Импульсные блоки питания для IBM PC
Шрифт:
В схемотехнике узла входных цепей на входе усилителя рассогласования известно множество подходов к выполнению конструкций делителей, через которые подключаются опорное и выходное напряжения вторичного канала +5 В. Приведем два наиболее общих примера. Позиционные обозначения элементов для каждой схемы примеров индивидуальные.
Первый вариант представлен на рис. 3.3. Канал обратной связи используется для слежения за уровнями напряжений по вторичным каналам напряжений +5 и +12 В. Плечо резистивного делителя напряжения, подключенное между выводом 1 микросхемы TL494 и общим проводом, состоит из набора резисторов R3 – R6 различных номиналов. Параллельно включенными резисторами различных номиналов подбирается точный заданный уровень смещения на неинвертирующем входе внутреннего усилителя DA3 микросхемы TL494. Схемы включения составных резистивных делителей встречаются довольно часто. Точный подбор номинала сопротивлений производится группой резисторов не только в делителе обратной связи, но и в делителе, соединенном с выходом опорного напряжения микросхемы TL494. Плечи резистивных делителей, составленные из набора сопротивлений, могут подключаться как к общему проводу вторичного напряжения, так и между выходом опорного напряжения TL494/12 и одним из входов внутреннего усилителя DA3.
Рис. 3.3. Схема подключения напряжения обратной связи (вариант 1)
Главное в первом варианте построения делителей то, что установка начального смещения по входам DA3 выполняется постоянными резисторами и поэтому такая схема регулировки выходного напряжения не допускает.
Второй вариант конструкции делителей входных цепей усилителя сигнала рассогласования показан на рис. 3.4.
В этой модификации постоянный уровень напряжения задается на инвертирующем входе внутреннего усилителя DA3 микросхемы TL494. Подстройка начального уровня смещения на входе TL494/1 выполняется с помощью подстроечного резистора R3. В данном случае существует возможность подстройки выходного уровня с некоторым произвольным допуском. В принципе подстроечные резисторы так же, как и составные в предыдущем примере, могут устанавливаться в произвольном месте резистивных делителей напряжения. Заводские установки положений подстроечных резисторов изменять без крайней необходимости не рекомендуется.
Типовая схема включения для ШИМ преобразователя типа TL494 обязательно содержит корректирующую RC цепочку, подключенную между выводом IC1/3 и IC1/2 (в соответствии с нумерацией, принятой на рис. 3.2). Вывод IC1/2 – вход опорного напряжения усилителя рассогласования, а IC1/3 – выход внутренних усилителей ошибки DA3 и DA4. Частотная коррекция способствует сохранению устойчивости в работе аналоговой части ШИМ преобразователя при резких перепадах уровней выходного напряжения +5 В. Резкое изменение выходного уровня может быть обусловлено синхронностью множественных переключений цифровых элементов персонального компьютера. В такие моменты может возникнуть скачок или спад напряжения, которые система авторегулирования должна будет компенсировать. Для того чтобы в моменты перепадов не возникали колебания периодического характера, установлены данные элементы коррекции.
Результатом работы микросхемы IC1 является формирование последовательностей импульсов управления силовым каскадом блока питания. Схемотехническое решение подключения выходного транзисторного каскада ШИМ преобразователя полностью аналогично варианту, описанному в главе 2. Эмиттеры выходных транзисторов микросхемы TL494 подключены к общему проводу. Импульсные сигналы снимаются с их коллекторов через выводы IC1/8 и IC1/11 микросхемы TL494. Коллекторной нагрузкой выходных транзисторов IC1 являются резисторы R22 и R24 с одинаковыми сопротивлениями, равными 3,9 кОм, а также базовые цепи транзисторов Q3 и Q4, входящих в состав согласующего каскада. В каскаде промежуточного усилителя применяются типовые транзисторы 2SC945. Первичные обмотки W1 и W2 трансформатора T2, соединенные последовательно, являются нагрузками для транзисторов промежуточного усилителя. Начала обмоток трансформатора T2 на принципиальной схеме, представленной на рис. 3.2, отмечены точками. Электропитание цепей промежуточного усилителя осуществляется от того же источника, что и микросхемы IC1. Резисторы R22 и R24 подключены к накопительному конденсатору фильтра питания C17. Напряжение питания в коллекторные цепи транзисторов Q3 и Q4 подается через последовательно соединенные резистор R23, диод D11 и обмотки W1, W2 трансформатора T2. Диод D11 катодом подключен к точке соединения первичных обмоток трансформатора T2. Вид импульсных сигналов на коллекторах транзисторов Q3 и Q4 аналогичен представленному на рис. 2.10. Импульсные последовательности одинаковы, но импульсы положительной полярности каждой из них сдвинуты по времени относительно друг друга. Эмиттеры транзисторов Q3 и Q4 объединены и подключены к последовательно соединенным диодам D24 и D25. Параллельно диодам установлен электролитический конденсатор C12. Напряжение на эмиттерах транзисторов Q3 и Q4 поддерживается на уровне +1,6 В. Наличие постоянного смещения эмиттеров создает условия для наиболее эффективного переключения транзисторов под воздействием импульсов, подаваемых с выходов микросхемы IC1/8 и IC1/11. На базы транзисторов Q3 и Q4 импульсные сигналы подаются с коллекторов транзисторов, входящих в состав микросхемы IC1. Напряжение насыщения у них составляет 0,3–0,4 В. Импульс напряжения низкого уровня, появляющийся на базе любого из транзисторов Q3 и Q4, устанавливает на переходе эмиттер-база обратное смещение ~1,2 В, что способствует быстрому рассасыванию избыточных зарядов в базе транзистора промежуточного усилителя и его ускоренному переключению.
Импульсы управления на коллекторах Q3 и Q4 имеют положительную полярность. Первичная обмотка W2 трансформатора T2 синфазна вторичным обмоткам W4 и W3. Обмотки трансформатора T2 включены таким образом, что импульсное напряжение на обмотках W1 и W5 противофазно напряжению на W2. Следовательно, при появлении на коллекторе транзистора Q3 импульса положительной полярности, открывающий импульс наблюдается и в базовой цепи транзистора Q6. Спадом импульса заканчивается временной интервал активной работы Q6, и в этот момент транзистор Q6 переходит в закрытое состояние.
Выходные транзисторы микросхемы IC1 не имеют определенных обязательных подключений эмиттерных и коллекторных электродов. Это обстоятельство позволяет изготовителям блоков питания применять разнообразные конфигурации при построении промежуточных усилителей. Для дополнительного усиления импульсных сигналов могут использоваться внешние по отношению к IC1 транзисторы, аналогичные приведенным на схемах рис. 2.2 и 3.2. Но это также не является обязательным; существуют схемы, в которых управляющие сигналы подаются от ШИМ преобразователя на согласующий трансформатор без дополнительного усиления. Применение согласующего трансформатора для передачи импульсных сигналов от схемы управления на силовые элементы преобразователя является универсальным решением. Такой подход позволяет обеспечить гальваническую развязку узла управления, подключенного к вторичной цепи питания, и осуществить преобразование сигнала управления по току. Параметры первичных обмоток согласующего трансформатора T2 определяются напряжением питания каскада промежуточного усилителя, а также схемой подключения этих обмоток к активным элементам каскада. Требования к характеристикам вторичных обмоток трансформатора практически не изменяются у различных модификаций импульсных источников питания с внешним возбуждением силового полумостового каскада.
Рассмотрим три варианта схем промежуточных усилителей, встречающихся в источниках питания для компьютеров типа AT/XT.
На рис. 3.5 представлен фрагмент схемы промежуточного усилителя, выполненный с использованием пары внешних транзисторов.
Особенностью данной схемы является подключение дополнительных транзисторов Q1 и Q2 каскада промежуточного усилителя к единственной первичной обмотке согласующего трансформатора Т. Начала обмоток трансформатора Т в данном примере показаны условно точками. Непременное условие, которое должно соблюдаться в соответствующей схеме, – это подключение вторичных обмоток согласующего трансформатора к транзисторам Q1 и Q2.
Коллекторы выходных транзисторов VT1 и VT2 микросхемы TL494 подключены к шине источника питания, а к их эмиттерным электродам присоединены резисторы R1 и R3 соответственно. В данной конфигурации выходные транзисторы микросхемы TL494 работают в режиме эмиттерных повторителей. При таком включении фазы импульсных сигналов на эмиттерах и базах VT1, VT2 совпадают. Форма сигналов на эмиттерах выходных транзисторов соответствует, показанным на диаграммах 7 и 8 (см. рис. 2.8). Резисторы R1 и R2 последовательно подключены к эмиттеру VT1 и образуют делитель, к средней точке которого подключена базовая цепь внешнего усилительного транзистора Q2. Аналогичная цепь образована резисторами R3, R4 и подключена к VT2. Средняя точка второго делителя соединяется с базовой цепью транзистора Q1. Структура и элементы усилительных каскадов абсолютно идентичны.
Эмиттеры выходных транзисторов TL494 соединены через резисторы с общим проводом. Наличие резисторов в эмиттерных цепях VT1 и VT2 является фактором увеличения скорости срабатывания активных элементов, входящих в состав импульсного усилителя. Соотношение сопротивлений резисторов в делителях выбирается таким образом, чтобы уровень напряжения на базах Q1 и Q2 оказался достаточным для перевода транзисторов промежуточного усилителя в состояние насыщения. Транзисторы Q1 и Q2 открываются, когда в эмиттерных цепях VT1 и VT2 действует импульс высокого уровня.
Уровни сигналов на выводах 7 и 8 микросхемы практически совпадают со значениями напряжений на выходах логических элементов DD5 и DD6 (см. рис. 2.7). Импульсы управления подаются на базы транзисторов Q1 и Q2 через токозадающие резисторы R5, R6 и форсирующие конденсаторы С1 и С2, подключенные параллельно резисторам. Конденсаторы C1 и C2 способствуют ускоренному рассасыванию избыточных зарядов в базах транзисторов Q1 и Q2 при изменении полярности входного напряжения. На рис. 3.6 представлены временные диаграммы импульсных сигналов на обоих выводах конденсатора C1. Верхняя диаграмма отражает вид импульсов на делителе из резисторов R3 и R4. На средней диаграмме показана форма сигнала непосредственно на базе транзистора Q2. Отрицательные выбросы на второй диаграмме, появляющиеся по спаду положительного импульса, обусловлены действием конденсатора в базовой цепи. Форма импульсных сигналов на конденсаторе C2 полностью аналогична. На нижней диаграмме приведена форма импульсов на коллекторах Q1 и Q2.
На диаграммах 7 и 8 (см. рис. 2.8) активный временной интервал воздействия на силовые транзисторы преобразователя представлен импульсами высокого уровня. Интервалы нулевого напряжения между ними – это паузы. Примем условно, что на диаграммах 7 и 8 показаны последовательности импульсов, формируемые на выводах TL494/9 и TL494/10 соответственно. Действие импульсов высокого уровня на выводах TL494/9,10 сдвинуто по времени. Паузы же, представленные нулевыми уровнями, перекрываются между собой. Если на одном выводе устанавливается высокий уровень, то на другом – обязательно низкий. Сигнал высокого уровня, пройдя через эмиттерный делитель, попадает в базовую цепь внешнего транзистора и открывает его. Эмиттеры дополнительных транзисторов Q1 и Q2 соединены с общим проводом, поэтому импульс высокого уровня переводит их в состояние насыщения. Существует три рабочих фазы в переключении транзисторов Q1 и Q2. Причем состояние элементов, соответствующее начальным условиям работы схемы, в течение полного рабочего цикла повторяется дважды. Первая фаза начинается тогда, когда на базах обоих транзисторов действуют напряжения низкого уровня. В это время оба транзистора находятся в закрытом состоянии. Ток через них не протекает. Если параметры всех элементов транзисторных схем одинаковы, то потенциалы на коллекторах Q1 и Q2 также равны между собой. Следовательно, никакой разности потенциалов на выводах первичной обмотки W1 трансформатора T не будет. Ток через нее не протекает, магнитного потока не создается, и на обеих вторичных обмотках W2 и W3 устанавливаются нулевые уровни напряжения. В дальнейших рассуждениях сделано предположение о том, что, говоря о напряжении на вторичной обмотке, имеется в виду вывод обмотки, подключенный к базе силового транзистора. Значение напряжения на выводе, соединенном с базовой цепью силового транзистора, указывается относительно второго вывода этой же обмотки.
Вторая фаза работы усилительной схемы начинается с момента поступления на базу Q1 импульса высокого уровня. Фронтом импульса высокого уровня транзистор Q1 переводится в открытое состояние. Вывод первичной обмотки W1 трансформатора Т, соединенный с коллектором Q1, через малое сопротивление этого открытого транзистора оказывается подключенным к общему проводу вторичной цепи питания. В течение всего времени действия импульса высокого уровня на базу транзистора Q1 второй усилительный транзистор, то есть Q2, остается в состоянии отсечки. Поэтому второй вывод первичной обмотки W1 трансформатора T подключен к шине питания через сопротивление резистора R7. Выводы первичной обмотки трансформатора оказываются под разными потенциалами. Через эту обмотку протекает ток, который создает магнитный поток в сердечнике трансформатора T. На вторичных обмотках наводится ЭДС, форма которой повторяет сигнал, поданный на первичную обмотку. Так как переключающим сигналом является импульс, то и на вторичных обмотках появляется импульс напряжения. В результате появления низкого уровня напряжения на коллекторе транзистора Q1, на базе Q3 возникнет положительный скачок, а на базе Q4 появится спад напряжения отрицательной полярности. Транзистор Q3 будет открываться, а на базу транзистора Q4 будет воздействовать отрицательный потенциал, повышающий его степень закрывания.
Транзисторы опять переходят в одинаковое закрытое состояние, когда действие импульса высокого уровня на базовую цепь Q1 заканчивается. Протекание тока через первичную обмотку W1 трансформатора T прекращается. Напряжения на его вторичных обмотках спадают до нулевого уровня. Рабочие условия этого состояния полностью повторяют ситуацию, с которой начато рассмотрение функционирования данной схемы. Оно продолжается до прихода на базу транзистора Q2 фронта положительного импульса. В этот момент наступает третья фаза работы каскада.
На этой стадии открывается транзистор Q2, а транзистор Q1 остается в состоянии отсечки. Вывод обмотки, соединенный с коллектором транзистора Q2, подключается к общему проводу питания каскада усилителя. Второй вывод первичной обмотки остается соединенным с общим проводом через резистор R8. В этом случае концы обмотки имеют инверсное подключение к питанию и общему проводу по сравнению с состоянием, в котором они находились во второй фазе работы импульсного усилителя. Путь протекания тока по цепи усилителя следующий: шина питания – резистор R8 – первичная обмотка трансформатора T – транзистор Q2 – общий провод. Уровень управляющего сигнала, поступающего на базу Q2, изменяется скачкообразно. Протекающий ток оказывает воздействие на сердечник магнитопровода трансформатора T, в результате на его вторичных обмотках появляются импульсные перепады напряжения. Изменение уровней происходит относительно состояния, когда на выводах обмоток присутствуют нулевые потенциалы. Полярность импульсов противоположна той, которая устанавливалась на втором этапе работы усилителя. На выводе обмотки W3, подключенном к базе транзистора Q4, появляется положительный фронт напряжения. На выводе обмотки W2, соединенном с базой транзистора Q3, напротив, перепад имеет вид спада нулевого уровня в область отрицательных значений напряжения. Транзистор Q4 открывается, а Q3 сохраняет свое закрытое состояние.
Переменное подключение разных выводов первичной обмотки трансформатора T то к общему проводу, то к шине питания создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора. Магнитным током, возникающим в результате коммутации обмоток трансформатора, наводится ЭДС в обмотках управления силовыми транзисторами преобразователя. Полная симметрия параметров элементов, установленных в каждом из транзисторных плеч усилителя, исключает возможность перемагничивания сердечника трансформатора. Источник формирования импульсов управления единый для усилительных трактов транзисторов Q1 и Q2, что также обеспечивает равномерность протекания токов в каждом из направлений за каждый полный цикл работы каскада.
Рассмотренная выше схема промежуточного усилителя имеет дополнительные транзисторы (по отношению к базовой схеме TL494), но существуют варианты исполнения такого каскада, где используются только внутренние элементы интегрального ШИМ преобразователя. Фрагмент схемы одного из вариантов представлен на рис. 3.7.
На этой схеме подключение согласующего трансформатора выполнено непосредственно к транзисторам VT1 и VT2, входящим в состав микросхемы TL494. Выходные транзисторы включены по ключевой схеме. Эмиттеры обоих транзисторов соединены с общим проводом. Их коллекторы нагружены первичными обмотками трансформатора T. Обмотки включены последовательно, точка соединения выведена на шину питания микросхемы TL494. Подключение трансформатора Т должно быть обязательно выполнено в соответствии с рис. 3.7. Начала обмоток трансформатора на рисунке обозначены точками. Еще одна важная особенность использования трансформатора в схеме на рис. 3.7 заключается в том, что его обмотки подключаются между коллекторами выходных транзисторов и шиной питания без резисторов, ограничивающих ток через транзисторы. Индуктивное сопротивление первичных обмоток на частоте работы преобразователя должно быть достаточно высоким, чтобы чрезмерно большой ток коллектора не повредил структуру выходных транзисторов.
В двух предыдущих схемах промежуточных усилителей размах напряжения на коллекторах внешних транзисторов был меньше уровня напряжения питания каскада. Это происходило из-за включения последовательно с первичной обмоткой трансформатора ограничивающих сопротивлений. Образовывался делитель, состоящий из сопротивления резистора и индуктивного сопротивления первичной обмотки. В схеме, приведенной на рис. 3.7, подобный эффект не наблюдается, и размах напряжения на коллекторах выходных транзисторов даже несколько превышает уровень питающего напряжения. Для защиты транзисторов от перенапряжения, возникающего при работе на индуктивную нагрузку, между шиной питания и коллектором каждого транзистора установлено по диоду – D1 и D2. Аноды диодов подключены к коллекторам транзисторов, а катоды – к шине питания каскада. Большую часть рабочего цикла транзисторы находятся в закрытом состоянии, которое поддерживается низким уровнем напряжения на их базах, что видно из диаграмм 7 и 8 (см. рис. 2.8). Импульсы управления положительной полярности подаются на каждый из транзисторов со смещением по времени. Когда на базу VT1 воздействует импульс высокого уровня, он открывается и переводится в насыщение. В течение всего времени действия этого импульса на базе VT1 второй транзистор выходного каскада – VT2 – остается в закрытом состоянии. Ток протекает только через открытый транзистор VT1 и первичную обмотку W1 трансформатора T. Резкое изменение тока, протекающего через обмотку W1, вызывает возникновение магнитного потока, результатом действия которого будет возбуждение ЭДС в обеих вторичных обмотках. Обмотка W1 включена синфазно с вторичной обмоткой W4. На выводе обмотки W4, подключенной к базе силового транзистора Q2, появляется импульс ЭДС положительной полярности. Так как обмотка W3 включена противофазно обмотке W4, то на ней в этот момент импульс ЭДС будет иметь отрицательную полярность. Появление импульсных сигналов на вторичных обмотках трансформатора T приходит на смену состоянию покоя, так как в течение действия нулевых уровней на базы транзисторов VT1 и VT2 напряжения на вторичных обмотках согласующего трансформатора T равны нулю.
С окончанием действия положительного импульса на базе транзистора VT1 схема усилителя вновь попадает во временной интервал формирования сигнала паузы между управляющими импульсами. Напряжения на вторичных обмотках опять принимают нулевое значение. Оно сохраняется до прихода следующего управляющего импульса. Если на предыдущем этапе подача импульса на транзистор VT1 вызывала открывание транзистора Q2, то следующий импульс будет поступать на базу транзистора VT2, работа которого оказывает воздействие на второй транзистор полумостового усилителя мощности. По фронту импульса открывается транзистор VT2, и ток начинает протекать через первичную обмотку W2 трансформатора Т. Следствием процессов, которые вызывают ток этой обмотки, будет появление положительного импульса ЭДС на обмотке W3 и открывание транзистора Q1. Соответственно, в это же время произойдет усиление степени закрывания транзистора Q2 в результате действия на обмотке W4 импульса отрицательной полярности.
Как и в предыдущем примере схемы усилительного каскада, идентичность параметров плеч усилителя гарантирует симметричность циклов перемагничивания сердечника согласующего трансформатора и исключение его насыщения. Небольшое изменение магнитных характеристик сердечника может наблюдаться при работе микросхемы TL494 в циклах устранения отклонений выходных напряжений от номинальных уровней. В этом случае импульсы, воздействующие на транзисторы VT1 и VT2 и определяющие время протекания токов через каждую из обмоток трансформатора, будут иметь несколько различную длительность. Если текущее небольшое перемагничивание сердечника вызвано компенсацией повышения выходного уровня вторичного напряжения, то впоследствии при устранении понижения выходного уровня напряжения будет происходить противоположное перемагничивание магнитопровода. То есть усредненный баланс намагниченности будет соблюдаться.
Принципы функционирования схемы, представленной на рис. 3.7, близки или аналогичны логике работы промежуточного усилителя, входящего в состав схемы по рис. 3.2. В базовой схеме применяются внешние дополнительные транзисторы, а также установлен резистор, ограничивающий ток, проходящий через эти транзисторы. Еще одной особенностью схемой является то, что в течение паузы между импульсами управления через транзисторы Q3 и Q4 (см. рис. 3.2) протекают токи и эти транзисторы находятся в состоянии насыщения. Управляющий импульс переводит один из транзисторов в закрытое состояние. Порядок намотки первичной и вторичных обмоток согласующего трансформатора на обеих схемах идентичен.
На рис. 3.8 показан фрагмент схемы промежуточного усилителя, которая используется достаточно редко, но как один из вариантов построения подобного блока имеет смысл детально рассмотреть принцип ее работы.
Схема выполнена на основе двух согласующих трансформаторов Т1 и Т2, каждый из них используется для управления только одним силовым транзистором преобразователя. Первичные обмотки согласующих трансформаторов состоят из двух полуобмоток, точка соединения которых подключена к шине питания. Первичные полуобмотки W1 и W1\' трансформаторов T1 и T2 включены между коллекторами транзисторов и шиной питания без промежуточных токозадающих резисторов. Вторая половина каждой первичной обмотки имеет соединение с общим проводом через диод D2 и D1 соответственно. По постоянному току диоды включены с обратным смещением. Параметры намотки и магнитные свойства трансформаторов схемы идентичны. Для примера достаточно рассмотреть процессы, протекающие в усилителе, выполненном на VT1. Все описание будут справедливо для узла на VT2 с учетом временного сдвига процессов.
В моменты пауз между импульсами управления на коллекторах VT1 и VT2 устанавливаются потенциалы, равные напряжению питания каскада. В течение пауз токи через обмотки W1 и W1\' не протекают, транзисторы закрыты. Импульс управления высокого уровня открывает выходной транзистор VT1 микросхемы TL494, напряжение на нем спадает до уровня насыщения. Выводы обмотки W1 оказываются под разными потенциалами. В течение действия импульса по обмотке протекает ток, создающий магнитный поток в сердечнике трансформатора. Происходит накопление энергии в индуктивном элементе. Первичные полуобмотки каждого из трансформаторов имеют между собой гальваническую и магнитную связь. Благодаря наличию магнитной связи по окончании действия управляющего импульса на транзистор VT1 на выводе обмотки, подключенной к катоду диода D2, возникает импульс отрицательной полярности. Диод открывается. Через него начинает протекать ток, который замыкается через источник питания каскада, конденсаторы, установленные для фильтрации напряжения питания, и полуобмотку W2. В течение временного интервала протекания этого тока происходит возврат энергии, накопленной в трансформаторе. Токи, протекающие через обмотки W1 и W2, взаимно противоположны. Магнитные потоки также имеют встречную направленность. То есть намагничивание сердечника, которое происходит во время прохождения тока через W1, компенсируется магнитным потоком, возникающим под действием тока, протекающего через W2. Спадающий по мощности магнитный поток компенсации действует в промежутке между двумя импульсами открывания VT1.
Во время рабочего открывания транзистора VT1 для формирования импульса положительной полярности, воздействующего на базу силового транзистора, подключаемого к вторичной обмотке W3, ток протекает через обмотку W1 трансформатора T2. По мере закрывания транзистора VT1 импульс положительной полярности на обмотке W3 трансформатора Т2 прекращается. Время активной работы силового транзистора, подключенного к обмотке W3, заканчивается, и он закрывается. Трансформаторы T1 и T2 не оказывают влияния на работу друг друга. Импульсы, действующие на вторичной обмотке W3, имеют вид двухуровневого сигнала в отличие от схем с использованием единого трансформатора для управления силовыми транзисторами, рассмотренными выше. Каждый силовой транзистор открывается синхронно с транзистором, установленным в его канале управления.Все описанные выше процессы в микросхеме IC1 и промежуточном усилителе протекают в установившемся режиме, когда напряжения питания каскада управления имеют номинальное значение. Однако в начальный момент запуска ШИМ преобразователя каскад управления выводится в рабочий режим с помощью специальной схемы, обычно называемой схемой «медленного» (или «плавного») запуска. Необходимость применения особых мер по «медленному» запуску схемы управления обусловлено рядом причин.
Наиболее существенный момент в этом смысле состоит в том, что в момент подключения источника питания к сети все его емкости находятся в разряженном состоянии. Начальный бросок тока по цепи первичного питания, возникающий при заряде конденсаторов сетевого фильтра, нейтрализуется терморезистором. Конденсаторы во вторичной цепи источника также разряжены и в начальный момент представляют собой КЗ, то есть большую нагрузку. Силовые транзисторы после включения питания работают в форсированном режиме до тех пор, пока не произойдет заряд конденсаторов. По мере заряда токовая нагрузка на транзисторы снижается. Схема «медленного» запуска предназначена для постепенного выведения силового каскада в штатный режим работы. Период включения искусственно затягивается для обеспечения безопасного функционирования силовых элементов импульсного преобразователя. В процессе «медленного» запуска на начальном этапе работы преобразователя напряжения происходит принудительное ограничение длительности импульсов управления, воздействующих на силовые транзисторы.
Рассматривая схему, приведенную на рис. 3.2, отметим, что после подключения источника к первичному питанию происходит формирование напряжения питания всего каскада ШИМ преобразователя, включая промежуточный усилитель на транзисторах Q3 и Q4. Напряжение питания подается по цепи, подключенной к выводу IC1/12 микросхемы TL494. Появление напряжения в этой точке инициирует работу внутренних каскадов микросхемы IC1. Запускается генератор пилообразного напряжения, внутренним стабилизатором на выводе IC1/14 формируется опорное напряжение питания +5 В. Между выводами IC1/12 и IC1/14 включен конденсатор C6. В начальный момент после включения схемы конденсатор не заряжен и представляет собой малое сопротивление. При появлении напряжения на IC1/14 обе обкладки конденсатора C6 оказываются под одинаковым положительным потенциалом. Дальнейшее развитие процесса включения микросхемы удобно проследить с помощью диаграмм напряжения, приведенных на рис. 3.9. Диаграммы показывают состояние внутренних элементов микросхемы IC1.
Рис. 3.9. Диаграммы напряжений, иллюстрирующие процесс «медленного» запуска
На диаграмме 1 приведена форма напряжений, действующих на входах внутреннего компаратора DA2 микросхемы IC1, функциональная схема которой изображена на рис. 2.7. Пилообразное напряжение действует на его инвертирующем входе. Линейно возрастающее напряжение подается на неинвертирующий вход компаратора от внутреннего усилителя ошибки на DA3. Сначала напряжения всех вторичных цепей равны нулю. Поэтому на входе IC1/1 установлено также нулевое напряжение. После появления питания на IC1 резисторным делителем из R9 и R10 на вход IC1/2 подается положительный потенциал. Соотношение потенциалов на входах IC1/1 и IC1/2 таково, что напряжение на выходе внутреннего компаратора DA3 равно нулю. По мере передачи энергии во вторичную цепь происходит постепенный заряд конденсаторов в выходной цепи канала +5 В. Повышение уровня напряжения на выходе DA3 является следствием нарастания положительного потенциала на входе IC1/1. Внутренним компаратором DA2 производится сравнение входных напряжений. Результирующий выходной импульсный сигнал представлен на диаграмме 2. Рост линейного напряжения на его неинвертирующем входе сопровождается увеличением длительности положительных импульсов на выходе компаратора, с которого они поступают на первый вход внутреннего логического элемента DD1.
Появление положительного потенциала на выводе IC1/4 и его постепенный спад показаны на диаграмме 3. Вход IC1/4 является неинвертирующим входом внутреннего компаратора «мертвой» зоны DA1. На его инвертирующий вход подается пилообразное напряжение. Форма результирующего сигнала, появляющегося на выходе DA1, отражена на диаграмме 4. Этот сигнал подается на второй вход логического элемента типа ИЛИ. Если в это время хотя бы один из входных сигналов также будет иметь высокий потенциал, напряжение на его выходе примет высокий логический уровень. Форма сигнала на выходе логического элемента DD1 показана на диаграмме 5. Видно, что от появления питающего напряжения питания на IC1 до момента T длительность положительных импульсов на выходе DD1 определяется работой ШИМ компаратора DA2. Начиная с момента T, после значительного спада напряжения на входе IC1/4 на выход DD1 поступают положительные импульсы, формируемые компаратором мертвой зоны DA1. При этом все временные параметры импульсной последовательности, действующей на входе цифрового тракта микросхемы IC1, задаются рабочими характеристиками внутреннего усилителя ошибки DA3 и внутреннего компаратора DA2. Диаграммы 6 и 7 демонстрируют форму импульсов на входах внутреннего триггера DD2. Последние две диаграммы показывают вид импульсных последовательностей, действующих на коллекторах транзисторов Q3 и Q4 промежуточного усилителя. Длительность положительных импульсов управления увеличивается постепенно, что видно из диаграмм 8 и 9. Происходит плавное наращивание мощности сигнала управления и плавное нарастание напряжений вторичных цепей. Передача управления от компаратора «мертвой зоны» DA1 тракту усилителя ошибки осуществляется тогда, когда конденсаторы вторичных цепей уже заряжены и требуется передача энергии для поддержания уровня этого заряда.
3.4.2. Импульсный усилитель мощности
Источник питания, принципиальная схема которого изображена на рис. 3.2, относится к классу преобразователей напряжения с внешним возбуждением. Генерация сигналов управления работой импульсного усилителя мощности выполняется узлом ШИМ преобразователя. Сигналы управления имеют малый уровень и мощность. Усиление этих сигналов по току и напряжению производится силовым каскадом, построенным на транзисторах Q5 и Q6. Импульсный усилитель мощности выполнен по полумостовой схеме. Нагрузкой силового каскада является импульсный трансформатор T4, включенный в диагональ моста. Для защиты силового трансформатора от насыщения постоянной составляющей протекающего тока его включение произведено последовательно с керамическим конденсатором C15.
Схема усилительного каскада в данном случае выполняет не только высокочастотное преобразование энергии источника постоянного напряжения, но она наделена еще и дополнительными функциями. Последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включена обмотка другого трансформатора – T3. Она подключена в разрыв соединения первичной обмотки T4 и точки соединения электролитических конденсаторов C10 и C11. Трансформатор входит в состав узла контроля перегрузки по току основных вторичных каналов блока питания. Первичная обмотка W3 трансформатора T3 используется в качестве основного элемента датчика токовой нагрузки вторичных каналов. На основе элементов силового каскада построен узел начального запуска каскада ШИМ преобразователя или, точнее, подачи начального питания на этот каскад. Если на микросхеме TL494, являющейся базовым элементом схемы управления, не установлена блокировка, она запускается автоматически при нарастании напряжения питания на ее выводе IC1/12 до уровня +7 В. Под запуском понимается начало формирования импульсных последовательностей на выводах IC1/8,11.
Напряжение питания на вывод IC1/12 микросхемы поступает через последовательно соединенные диод D18 и резистор R31. Анод диода соединен с выходом выпрямителя на диодной сборке SBD2. Фильтрация напряжения питания микросхемы выполняется конденсаторами C17 и C18. Эта цепь питания единственная. Только по этой цепи напряжение питания подается на микросхему IC1 и каскад промежуточного усилителя с момента запуска преобразователя и в течение всего цикла работы. Для формирования начального импульса напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора специально модифицированы базовые цепи силовых транзисторов. В классической схеме полумостового усилителя в базовые цепи транзисторов включено по одной вторичной обмотке согласующего трансформатора. Сигналы для открывания транзисторов поступают через эти обмотки. На рис. 3.2 показано, что вторичная обмотка трансформатора T2, подключенная к цепям транзистора Q5, состоит из двух полуобмоток – W3 и W4. К элементам, составляющим базовую цепь транзистора Q6, подсоединена обмотка W5. Обмотки W3 и W4 намотаны синфазнои противоположно намотке W5. Еще одним отличием схемы, приведенной на рис. 3.2, от классического варианта является наличие резисторов R7 и R9, установленных между коллекторами и базами транзисторов Q5 и Q6 соответственно. Резисторы служат для подачи смещения на базы силовых транзисторов и являются необходимыми элементами в цепи формирования напряжения начального запуска ШИМ преобразователя.
В начальный момент времени после подачи электропитания на блок питания напряжение поступает только на элементы силового каскада. На всех вторичных обмотках трансформатора T4 напряжение отсутствует. Конденсаторы С10 и С11 образуют емкостной делитель. Напряжение в точке их соединения равно половине напряжения питания силового каскада. Благодаря наличию резисторов R27 и R29, на базах транзисторов Q5 и Q6 постепенно нарастают напряжения начальных смещений. Оба транзистора начинают открываться, это вызывает протекание увеличивающихся токов через вторичную обмотку W4 согласующего трансформатора Т2. Токи имеют встречную направленность. Причиной появления первого из токов является открывание Q5, этот ток протекает по цепи: положительная обкладка конденсатора C10 – коллектор-эмиттер Q5 – обмотка W4 трансформатора T2 – конденсатор C15 – первичная обмотка T4 – первичная обмотка T3 – отрицательная обкладка конденсатора C11. В контур протекания тока, вызванного открыванием транзистора Q6, входят следующие элементы: положительная обкладка конденсатора C11 – первичные обмотки трансформаторов T3 и T4 – конденсатор C15 – обмотка W4 трансформатора T2 – коллектор-эмиттер Q6. В каждом контуре протекания токов присутствуют одноименные элементы. Но токи двигаются по ним в противоположных направлениях. Силовые транзисторы имеют технологические разбросы параметров, поэтому токи не могут полностью компенсировать друг друга. Один из них обязательно будет преобладающим. В общем случае таким током может быть любой из двух. Но для определенности описания предположим, что большую величину имеет ток, протекающий через транзистор Q6, поэтому потенциал на нижнем по схеме выводе обмотки W4 трансформатора T2 будет немного выше, чем на ее верхнем выводе. Преобладающий ток протекает от нижнего вывода к верхнему. Вторичные обмотки трансформатора T2 имеют между собой магнитную связь. Током, протекающим через обмотку W4 трансформатора Т2, наводится ЭДС в обмотках W3 и W5. Обмотки W3 и W5 подключены в схему таким образом, что напряжения ЭДС, приложенные к элементам базовых цепей силовых транзисторов в них, будут иметь противоположные знаки. На выводе обмотки W5, подключенном к аноду диода D15, напряжение будет положительным. На аналогичном выводе диода D14 приложенная в это же время ЭДС будет отрицательной. ЭДС обмоток W4 и W5 с учетом знака напряжения будут складываться с потенциалами начального смещения транзисторов Q5 и Q6, образующихся благодаря резисторам R27 и R29. Отрицательное напряжение обмотки W3, складываясь с базовым потенциалом транзистора Q5, будет уменьшать положительное напряжение, что приведет к закрыванию этого транзистора. Возрастающее же положительное напряжение на обмотке W5 будет только увеличивать уровень начального смещения на базе Q6. Этот процесс развивается очень быстро и, в итоге, вызывает полное открывание транзистора Q6. В нашем случае происходит быстрое открывание Q6 и запирание Q5. При полном открывании транзистора Q6 ток, протекающий через первичную обмотку T4, резко возрастает, создавая нарастающий магнитный поток в его сердечнике. На вторичных обмотках T4 наводятся ЭДС, знаки которых определяются в соответствии с подключением обмоток. Все выпрямительные схемы вторичных цепей являются двухполупериодными, поэтому на выходах каждой из них обязательно появятся импульсы напряжений. Полярность выходных напряжений определяется схемой подключения выпрямительных диодов к вторичным обмоткам трансформатора T4. Вывод IC1/12 микросхемы ШИМ преобразователя через резистор R31 и диод D18 подключается к выходу выпрямителя канала +12 В. Катоды сборки SBD2 соединены, на них возникает импульс положительной полярности, который сглаживается RC фильтром и в виде плавно нарастающего уровня напряжения попадает на IC1/12. Уровень напряжения и первичная мощность импульса достаточны для того, чтобы произвести запуск микросхемы IC1 и поддержать работу транзисторов промежуточного усилителя на согласующий трансформатор. Транзисторы промежуточного усилителя переключаются под воздействием импульсов управления, поступающих от IC1/8,11. Параметры обмоток согласующего трансформатора Т2 выбраны таким образом, чтобы при минимальном уровне напряжения на усилительном каскаде напряжения на обмотках W5, W3 оказались бы достаточными для поочередного открывания силовых транзисторов. Как только начинается периодическая коммутация транзисторов Q5 и Q6, напряжения на вторичных обмотках T4 достигают номинальных значений и устойчиво поддерживаются. Уровень напряжения на IC1/12 также стабилизируется. Далее система переходит в режим автоподстройки выходных уровней вторичных напряжений по сигналу датчика значения напряжения канала +5 В, выполненного на резисторе R13. Активная роль обмотки W4 трансформатора T2 заканчивается в период стабилизации колебаний в силовом каскаде. В рабочем цикле через нее протекает ток того же направления и величины, что и через первичную обмотку силового трансформатора T4.
Силовые каскады блоков питания для персональных компьютеров строятся по схеме полумостового преобразователя. В классическую схему полумостового преобразователя могут вводиться различные дополнения, обусловленные стремлением разработчиков совместить выполнение различных функций в одной группе элементов. В данном случае первостепенное значение имеет обеспечение начального запуска микросхемы ШИМ управления. В варианте построения силового каскада, осуществляющего начальный запуск, предлагаются модификации базовых цепей транзисторов импульсного усилителя мощности. На рис. 3.10 представлен фрагмент схемы силового каскада, демонстрирующий способ подачи смещения на базы транзисторов от отдельного диодного выпрямителя.
Позиционные обозначения элементов на схеме индивидуальны и действительны только для компонентов, приведенных на рис. 3.10. Схема не содержит полного типового набора компонентов, входящих в состав импульсных усилителей мощности. Представленные элементы предназначены для демонстрации особенностей подобного каскада.
Электропитание силового каскада блока питания производится от выпрямленного напряжения первичной сети. Сетевой выпрямитель для усилителя мощности собран на диодах D1 – D4. Выпрямленное напряжение подается только на соединенные последовательно транзисторы Q1 и Q2 и электролитические конденсаторы фильтра C2 и C3. Смещение на базы транзисторов подается с помощью резистивных делителей. На базу транзистора Q1 напряжение поступает от делителя напряжения, образованного резисторами R3 и R4. Аналогичная цепь для транзистора Q2 сформирована элементами R5 и R6. Резисторы R1 и R7, R2 и R8, установленные в базовых цепях транзисторов, ограничивают ток через переходы база-эмиттер транзисторов Q1 и Q2 соответственно. Для обеспечения подачи питания на делители смещения в схему введен отдельный однополупериодный выпрямитель, включающий в себя диод D5 и конденсатор C1. Резисторы, использованные в делителях, имеют большое сопротивление, ток разряда конденсатора составляет единицы миллиампер, поэтому его номинал может иметь относительно небольшое значение. Например, конденсатор C1 керамический, емкостью 2200 пФ. Согласующий трансформатор T2 содержит три вторичные обмотки, две из них подключены к базовым цепям силовых транзисторов Q1 и Q2. Третья используется для формирования импульса для питания схемы ШИМ преобразователя на начальной стадии подключения схемы к первичной сети. Эта обмотка включена между эмиттером транзистора Q1 и первичной обмоткой силового импульсного трансформатора T1. На схеме показана только одна вторичная обмотка трансформатора T1, хотя их может быть и несколько. Средняя точка вторичной обмотки соединена с общим проводом вторичной цепи. К этой единственной обмотке подключены два диода D6 и D7, образующие двухполупериодный выпрямитель. Выход выпрямителя нагружен на фильтр вторичного канала +12 В, не показанный на рис. 3.10 и сглаживающий фильтр цепи питания микросхемы ШИМ преобразователя и промежуточного усилителя. Нагрузкой промежуточного усилителя является первичная обмотка трансформатора T2, к средней точке которого также подводится напряжение от цепи питания ШИМ микросхемы. Такая компоновка и назначение элементов в базовых цепях транзисторов Q1 и Q2 практически повторяют структуру такого же узла схемы, приведенную на рис. 3.2. Главное отличие схемы, показанной на рис. 3.10, от других заключается в способе подачи постоянного напряжения на резистивные делители напряжения, подключенные к базовым цепям силовых транзисторов. Принципы же получения импульса напряжения для начального питания узла ШИМ полностью идентичны. Номиналы конденсаторов, представленных на схеме, приведенной на рис. 3.10, имеют одинаковые значения с элементами установленными в аналогичных позициях базовой схемы. Максимальное рабочее напряжение конденсаторов C2 и C3 не превышает 200 В, номиналы резисторов имеют следующие значения: R1 и R2 = 2,2 Ом, R3 и R5 = 150 кОм, R4 и R6 = 2,7 кОм, R7 и R8 = 39 Ом, R9 = 22 Ом, R10 = 1,5 кОм.
Варианты начального запуска каскадов ШИМ преобразователя не ограничиваются схемами, использующими особую конструкцию согласующего трансформатора для этих целей. Существуют схемы, в которых применяется дополнительный маломощный трансформатор. Фрагмент одной из таких схем представлен на рис. 3.11.