Блок питания ATX: переделка под усилитель низкой частоты (часть 2) (страница 3)

для раздела Лаборатория

Доработка схемы контроллера блока питания

Компьютерный блок питания обеспечивает множество выходных напряжений и обязан контролировать их нахождение в заданных рамках. При чрезмерно заниженном или завышенном напряжении должна срабатывать защита и отключать блок питания. В рассматриваемом БП нет такого «зверинца» (он другой) и попытка включения приведет к немедленному выключению – в схеме отсутствуют напряжения +5 В и 3.3 В. Вообще-то, их можно было и сохранить, но это бы уменьшило место, которого и так не хватает. Что ж, придется обманывать контроллер и симулировать недостающие напряжения.

В блоке питания FSP ATX-300GTF управляющей микросхемой является FSP3528. Документации на нее не так уж много, скорее – отсутствует полностью. По назначению выводов и управляющим сигналам близким (но не полным!) аналогом можно назвать KA3511. В качестве отличий сразу замечается другой коэффициент деления сигнала OVP12, а именно туда собирались «лезть». Придется искать альтернативные варианты и в этом может помочь форум сайта rom.by, с которого была стянута примерная трассировка контроллера на микросхеме FSP3528:

308x450  60 KB. Big one: 349x510  45 KB

При доработке силовая часть остается без изменений, а вот обратную связь и защиту от превышения/снижения надо корректировать. Начнем с последнего, обычно узел проверки в микросхеме организован следующим образом (взято из описания на микросхему KA3511):

реклама

228x221  18 KB

Если какое-либо выходное напряжение выше порога, то срабатывает компаратор OVP и БП выключается. При чрезмерно низком напряжении на выходе компаратора UVP устанавливается 0, что закрывает транзистор и позволяет заряжаться внешнему конденсатору Tuvp (через вывод 17). Когда конденсатор зарядится до напряжения 1.8 В на выходе установится высокий уровень, что заблокирует сигнал ШИМ и приведет к отключению блока питания.

Доработку можно сделать двумя способами – или сформировать образцовые напряжения 12 В, 5 В и 3.3 В резистивными делителями. Или второй вариант – наплевать на всё это ненужное действо и просто подать 0 вольт на входы V12, V5 и V3.3. При этом сработает защита UVP, но она блокируется замыканием вывода 17 на землю – схема защиты будет ждать сигнала выключения «ну очень долго». Это решение хорошо тем, что выходное напряжение может быть любым, даже регулируемым (подстраиваемым), при этом контроль напряжений не будет «путаться под ногами». Впрочем, если нужен контроль за превышением, одно-два напряжения можно подать на схему OVP.

Ну что, матчасть изучили, можно переходить на FSP3528. И сразу следует подарок – в этом контроллере отсутствует узел UVP и нет никакой нужды что-то предпринимать с контрольными входами, достаточно просто их отсоединить от остальной части схемы (или замкнуть на землю).

Следующий шаг – перестройка цепи стабилизации. Судя по схеме FSP ATX-300GTF, контроллер стабилизирует выходное напряжение по трем напряжениям: 12, 5 и 3.3. Я отчасти понимаю, как в этот список затесались 12 В и 5 В, но при чем здесь 3.3? Смысл ускользает. Впрочем, это «их дело», в измененном блоке питания цепь обратной связи будет переделана и все эти «излишества» уберутся.

анонсы и реклама

В первом варианте обратная связь бралась с выходов «+40 В» и «+12 В» через два одинаковых резистора 10 кОм на переменный резистор. В схему устанавливался дополнительный резистор 430 Ом между этой точкой и землей. Для справки, Vref=1.25 В. Выходное напряжение регулировалось в пределах +11…+16 В (по выходу «+12 В»), остальные выходы изменялось пропорционально.

Доработанный блок питания показал следующие результаты:

Ток нагрузки
каналов, А
Напряжение
выхода +12 В, В
Напряжение
выхода -12 В, В
Напряжение
выхода +40 В, В
Напряжение
выхода -40 В, В
Холостой ход
11.60
-11.66
40.90
-40.88
«+40 В» 1 А
12.48
-12.56
40.01
-44.79
«+40 В» 2 А
12.58
-12.75
39.82
-46.17
«-40 В» 1 А
11.50
-11.50
40.93
-36.88
«-40 В» 2 А
11.36
-11.22
41.11
-35.40
«+12 В» 1 А
11.11
-11.57
41.45
-41.50
«+12 В» 2 А
10.92
-11.58
41.62
-42.09
«-12 В» 1 А
11.35
-10.60
41.19
-41.37
«-12 В» 2 А
11.25
-10.16
41.23
-41.30
«+40 В» 4 А
13.09
-13.24
39.47
-46.71
«-40 В» 4 А
11.15
-10.71
41.41
-32.23

Довольно трудно представить численные данные в виде качественных характеристик, попробуем представить результаты графически. Если просто перенести полученные цифры на графики, то положительные и отрицательные напряжения «разойдутся» в разные стороны, и качественное сравнение выполнить не получится. Попробуем иначе, пересчитаем все значения к 100%, а для отрицательных величин возьмем модуль – в итоге все четыре графика будут проходить рядом, что и требуется.

