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. 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.
Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания.
Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций Кп в пределах 10 -5 . 10 -4 так и повис в воздухе — уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Кп является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:
«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой «чистоты»:
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.»
Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра Кс = Кп-вх/Кп-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.
В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов. Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.
Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.
Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.
На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.
Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИП, приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F :
С1 = Iн/(3,14×Uн×F×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = Iн/(6,28×Uн×F×Кп) — для двухполупериодных.
Кп — это коэффициент пульсаций, равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F — частота переменного напряжения на входе диодного выпрямителя.
Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.
ВНИМАНИЕ. Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания, либо в высокочастотных импульсных ИП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки XL на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.
Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F 2 (Гц)×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F 2 ×Кп) — для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/Rн 2 (Ом) .
Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в. Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше, а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице ссылка на страницу:
С1 = С2 ; С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/Rн 2 (Ом) .
Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1 неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр. Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций (F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак: С3 = 1/(39,44×L1×F 2 ) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F 2 ) — для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.
Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.
Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций. Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.
На Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.
Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного повторителя, образованного Т1.
В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.
Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.
При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора:
Uб = Uвх — Uвх пульсаций — (2,5. 3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
Uкэ = Uвх пульсаций + (3,1. 3,6В) .
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать на приведённом выше калькуляторе.
