из сравнения хорошо видно, почему, как правило, при длинном проводе заземления наблюдаемые коммутационные выбросы оказываются больше ожидаемых.

Рисунок 13. Измерения в коммутационном узле (1), выполняемые стандартным щупом осциллографа (3), и с использованием коаксиальной 50-омной согласованнойоконечной нагрузки (2).

Заключение

Методы измерений выходных пульсаций и коммутационных выбросов имеют большое значение при конструировании и оптимизации малошумящих высокоэффективных систем питания на основе импульсных преобразователей. Эти методы обеспечивают точный и воспроизводимый результат как во временнóй, так и в частотной области.

При измерении слабых сигналов в широкой полосе частот важно обеспечить 50-омный импеданс всего тракта прохождения измеряемого сигнала. Простой и недорогой способ, позволяющий это сделать – использовать хорошо согласованный на конце 50-омный коаксиальный кабель.

Этот метод может быть применим к импульсным преобразователям множества различных топологий.

Ссылки

  1. Datasheet Analog Devices ADP2114

Ремонт БП S-100-12 (пульсация выходного напряжения) — Путь к успеху

Напряжение на выходе блока питания S-100-12 пульсирует от 8 до 11 В. Это слышно по «щелканию» трансформатора и выходному светодиоду блока питания.

Блок питания в традиционном стандартном корпусе. Имеется наклейка «НЕ РАБ ЗАМЕН КОНДЕ», т.е. в нем ранее заменили конденсаторы, но он не заработал или их нужно заменить.

Блок питания S-100-12

Снимаем корпус и получаем доступ к плате. Каких либо отличительных знаков, указывающих на принадлежность к какой-либо торговой марке нет. Работа блока питания S-100-12 построена на ШИМ UC3845P.

Внутреннее устройство S-100-12

На обратной стороне блока питания также отсутствует какая-либо информация. Видны следы пайки практически на всех конденсаторах.

Обратная сторона платы S-100-12

Некоторые из элементов заменены довольно грубо. Пропаиваем такую пайку повторно.

Пропаиваем дефекты пайки

Блок питания находился в сырых условиях окружающей среды, т.к. защитной лак (маска) на плате вздулся и отваливается. Осматриваем визуально дорожки на отсутствие прожигов и обрывов.

Отслоение лака на дорожках

Проверяем все емкости и обнаруживаем, что все конденсаторы исправны кроме двух высоковольтных, стоящих на «горячей», первичной стороне блока питания. Они имеют завышенный ESR.

Высоковольтные конденсаторы с завышенным ESR

Вышло из строя два последовательно включенных конденсатора 220 мкФ на 200 В. Мы можем их заменить одним конденсатором 100 мкФ на 400 В. Он довольно большой по высоте, поэтому ложим его на бок. Не достающие ножки прокладываем отдельными проводниками.

Новый конденсатор

  • После указанной замены работа блока питания S-100-12 снова пришла в норму и он пригоден к дальнейшему использованию.

Отремонтированный блок питания S-100-12

Ранее приходилось ремонтировать блок питания Kai xin KX-12V05A с подобной пульсацией выходного напряжения, но тогда был неисправным конденсатор в обвязке микросхемы ШИМ.

Высокочастотные пульсации выходных напряжений

Другая проблема импульсных блоков питания — следствие его достоинств: высокой частоты и ключевого режима работы транзисторов. Во-первых, благодаря этому мы получаем на выходе блока высокочастотные колебания на частоте работы ШИМ-контроллера, т. е.

около 60 кГц.

Во-вторых, практически мгновенное переключение ключевых транзисторов означает, что в моменты переключения на выходе стабилизатора возникает короткая, но сильная помеха с широким спектром.

Заметно сгладить ее, переключая транзисторы плавно, нельзя — тогда в моменты переключения они будут работать в линейном режиме, когда одновременно достаточно велики и напряжение на транзисторе, и ток через него, что приведет к заметному росту тепловыделения.

Поэтому единственный способ бороться с такими помехами — установка фильтров. Отчасти роль фильтра играет дроссель групповой стабилизации, но у него довольно большая индуктивность, поэтому он не способен бороться с возникающими в моменты переключения транзисторов высокочастотными помехами.

Из-за этого приходится ставить дополнительные небольшие дроссели — они уже независимы для каждой выходной шины и предназначены только для сглаживания помех, возникших в результате работы стабилизатора.

На высокочастотные пульсации выходных напряжений стандарт накладывает жесткие требования: их размах, т. е.

расстояние от минимума до максимума, даже при максимальной нагрузке на блок не должен превышать значений.

С соблюдением этих требований дело обстоит проще, чем со стабильностью напряжений — все блоки питания среднего уровня и выше им соответствуют.

Проблемы же начинаются, если производитель блока откровенно экономит на деталях, занижая номиналы фильтрующих конденсаторов на выходе или заменяя дроссели обычными перемычками. В таких случаях эффекты бывают самыми разнообразными: в одних БП начинают сильно проявляться колебания на частоте ШИМ-контроллера (т.

е.

в районе 60 кГц), в других появляются по-настоящему сильные выбросы в момент переключения транзисторов, в третьих на выходе возникают колебания с удвоенной частотой питающей сети (100 Гц) — это уже следствие либо чрезмерно заниженной емкости конденсаторов высоковольтного выпрямителя, либо грубые ошибки в проектировании блока питания. К сожалению, определить размах пульсаций в домашних условиях практически невозможно — для этого требуется хороший осциллограф, а вот неприятностей чрезмерно большие пульсации могут доставить ничуть не меньше, чем нестабильные напряжения.

Фильтрация ВЧ-помех на входе блока

Однако создаваемые блоком питания помехи попадают не только на его выход, но и на вход, что может повлиять на другую электронную аппаратуру, размещенную поблизости (так, импульсный блок питания может наводить заметные помехи на включенный в одну розетку с ним телевизор).

Поэтому на входе БП ставится специальный фильтр для подавления помехи — и, вопреки распространенному мнению, защищает он не сам блок питания, а, наоборот, включенную поблизости от него прочую аппаратуру.

На практике этот узел обычно представляет собой LC-фильтр, состоящий из двух дросселей и нескольких конденсаторов. К сожалению, протестировать эффективность его работы еще сложнее, чем измерить уровень пульсаций на выходе блока.

Многие производители недорогих моделей блоков питания пользуются этим: фильтр либо убирается вообще, либо заметно упрощается. Проконтролировать это, как правило, можно только визуально, разобрав блок питания, что не всегда возможно.

Защита блока питания

В любом компьютерном блоке питания, претендующем на соответствие стандартам, есть несколько систем защиты, призванных уберечь сам БП от каких-либо внешних воздействий и не допустить повреждения подключенных к нему компонентов в случае выхода из строя его самого.

Базовая защита блока питания — это защита по максимальной выходной мощности.

Она достаточно эффективна как средство защиты от перегрева — ведь тепловыделение блока зависит от нагрузки на него, но при этом не способна уберечь блок от выхода из строя при сильной перегрузке какой-либо одной из выходных шин.

В такой ситуации общая потребляемая мощность может и не превысить допустимую, в то время как перегруженная шина выйдет из строя из-за превышения максимального тока, что уже, в свою очередь, приведет к полному выходу из строя всего блока питания.

Для борьбы с этим в качественных блоках, помимо общей защиты по мощности, шины с большой нагрузочной способностью также оснащены индивидуальной защитой, останавливающей блок при перегрузке любой такой шины. Необходимо отметить, что, согласно стандарту, блок должен корректно справляться не только с перегрузкой, но и с замыканием шин друг на друга, а также на «землю».

Третья важная ступень защиты уже рассчитана на предотвращение поломок оборудования при выходе из строя самого блока питания: она контролирует выходные напряжения и, если они по какой-либо причине оказываются ниже или выше допустимого уровня, останавливает блок. Допустимый уровень в данном случае — не приведенные выше допустимые отклонения напряжений в процессе работы, а несколько большие значения, иначе защита активировалась бы при отдельных коротких всплесках напряжения, не способных причинить никакого вреда.

К сожалению, некоторые блоки нижнего ценового диапазона не оснащаются подобной защитой, что в случае выхода такого блока из строя может привести (и зачастую это происходит) к отказу практически всего системного блока, в том числе электроники жестких дисков, системной платы, графического адаптера и др. Блоки питания среднего ценового диапазона, как правило, уже разрабатываются на базе микросхем ШИМ-контроллеров со встроенной защитой, поэтому для них вероятность таких происшествий крайне мала.

Вопреки распространенному мнению, блоки не оборудуются защитой от превышения входного напряжения. Впрочем, импульсный блок питания способен работать в очень широком диапазоне напряжений, поэтому в штатном режиме для нормальной работы ему подходит практически любая электросеть без дополнительной стабилизации.

Выход же блока питания из строя из-за превышения входного напряжения обычно случается при работе его в 220-В сети, когда переключатель напряжения сети установлен в положение «110 В». Такая ситуация означает практически мгновенный отказ БП.