Нагрузочные характеристики снимались только до четырех ампер, дальнейшее повышение тока было бессмысленным – выход «-40 В» вышел за порог «-25%»:

реклама

300x280  3 KB 300x280  3 KB

Цвета графиков:

  • Темно красный, +40 В.
  • Темно зеленый, -40 В.
  • Серый, +12 В.
  • Синий, -12 В.

М-да. Довольно наглядно видны недостатки стабилизации только положительных напряжений – система практически «не видит» увеличение потребления по отрицательным выходам, в результате чего их напряжение сильно снижается. Посмотрите на две последние строчки – канал «+40 В» поддерживается около 40 вольт, при этом «-40 В» вытворяет что-то невразумительное. Придется вводить в цепь стабилизации и отрицательные выходы. Впрочем, канал «+/-12 В» мне не нужен, поэтому достаточно добавить только «-40 В».

Кроме пониженной стабильности отрицательных напряжений есть еще одна беда – уровень пульсаций с частотой сети. С пульсациями и помехами преобразования все просто – конденсатор побольше, а потом еще LC фильтр и проблема уходит. А вот низкочастотные пульсации возникают из-за неработоспособности обратной связи. Почему бы? Нестабильность с частотой сети действуют на все выходы, значит они должны присутствовать и на положительных выходах, охваченных обратной связью, которая способна всё устранить. Увы, на выходах установлены конденсаторы ощутимой емкости и ток нагрузки очень низок.

В результате конденсаторы заряжаются на пиках низкочастотных пульсаций и практически не меняют свое напряжение на протяжении периода пульсации. А значит, напряжение на ненагруженных выходах пульсаций не содержит и обратная связь «не видит» никакого изменения, а потому не может их устранить. Например, при нагрузке только выхода «-12 В» током 2 А сильно снижается не только его напряжение (-10.16 В), но и дико растут пульсации с частотой сети, до 1.5 вольт. Если же создать ток нагрузки, достаточной для разряда накопительных конденсаторов каналов с обратной связью («+12 В» или «+40 В»), то выход «-12 В» приходит в норму, величина пульсаций снижается до 50 мВ.

Итак, проблемы две – расширить обратную связь, добавив в нее выход «-40 В», и как-нибудь ввести обратную связь по переменному сигналу для того же выхода «-40 В».

366x450  76 KB. Big one: 415x510  49 KB

На схеме красными и зелеными крестиками отмечены элементы и трассы, которые следует удалить. В левом верхнем углу добавлена схема обратной связи блока питания. Через резистор 22 кОм и цепочку 2.2 кОм + 0.1 мкФ подключается выход «+40 В», через резистор 10 кОм «+12 В», на остальных элементах реализована схема инвертирования тока из отрицательного выхода «-40 В». Дополнительная цепь из 47 кОм и 0.1 мкФ уменьшает уровень пульсаций по выходу «-40 В», что изображено в верхней правой части рисунка.

После доработки блок питания показал следующие характеристики:

Ток нагрузки
каналов, А
Напряжение
выхода +12 В, В
Напряжение
выхода -12 В, В
Напряжение
выхода +40 В, В
Напряжение
выхода -40 В, В
Холостой ход
11.83
-11.89
40.79
-40.59
«+40 В» 1 А
12.09
-12.20
38.78
-42.26
«+40 В» 2 А
12.18
-12.34
38.54
-42.26
«+40 В» 4 А
12.60
-12.83
37.91
-41.90
«-40 В» 1 А
12.04
-12.05
41.98
-38.54
«-40 В» 2 А
12.24
-12.15
41.84
-38.21
«-40 В» 4 А
12.79
-12.59
41.38
-37.40
«+12 В» 1 А
11.47
-11.87
41.08
-40.89
«+12 В» 2 А
11.26
-11.80
41.22
-41.20
«-12 В» 1 А
11.76
-11.47
40.79
-40.63
«-12 В» 2 А
11.79
-10.78
40.92
-40.34
«+40 В» 5 А
12.95
-13.11
37.44
-41.53
«-40 В» 5 А
13.11
-12.95
41.11
-36.91
«+40 В» 4 А, «-40 В» 1 А
13.29
-13.37
38.10
-40.01
«+40 В» 10 А
14.90
-15.02
35.15
-39.65
«-40 В» 10 А
14.71
-14.77
40.19
-34.37

Уровень низкочастотных пульсаций не превышал 50 мВ. А высокочастотных? О них следует поговорить особо.

Нагрузочные характеристики выглядят следующим образом:

300x280  4 KB 300x280  4 KB

Блок питания соответствует требуемым спецификациям по всем пунктам, кроме одного – второй канал должен быть на +/-20 В, а получилось +/-12 В. Для тех целей, куда пойдет данный блок питания, напряжение дополнительного канала не существенно, поэтому на нарушение этого пункта я просто «закрыл глаза». Если вам нужно получить другое напряжение, больше +/-12 В, то надо поступить так же, как поступили с основным каналом «+/-40 В» - использовать обмотку на втором трансформаторе для повышения уровня выходного напряжения. Например, для получения +/-20 В требуется выполнить следующие шаги:

1. На каждой вторичной обмотке дополнительного трансформатора следует сделать отвод. Фактически, придется мотать две обмотки вместо одной, двумя проводниками, место на каркасе есть.
2. Получение 20 В требует добавления 8 В к бывшим в наличии 12 В. На шесть витков первичной обмотки доп. трансформатора приходится 11 вольт, значит на 8 вольт потребуется 8*6/11=4.3 (четыре витка).
3. Число витков вторичной обмотки составляло пятнадцать, теперь она разбивается на две неравные части – четыре и одиннадцать витков.
4. По меньшей обмотке (четыре витка) течет ток нагрузки каналов «+/-40 В» и «+/-20 В», поэтому стоит обдумать вопрос о толщине используемого провода. Если повышение тока не столь велико, усилители НЧ и СЧ-ВЧ полос усилителя редко работают одновременно, то можно оставить тот же провод, что используется для всей обмотки. Если же уровень тока может оказаться существенно больше в долговременном плане, то лучше удвоить количество проводников этой обмотки.
5 .Последовательность намотки может различаться, ведь вся обмотка может не уместиться на каркасе в один слой, но все однотипные обмотки должны быть со строго одинаковым числом витков. Выполнить это требование не трудно, просто надо быть аккуратным.

реклама



Наверно, схему с модифицированным выходом «+/-20 В» рисовать нет нужды – если вы разобрались с принципом получения «+/-40 В», то здесь используется точно такой же прием.

Высокочастотные помехи

Помехи с частотой преобразователя – бич импульсных блоков питания. Единожды возникнув, они распространяются по всем цепям и ухудшают работу устройств. Более всего от этого страдают различного вида приемники аналогового сигнала, особенно с проводным соединением без электрической изоляции. Увы, «усилитель» обладает всеми этими «достоинствами», потому проблема ВЧ помех стоит очень остро. Рассмотрим упрощенную топологию импульсного преобразователя класса «полумост»:

449x215  5 KB

Напряжение сети 220 вольт выпрямляется диодным мостом UZ1, сглаживается конденсатором С1 и далее подается на преобразователь. Из него нарисованы только ключевые транзисторы, остальные элементы не оказывают влияния на уровень помех. Транзисторы Q1 и Q2 замыкаются попеременно, что создает ШИМ напряжение на выходе. Конденсатор С2 снимает постоянную составляющую, а переменный сигнал пропускает без ослабления. С точки зрения возникновения помех его можно мысленно «закоротить» и вообще-то, я зря его нарисовал, просто не смог подавить привычку не делать неработоспособных решений, даже в условном виде.

реклама

Напряжение на первичной обмотке трансформатора (выводы 6-4) - сложной формы с очень «резкими» фронтами амплитудой +/-150 вольт (+/- половина напряжения питания). Чтобы была хоть какая-то конкретика, предположим, что напряжение ШИМ формируется со скважностью 70% и на выходе стабилизируется напряжение 12 вольт. Это означает, что на каждой вторичной обмотке следует импульсное напряжение амплитудой +/-20 вольт.

Основной источник помех – емкостная связь между обмотками. На первичную обмотку подается большое напряжение с резкими фронтами, обмотки намотаны очень плотно, между ними довольно большая емкость. Как следствие, фронты замечательно проходят через паразитную межобмоточную емкость и попадают на вторичные обмотки. Здесь хорошо бы вспомнить, что между первичной и вторичной обмотками прокладывают емкостной экран, который устраняет проблему. Увы, полной изоляции добиться не удается, хоть и небольшая, но часть обмоток «видит» друг друга. Это означает малую величину проходной емкости, но напряжение-то осталось прежним, +/-150 вольт, да еще с резкими фронтами.

Я вовсе не случайно упорно повторяю про фронты – чем резче меняется амплитуда сигнала, тем больше его спектр. «Маленькая» межобмоточная емкость плохо проводит основную частоту преобразователя, но «фронты» - совсем другое, на них получается очень высокая частота, единицы мегагерц, и она хорошо проходит даже через «маленькую» межобмоточную емкость. Поэтому на выходных напряжениях видны помехи не в виде частоты преобразования (40-80 кГц), а именно «палки», всплеск ВЧ колебаний в моменты фронтов переключения транзисторов.

Каким же способом можно уменьшить ВЧ помехи? Экран уже сделан и эффективность его работы довольно высокая … но этого мало. Поставить фильтр на выходе блока питания? Хорошая мысль, так часто делают и это эффективная мера. В данном блоке питания нечто похожее обязательно стоит выполнить, пропустив выходные провода БП через ферритовое кольцо, но это всё средства борьбы с последствиями, а не с самой болезнью.

Остается одно – поставить конденсатор небольшой емкости между общими проводами первичной и вторичной сторон. Помеха наводится между этими цепями, значит конденсатор их «подавит». Прием старый и давно используется, но у него есть недостаток, ограничивающий повсеместное применение – на «общем» проводе сетевой части схемы довольно «грязно», большой уровень помех. Связано это с тем, что транзисторы коммутируют большую мощность с низким временем переключения, что производит высокий уровень ВЧ помех в цепях питания.

реклама

Установка конденсатора между «землями» сетевой и выходной частями снижает уровень помех в трансформаторе, но добавляет помехи от цепей питания транзисторов. Обычно, используют конденсатор 470 пФ – 4.7 нФ (в зависимости от величины активной межобмоточной емкости) с рабочим напряжением не ниже 3000 вольт. Я применил обычный «Y» конденсатор емкостью 2.2 нФ. Эффективность подавления помех можно посмотреть по току утечки между «земляными» цепями сетевой и выходной частей устройства, для чего между ними устанавливается резистор 1 кОм и измеряется напряжение. Оригинальный вариант располагается слева, после добавления конденсатора справа:

320x234  6 KB 320x234  5 KB

Наглядно видно, что уровень помех уменьшился в несколько раз. Но кому интересны какие-то токи утечки? Взглянем, что изменится на выходе блока питания.

Слева осциллограмма до установки конденсатора, справа – после:

320x234  6 KB 320x234  5 KB

реклама

Картинки сняты для мощности нагрузки 40 Вт. И здесь так же различия видны невооруженным взглядом. Добавление конденсатора устранило «высокочастотный шум», который производил основной вред. Оставшиеся «палки» спокойно убираются LC фильтром на плате усилителя и проблем не вызывают.

Не стоит пытаться получить особо низкий уровень помех в самом блоке питания – там явно недостаточно места для нормальной трассировки цепи «земля», да и компактное размещение силовых элементов создает условия для распространения помех через излучение. Не зря же сетевые блоки питания изготавливают в виде отдельных устройств в металлическом корпусе.

Наблюдения и выводы

После всех доработок и изменений получился такой блок питания:

447x408  48 KB

реклама

Его переделка прошла без особых осложнений и сгоревших транзисторов, что редкость для импульсных БП. Главное – будьте аккуратны и не удалите что-нибудь лишнее, особенно это касается цепей дежурного источника. Специально КПД не измерялся, при нагрузке в 200 Вт он находится в районе 86 процентов. Интересно, что до доработки БП показывал КПД 76 процентов, но при этом основная нагрузка создавалась по выходу 12 В. Что ж, дополнительный трансформатор не сильно ухудшает работу блока питания, и это радует.

Что до самого БП, то при нагрузке 100 Вт в нём отсутствуют элементы горячее 40 градусов. В блоке питания установлен вентилятор с терморегулятором, при низкой нагрузке скорость его вращения крайне низка и производимый уровень шума незначителен. Можно было бы убрать его вовсе, но конструкция радиаторов плохо подходит для охлаждения естественной конвекцией. Кроме того, КПД усилителя отнюдь не 100% и в нем тоже будет присутствовать радиатор. А значит, вентилятор может оказаться весьма полезным – даже при небольшом обдуве эффективность работы радиатора усилителя повышается и его можно сделать меньших размеров.

Заключение

Блок питания вполне можно сделать самостоятельно, но, как и любое дело, к этому процессу надо подходить ответственно. При кажущейся простоте БП - довольно сложное устройство, не прощающее ошибок или решений «и так сойдет». «Сойдет», но не долго, и с фейерверком. Делайте старательно и вдумчиво, у вас всё получится.

Serj
Страница 3 из 3
Оценитe материал
рейтинг: 4.4 из 5
голосов: 56

Комментарии Правила



Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают