Разборка и анализ каждого компонента импульсного источника питания

Импульсный источник питания (сокращенно SMPS), также известный как импульсный источник питания, импульсный преобразователь, представляет собой высокочастотное устройство преобразования энергии и тип источника питания. Его функция заключается в преобразовании уровня напряжения в напряжение или ток, необходимые пользователю, с помощью различных форм архитектуры.

Функция общего источника питания заключается в преобразовании входной сети переменного тока (110 В/220 В переменного тока) в несколько низковольтных источников постоянного тока , необходимых аппаратному обеспечению, через изолированную переключающую понижающую схему: 3,3 В, 5 В, 12 В, -12 В и обеспечение компьютер с отключением 5 В в режиме ожидания (5VSB) для перехода в режим ожидания. В результате блок питания оснащен как высоковольтными, так и мощными компонентами .

Процесс преобразования мощности представляет собой вход переменного тока → схема фильтра электромагнитных помех → схема выпрямителя → схема коррекции коэффициента мощности (активная или пассивная PFC) → схема переключения первичной стороны силового каскада (сторона высокого напряжения) преобразуется в импульсный ток → главный трансформатор → вторичная сторона силового каскада. (Низковольтная сторона) Схема выпрямителя → Схема регулировки напряжения (например, схема магнитного усилителя или схема преобразования постоянного тока в постоянный ) → Схема фильтра (плавные выходные пульсации, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора) → Схема управления питанием для контроля выходного сигнала.

Ниже приводится введение в общие компоненты схем фильтров электромагнитных помех на входе переменного тока .

Входная розетка переменного тока

Здесь впервые проверяется подача переменного тока снаружи . Во-первых, на входе переменного тока будут установлены электромагнитные помехи второго порядка , чтобы блокировать помехи от линии электропередачи и предотвращать распространение шума переключения, создаваемого работой источника питания, по линии электропередачи и помех для другого электрического оборудования. (EMI) (Электромагнитные помехи) (EMI) (Электромагнитные помехи) ( Назначение фильтра нижних частот фильтра (фильтра) состоит в том, чтобы обойти или направить высокочастотный шум, включенный в переменный ток, в заземляющий провод, позволяя только форму сигнала примерно 60 Гц, чтобы пройти.

Центральная часть на фотографии выше представляет собой встроенную розетку питания фильтра электромагнитных помех , а схема фильтра полностью заключена в железный ящик, что более эффективно предотвращает утечку шума. Без металлического корпуса блок питания с глубоко установленным встроенным фильтром электромагнитных помех будет пропускать некоторый шум, поэтому в гнездо слева добавляются только конденсаторы Cx и Cy (которые будут введены позже). Схемы фильтров электромагнитных помех часто реализуются на основной плате. Если область цепи электромагнитных помех на основной плате пуста, компоненты в этой области были удалены. Поскольку внутренняя площадь блока питания с 12-сантиметровым вентилятором в настоящее время недостаточна для установки встроенного фильтра электромагнитных помех , используется большинство решений, показанных на левой и правой сторонах фотографии.

Конденсатор X (Cx, также известный как конденсатор фильтра перекрестной линии)

Целью этой схемы фильтра электромагнитных помех является снижение низкого нормального шума от линии электропередачи путем замыкания конденсатора между проводом под напряжением (L) и нейтральным проводом (N).

Внешний вид квадратный, как указано на фото, с написанными сверху буквами Х или Х2.

Конденсатор Y (Cy, также известный как конденсатор линейного обхода)

Чтобы минимизировать высокий нормальный и синфазный шум, конденсатор Y подключается между плавающей землей (FG) и проводом под напряжением (L)/нейтральным проводом (N).

Точка FG в блоке питания компьютера соединена с металлическим корпусом, заземляющим проводом (E) и выходной клеммой 0V/GND на фотографии, поэтому, когда заземляющий провод не подключен, он будет подключен через два последовательных соединения. подключенные провода. Когда человеческое тело касается Cy-конденсатора, он делит разность потенциалов (Vin/2) на половину входного источника питания, что может вызвать индуктивность.

Синфазный дроссель (перекрестная индуктивность)

Для устранения синфазных помех линии электропередачи и радиочастотных помех синфазный дроссель подключается последовательно с проводом под напряжением (L) и нейтральным проводом (N) в цепи фильтра. Входные линии некоторых источников питания имеют конструкцию, охватывающую магнитный сердечник, и их можно рассматривать как базовый синфазный дроссель. Он имеет кольцеобразную квадратную форму, похожую на форму трансформатора, и можно увидеть несколько открытых катушек.

Шум между линией L/N и линией заземления E известен как шум синфазного состояния, тогда как шум между линиями L и N известен как шум нормального состояния. Основная цель фильтра электромагнитных помех — устранить и заблокировать эти два типа шума. Схема защиты от переходных процессов и схема выпрямителя следуют схеме фильтра электромагнитных помех , а общие компоненты следующие.

Предохранитель

Когда ток, протекающий через предохранитель, превышает номинальный предел, предохранитель перегорает, защищая соединение с задней цепью. В блоке питания обычно используется быстродействующий предохранитель, но предпочтителен взрывозащищенный тип. Основное отличие этого предохранителя от стандартного предохранителя состоит в том, что внешняя трубка представляет собой керамическую трубку бежевого цвета, заполненную огнеупорным материалом для предотвращения образования искр при перегорании.

Фиксированный тип в верхней части фотографии (два конца непосредственно закрыты разъемами для проводов и припаяны к печатной плате) и съемный тип в середине изображения оба установлены на печатной плате (фиксируются металлическими зажимами). Термопредохранитель представляет собой квадратный элемент внизу. Этот предохранитель прикреплен к мощному цементному резистору или радиатору силового компонента . В основном он используется для предотвращения перегрева, чтобы предотвратить повреждение или отказ компонентов , вызванный чрезмерным нагревом. Этот предохранитель также можно использовать в сочетании с токовым предохранителем для обеспечения двойной защиты как от тока, так и от температуры.

Резистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC)

Электролитический конденсатор на высоковольтной стороне источника питания находится в состоянии отсутствия электричества, когда источник питания включен. Во время зарядки возникают чрезмерные скачки тока и падения напряжения в сети, что может привести к превышению номинального тока мостового выпрямителя и других компонентов и их перегоранию. Когда NTC подключен последовательно с линиями L или N, его внутреннее сопротивление может ограничивать ток во время зарядки, а отрицательный температурный коэффициент означает, что его сопротивление уменьшается по мере повышения температуры, поэтому, когда ток протекает через тело , сопротивление уменьшается. Чтобы уменьшить ненужное потребление энергии, значение сопротивления будет постепенно уменьшаться по мере повышения температуры.

Большинство компонентов представляют собой черные и темно-зеленые сферические компоненты в форме лепешки. Однако, когда блок питания запускается в состоянии прогрева, его защитный эффект игнорируется, и даже если импеданс можно уменьшить с помощью температуры, он все равно потребляет небольшое количество энергии. В результате в большинстве современных высокоэффективных источников питания используются более сложные схемы мгновенной защиты.

Золотой кислородный варистор (MOV)

В задней части предохранителя варистор подключен между проводом под напряжением и проводом заземления. Корпус демонстрирует высокий импеданс, когда разница напряжений между двумя его концами меньше номинального значения напряжения; когда разница напряжений превышает номинальное значение напряжения, сопротивление корпуса быстро падает. Предполагается, что между LN и передним предохранителем имеется короткое замыкание, которое сработает для защиты задней цепи из-за тока, создаваемого коротким замыканием. Когда основной корпус подвергается слишком большой нагрузке, он иногда самоуничтожается, предупреждая пользователя о том, что в устройстве возникла проблема.

Обычно он находится на входе переменного тока источника питания . Предохранитель может перегореть вовремя, если возникнет перенапряжение на входе переменного тока , что предотвращает повреждение внутренних компонентов. Его цвет и внешний вид очень похожи на конденсаторы Cy, но названия и модели на компонентах могут различаться.

Мостовой выпрямитель

Во внутреннем мостовом выпрямителе попеременно включены четыре диода. Его задача — выполнять двухполупериодное выпрямление входного переменного тока для схемы переключения на задней стороне.

Его внешний вид и размер будут меняться в зависимости от номинального напряжения и тока компонентов. Некоторые источники питания монтируют его на радиаторе, чтобы облегчить рассеивание тепла и обеспечить долговременную стабильность. После выпрямления он попадает в схему переключения на первичной стороне силового каскада. Компоненты в этом разделе определяют максимальную выходную мощность каждого канала источника питания, который является критическим компонентом .

Переключающий транзистор

Он включается и выключается в соответствии с управляющим сигналом, чтобы определить, течет ли ток в качестве бесконтактного быстрого электронного переключателя в цепи переключения, и он играет жизненно важную роль в схеме активной коррекции коэффициента мощности и цепи первичной стороны силового каскада.

Обычный N MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор N-типа) в блоке питания показан в верхней части фотографии, а NPN BJT показан в нижней части (транзистор с двойным переходом типа NPN). В зависимости от состава схемы компонентов переключателя могут быть изготовлены различные топологии силового каскада, такие как двухкристаллический прямой тип, полумостовой тип, полный мост, двухтактный тип и т. д. Переключатели также используются в источниках питания, требующих высокой эффективности. С кристаллом используются схема синхронного выпрямителя и понижающая схема постоянного тока .

Трансформатор

Поскольку трансформатор используется для разделения высокого и низкого напряжения, а для обмена энергией используется магнитная энергия, его называют изолированным импульсным понижающим источником питания. Он не только позволяет избежать опасности утечки при выходе из строя цепи высокого и низкого напряжения, но также может легко генерировать различные выходные напряжения. Объем трансформатора меньше, чем у стандартного трансформатора переменного тока из-за его высокой рабочей частоты.

Поскольку трансформатор является одним из путей передачи энергии, нынешний источник питания большой мощности имеет конструкцию с несколькими трансформаторами, чтобы предотвратить насыщение одного трансформатора и, таким образом, ограничение выходной мощности. Цепь вспомогательного питания и импульсный трансформатор для передачи сигнала показаны вверху кадра, а основной силовой трансформатор и кольцевой трансформатор вторичной стороны — внизу.

Выходное напряжение вторичной стороны намного ниже, чем у первичной стороны, когда трансформатор используется в качестве границы изоляции, но ему все равно необходимо пройти через схемы выпрямления, настройки, фильтрации и сглаживания, среди прочего, прежде чем оно станет напряжение постоянного тока различных напряжений, необходимое для частей компьютера .

Диод

Внутри источника питания используются различные типы и спецификации в зависимости от требований схемы и выходного размера каждой части. Помимо обычных кремниевых диодов, существуют диоды с барьером Шоттки (SBD), диоды с быстрым восстановлением (FRD) и стабилитроны (ZD). и так далее.

На иллюстрации изображен наиболее распространенный диодный корпус. SBD используется на вторичной стороне силового каскада для выпрямления выходного сигнала трансформатора, а ZD используется в качестве источника опорного напряжения. FRD в основном используется для активной коррекции коэффициента мощности и первичной цепи силового каскада; SBD используется на вторичной стороне силового каскада для выпрямления выходного сигнала трансформатора, а ZD используется в качестве источника опорного напряжения.

Индуктор

В зависимости от конструкции магнитопровода, величины индуктивности и места установки в цепи дроссели могут использоваться в качестве элементов накопления энергии в схемах обмена, элементов регулировки напряжения в схемах магнитных усилителей, фильтрации выходного сигнала после выпрямления вторичной стороны. широко занят в

Индуктор на иллюстрации имеет кольцевую и цилиндрическую форму, а количество витков и толщина эмалированного провода варьируется в зависимости от величины индуктивности и токопроводящей способности.

Электролитические конденсаторы

Конденсаторы, как и катушки индуктивности, служат накопителями энергии и сглаживателями пульсаций. В первичной цепи источника питания используются высоковольтные электролитические конденсаторы , способные выдерживать выпрямленный постоянный ток высокого напряжения ; во вторичной цепи используется большое количество устойчивых к высоким температурам, долговечных и низкоомных электролитических конденсаторов для уменьшения потерь, вызванных непрерывной зарядкой и разрядкой электролитических конденсаторов на выходе. емкость.

Электролитический конденсатор высокого напряжения в нижней части фотографии используется для первичной стороны, а верхняя часть с более низким напряжением используется для вторичной стороны и периферийной схемы управления. Рабочая температура оказывает существенное влияние на срок службы электролитического конденсатора из-за соотношения химических веществ (электролитов) в конденсаторе. В результате используемая марка и серия электролитических конденсаторов используются в течение длительного периода, а также обеспечивают хорошее рассеивание тепла от источника питания. Определяет стабильность и надежность источника питания, а также срок его службы.

Резистор

Чтобы избежать поражения электрическим током, используются резисторы для ограничения тока, протекающего через цепь, и разряда электрического заряда, накопленного в конденсаторе после отключения источника питания.

Мощный цементный резистор слева может выдержать значительные скачки напряжения, а обычный резистор справа имеет цветовой код, указывающий на значение его сопротивления и погрешность. Без схемы управления схема, состоящая из вышеперечисленных компонентов, не сможет выполнять свою работу, и каждый выход необходимо постоянно контролировать и регулировать. Чтобы обеспечить безопасность компонентов компьютера , при возникновении каких-либо нарушений выход следует немедленно отключить.

Различные микросхемы управления

Схемы PFC, схемы PWM первичной стороны силового каскада , интегрированное управление PFC/PWM, интегрированные компоненты для вспомогательных цепей питания, а также ИС мониторинга и управления питанием, например, все классифицируются в соответствии с местом их установки и применением в источнике питания и т. д. .

В схеме PFC источник питания может поддерживать заданный коэффициент мощности и ограничивать развитие высших гармоник за счет использования активной схемы регулирования коэффициента мощности. Схема ШИМ первичной стороны силового каскада : в качестве переключающего кварцевого привода первичной стороны силового каскада с генерацией сигнала ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) и управлением рабочим циклом состояния выходной мощности (рабочий цикл). Микросхемы управления ШИМ , такие как серии UC3842/3843, широко распространены. Интегрированное управление PFC/PWM: объединение двух контроллеров в одной микросхеме позволяет упростить схему, уменьшить количество компонентов, уменьшить объем и снизить частоту отказов. Например, серия CM680X представляет собой интегральную микросхему управления PFC/PWM.

Интегрированные компоненты цепи вспомогательного питания: Цепь вспомогательного питания должна продолжать подавать выходное напряжение после отключения питания, поэтому она должна быть независимой системой. Поскольку выходная мощность не обязательно должна быть слишком высокой, в качестве ядра используются интегрированные компоненты с низким энергопотреблением, такие как серия PI TOPSwitch.

Управление питанием и мониторинг UVP (защита от низкого напряжения), OVP (защита от перенапряжения), OCP (защита от перегрузки по току), SCP (защита от короткого замыкания) и OTP (защита от перегрева) каждого выхода контролируются и защищаются с помощью IC. Он замкнет и заблокирует цепь управления после установки значения, прекратит подачу питания и возобновит ее после устранения неисправности.

Другие микросхемы, такие как микросхемы управления вентилятором, добавляются производителями при необходимости в дополнение к вышеуказанным компонентам.

Оптопара

Оптопары в основном используются для передачи сигналов между цепями высокого и низкого напряжения и поддерживают изоляцию цепи, чтобы предотвратить аномальное протекание тока между двумя цепями в случае неисправности, которое может повредить низковольтные компоненты. Идея состоит в том, чтобы использовать светодиоды и фототранзисторы для передачи сигналов посредством света, а поскольку между ними нет схемного соединения, цепи на обоих концах могут быть изолированы.

Frequently Asked Questions

1. Имеет ли импульсный источник питания предохранитель?

Импульсный источник питания обычно устанавливает предохранитель или предохранитель с малым сопротивлением на входе 220 В.

2. Какова функция конденсатора Y в импульсном источнике питания?

Конденсатор Y используется для синфазной фильтрации. Он подключается между L и землей или N и землей для фильтрации синфазного сигнала L на землю или N на землю. , (Конденсаторы Y обычно используются симметрично).

3. Что такое MOV в импульсном источнике питания?

MOV Варистор Варистор представляет собой устройство защиты, ограничивающее напряжение. Используя нелинейные характеристики варистора, при возникновении перенапряжения между двумя полюсами варистора варистор может фиксировать напряжение до относительно фиксированного значения, тем самым реализуя защиту последующей цепи.