Читайте также:  Al1814cv схема зарядки шуруповерта

Установленный на входе блока питания плавкий предохранитель предназначен для защиты не самого БП, а питающей 220-В сети и аппаратуры в ней, поскольку срабатывает он уже после выхода из строя ключевых транзисторов блока, а установленные там же варисторы (нелинейные резисторы, сопротивление которых резко падает, если напряжение на них превышает некоторый порог) рассчитаны на защиту от коротких резких всплесков напряжения (например, при близком ударе молнии), но не от подключения блока к сети со слишком большим напряжением.

Кроме перечисленного, стандарт предусматривает возможность установки в блок защиты от перегрева, однако это необязательное требование, и абсолютное большинство производителей такую защиту не устанавливают.

КПД блока питания

Коэффициент полезного действия блока определяет отношение отдаваемой им на нагрузку мощности к активной мощности, потребляемой блоком от сети питания.

В данный момент стандарт ATX12V 1.1 требует КПД не менее 68% на максимальной мощности (для импульсного блока питания в среднем КПД растет с увеличением мощности нагрузки). В версии 2.0 этого стандарта требования ужесточены — теперь КПД должен составлять не менее 60% при мощности нагрузки 20% от максимальной и не менее 70% при мощности нагрузки 50% и более от максимальной.

Здесь можно лишь отметить, что, как показывает выборочное тестирование различных блоков, реальный КПД меняется от 70 до 85%, т. е.

без каких-либо проблем удовлетворяет требованиям стандарта.

Коэффициент мощности

В цепях переменного тока принято различать четыре вида мощности. Во-первых, мгновенная мощность — произведение тока на напряжение в данный момент времени.

Во-вторых, так называемая активная мощность — мощность, выделяющаяся на чисто резистивной нагрузке, измеряется она в ваттах.

Активная мощность целиком идет на полезную работу (нагрев, механическое движение), и обычно именно ее понимают под потребляемой мощностью.

Так как реальная нагрузка обычно имеет еще индуктивную и емкостную составляющие, то к активной мощности добавляется реактивная, измеряемая в вольт-амперах реактивных (ВАР).

Нагрузкой реактивная мощность не потребляется: полученная в течение одного полупериода сетевого напряжения, она полностью отдается обратно в сеть в течение следующего полупериода, лишь напрасно нагружая провода.

Таким образом, реактивная мощность совершенно бесполезна, и с ней по возможности борются, применяя различные корректирующие устройства. Векторная сумма активной и реактивной мощностей дает полную мощность — соответственно, квадрат полной мощности равен сумме квадратов активной и реактивной мощностей.

Коэффициентом мощности называется отношение активной мощности к полной. Так как разница между этими двумя мощностями появляется из-за реактивной мощности, не несущей никакой пользы, то в идеале активная мощность должна быть полной и соответственно коэффициент мощности — единица.

Высокая реактивная мощность может возникать либо в результате большого сдвига фаз между напряжением и током, либо в случае, если потребление тока сильно отличается от синусоидального.

В импульсных блоках питания реализуется преимущественно второй случай, что обусловлено особенностями их схемотехники: на входе такого блока питания стоит выпрямитель и следом за ним — конденсатор (или, если быть точным, обычно два конденсатора), с которого уже снимается напряжение питания для импульсного преобразователя.

При включении блока питания в сеть первой четверть волной сетевого напряжения конденсатор заряжается до трехсот с небольшим вольт.

Потом сетевое напряжение начинает быстро спадать (вторая четверть волна), в то время как конденсатор значительно медленнее разряжается в нагрузку — в результате в момент начала роста сетевого напряжения (третья четверть волна) напряжение на не успевшем разрядиться конденсаторе будет около 250 В, и пока напряжение в сети меньше — ток заряда будет равен нулю (диоды выпрямителя заперты приложенным к ним обратным напряжением, равным разности напряжений на конденсаторе и в сети). На последней трети четверть волны (разумеется, все численные оценки даны весьма приблизительно, реально они зависят от величины нагрузки и емкости конденсатора) напряжение в сети превысит напряжение на конденсаторе — и потечет ток заряда. Заряд прекратится, как только напряжение в сети снова станет меньше, чем на конденсаторе, — это произойдет в первой половине четвертой четверть волны. В результате получается, что блок питания потребляет ток только в моменты зарядки конденсатора: на осциллограмме такое потребление выглядит как острые высокие пики, не имеющие ничего общего с плавной синусоидой.

Для коррекции коэффициента мощности (Power Factor Correction, PFC) в настоящее время применяют два типа схем: пассивные и активные.

Пассивные схемы представляют собой один массивный дроссель, включенный последовательно с блоком питания и благодаря своей большой индуктивности сглаживающий пики потребления блока.

Такая схема крайне проста, но неэффективна: если блок питания без коррекции имеет коэффициент мощности 0,65-0,7 (в зависимости от нагрузки), то пассивная коррекция позволяет увеличить его до 0,7-0,75, что на фоне достаточно заметной с точки зрения производителя стоимости мощного дросселя весьма скромный показатель.

Впрочем, от пассивной коррекции есть и еще один положительный эффект — дроссель выступает как великолепный фильтр, гасящий высокочастотные помехи от блока питания.

Схема активной коррекции коэффициента мощности — это небольшое электронное устройство, позволяющее достичь почти идеального результата — коэффициент мощности блока с активной коррекцией достигает 0,95-0,98.

Охлаждение блока питания

Так как в блоке питания сравнительно небольших габаритов выделяется значительная мощность, ему требуется активное охлаждение — принудительный обдув греющихся элементов с помощью вентилятора.

Варианты реализации охлаждения довольно сильно разнятся в зависимости от блока. Самый популярный метод — один 80-мм вентилятор, расположенный на задней (внешней) стенке блока питания и вытягивающий теплый воздух наружу.

У такого типа охлаждения два серьезных недостатка: во-первых, при таком расположении вентилятора проблематичным становится качественное охлаждение всего объема блока; во-вторых, тепловыделение мощных блоков питания заставляет ставить производительные вентиляторы, что приводит к росту шума.

Самое простое решение проблемы — установка на противоположной стенке блока питания второго такого же вентилятора. Это решение, как правило, используется в недорогих БП благодаря своей дешевизне.

Установленный таким образом вентилятор направляет поток воздуха непосредственно на радиаторы транзисторов и диодов блока питания и силовой трансформатор, но при традиционной компоновке блока питания несколько в стороне остается еще один элемент с большим тепловыделением — дроссель групповой стабилизации.

Более эффективна схема со вторым вентилятором на верхней крышке блока (причем он смещается в сторону относительно первого вентилятора), размещенным так, чтобы поток воздуха от него приходился в первую очередь на два самых горячих элемента: радиатор с выходными диодными сборками и дроссель групповой стабилизации. Благодаря эффективному охлаждению этих элементов удается установить достаточно тихоходные вентиляторы, чтобы шум от них не был раздражающим. Такая схема охлаждения обычно применяется в довольно дорогих блоках питания, хотя встречаются и в отдельных моделях среднего ценового диапазона.

И, наконец, наиболее перспективная схема — установка одного 120-мм вентилятора на верхнюю крышку блока питания. Вентилятор с задней стенки при этом убирается вообще, а на стенке делается перфорация для свободного выхода воздуха.

Такая схема обеспечивает одновременно и хорошее равномерное охлаждение всех компонентов блока благодаря большому размеру вентилятора, и низкий уровень шума благодаря его большой эффективности (120-мм вентилятор имеет существенно меньшие обороты, чем 80-мм с таким же воздушным потоком, а, следовательно, производит значительно меньше шума).

К тому же эта схема дешевле, чем установка двух 80-мм вентиляторов — поэтому блоки с охлаждением одним 120-мм вентилятором становятся все более популярными в самых разных ценовых категориях.

Другая особенность систем охлаждения блоков питания — регулировка скорости вентилятора. Как правило, скорость зависит от температуры внутри блока питания (датчик располагается на радиаторе с диодными сборками или рядом с дросселем групповой стабилизации), но встречаются и блоки, в которых скорость регулируется в зависимости от нагрузки (например, последние модели от InWin).

Качество исполнения терморегулятора также сильно зависит от ценовой категории блока: это может быть просто включенный последовательно с вентилятором терморезистор в самых дешевых блоках и сравнительно серьезная электронная схема в более дорогих.

Различается и эффективность регулировки — в тихих дорогих блоках при включении вентилятор может вращаться на минимальной скорости 1000-1200 об/мин, а по мере прогрева блока при необходимости разгоняться до 2500-3000 об/мин, а в младших моделях скорость зачастую меняется в куда более скромных пределах, порядка 2000-2500 об/мин (здесь приведены характерные скорости 80-мм вентиляторов, для блоков со 120-мм моделями они будут существенно меньше). Кроме того, на некоторых моделях блоков, например компании Enermax, встречается и ручная регулировка скорости вращения с помощью обычного переменного резистора.

Также небольшую, но все же заметную роль в охлаждении играет решетка вентилятора. В дорогих моделях вместо штампованной решетки применяют проволочную, на которой, благодаря ее небольшой площади и закругленным краям, поток воздуха от вентилятора производит значительно меньше шума.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector