Блок питания для компьютера, мощностью 350Вт, форм-фактор АТХ

Киевский политехнический институт (КПИ)

Радиотехнический факультет

Блок питания для компьютера, мощностью 350Вт, форм-фактор АТХ

Дипломная работа

Киев 2005

Вступление

Современные рыночные экономические отношения требуют качественную и надежную продукцию, а также быстрое и качественное предоставление услуг. Низкая стоимость обусловливает конкурентоспособность товара и услуг. Реализовать это не возможно без автоматизации всех сфер деятельности общества. Универсальным инструментом для автоматизации в наше время стал персональный компьютер (ПК). Если проанализировать, то можно увидеть что компьютер на современном этапе применяется почти везде: в медицине, для точной диагностики с малым процентом ошибки, в производстве, для быстрого проектирования, анализа, моделирования и непосредственно при изготовлении детали, в сельском хозяйстве, в исследовательских целях, в массовых электронных платежах, в сфере развлечений (игровые автоматы). Стоит отметить, что современный компьютер представляет собой сложное радиоэлектронное средство, в котором реализованные все достижения науки в сфере технологий и инженерии. Попытка увеличить быстродействие этого средства вынуждает разработчиков уменьшать уровни сигналов, применять технологии, которые являются чувствительными к внешнему влиянию, что очень сильно отражается на надежной работе прибора. Это в свою очередь обусловливает жесткое требование к источнику питания и к его стабильности.

В случае нестабильности напряжения питания компьютера, это приводит к таким последствиям как:

- выход из строя главной материнской платы;

- выхода из строя оперативной памяти (ОЗП);

- нарушение целостности информации, которая хранится на жестком диске (накопителе);

- порча диска (брак) при записи CD/CD-RW;

- внезапная перезагрузка операционной системы;

Такое нестабильное функционирование прибора, когда он является ключевым элементом в ПК, приводит к падению общей производительности и надёжности работы системы. И Такие случаи работы персональных компьютеров в Украине являются очень распространенными. Причина - использование некачественных источников питания. Высококачественные источники питания для ПК имеют большую стоимость, поэтому, учитывая потребительский уровень, в Украину ввозятся в ограниченном количестве и для небольшого числа производителей (сборщиков) ПК.

После проведенных мной исследований, было выяснено что в Украине возможно производство высококачественного источника питания для ПК, по цене которая будет доступная среднему потребителю. Поэтому целью дипломной работы является разработка блока питания (далее БП) форм фактора АТХ который в полной мере отвечает требованиям, которые выдвигает стандарт созданный корпорацией INTEL, имеет высокие показатели надежности и малую себестоимость.

1 Разработка технического задания

1.1 Наименование и область применения

1.1.1 Наименование: Блок питания компьютера форм-фактора АТХ (12V)

1.1.2 Область применения: системные модули типа IBM PC-XT/AT

1.2 Цель и назначение разработки

1.2.1 Целью разработки является создание компьютерного блока питания форм-фактора АТХ (12V)

1.2.2 Назначение разработки - создание функционально законченного устройства, которое обеспечивает стабильность выходного напряжения при изменении (в определенных границах) входного напряжения, входного тока и рабочей температуры

1.2.3 Разработка предназначена для крупно серийного производства

1.3 Источник разработки

1.3.1 Источником разработки является схема электрическая принципиальная блока питания компьютера, которая совместима с материнской платой изготовленной согласно спецификации ATX версии 2.03

1.4 Технические требования

1.4.1 Состав изделия и требования к конструктивному оформлению

1.4.1.1 Изделие имеет в своем составе следующие части

- плата фильтрации входного напряжения;

- плата преобразования напряжения.

1.4.1.2 Габаритные размеры БП должны быть, мм

- длина: 150;

- ширина: 140;

- высота: 86.

1.4.1.3 Масса БП должна быть не более 2 кг

1.4.1.4 Конструктивное выполнение должно обеспечивать возможность крепления блока в системных модулях типа IBM PC-XT/AT

1.4.1.5 Конструкция БП должна обеспечивать возможность ремонта

1.4.1.6 Электрическая прочность изоляции БП между токоведущими цепями, а также между токоведущими цепями и корпусом в нормальных климатических условиях эксплуатации должна обеспечивать отсутствие пробоев

1.4.1.7 Стойкость к влиянию температуры и влажности окружающей среды: изделие должно отвечать климатическому выполнению категории УХЛ 4.2 ГОСТ15150-69

1.4.1.8 Для антикоррозийной защиты поверхности деталей применить гальваническое покрытие

1.4.1.9 Корпус БП должен иметь перфорацию, на деталях, которые формируют корпус не должно быть заусениц и повреждений (царапин, вмятин, коррозии)

1.4.1.10 После ремонтных работ, изделие должно сохранять показатели, которые указанны в этом документе

1.4.1.11 Изделие должно эксплуатироваться в помещениях 3-й категории (закрытое помещение с циркуляцией воздуха)

1.4.1.12 Изделие по показателям помехоустойчивости и ликвидации помех, которые влияют на работу других изделий должно отвечать ГОСТ 22505-83 и ГОСТ 23511-79

1.4.2 Показатели применения

Требования к сети:

Минимальное значение ~В: 180;

Максимальное значение ~В: 265;

Частота, Гц: 47 - 63;

Требования к параметрам выходных напряжений и тока:

Выход

Минимальное значение, В

Номинальное значение, В

Максимальное значение, В

Минимальное значение тока, А

Максимальное значение тока, А

1

+11.40

+12.00

+12.60

1

15

2

+4.75

+5.00

+5.25

0.3

21

3

+3.14

+3.30

+3.47

0.5

22

4

-10.80

-12.00

-13.20

0.0

0.3

5

-4.75

-5.00

-5.25

0.0

0.3

6(VSB)

+4.75

+5.00

+5.25

Общие требования:

Общая выходная мощность, Вт: 350;

Общий КПД, %: 75;

Скачек тока при включении не больше, А: 80;

Температурный дрейф уровня выходных напряжений для канала +5В, при нагрузке всех каналов на 50%, : 0.02;

Температурный дрейф уровня выходных напряжений для всех других каналов, при нагрузке всех каналов на 50%, : 0.05;

При изменении напряжения сети от 180В до 264 выходные напряжения всех каналов изменяются на ±0.5% при 50% нагрузке всех каналов;

Задержка появления сигнала разрешения PG (Power Goodness) высокого уровня при включении, мл. сек.: 100 - 200

1.4.3 Требования к надежности

1.4.3.1 Изделие по степени надежности должно удовлетворять требованиям ГОСТ 27.003-90

1.4.3.2 Средняя наработка на отказ, час.:.............не менее 27000

1.4.3.3 Вероятность безотказной работы:.................0.75

1.4.3.4 Среднее время восстановления, час.:............ 0.5

1.4.3.5 Изделие должно выдерживать влияние внешних механических и климатических факторов согласно с ГОСТ 11478-88

1.4.4 Требования к технологичности и метрологическому обеспечению разработки, производства и эксплуатации

1.4.4.1 Параметры БП должны контролироваться посредством стандартных измерительных приборов, обслуживающим персоналом среднего уровня квалификации

1.4.4.2 Требования к технологичности должны отвечать ГОСТ 14.201 83.

1.4.4.3 Конструкция изделия должна обеспечивать возможность выполнения монтажных работ с соблюдением требований технического задания на установку и пайку комплектующих изделия

1.4.4.4 Конструкция изделия в целом и отдельных узлов должна удовлетворять сборке без применения специального оборудования

1.4.4.5 Трудоемкость при изготовлении прибора, час.:.....не более 3

1.4.4.6 Конструкция блока должна отвечать требованиям ремонтопригодности согласно Р50-84-88

1.4.5 Требования к уровню унификации и стандартизации

1.4.5.1 В качестве комплектующих единиц и деталей (коммуникационные изделия электроники, детали крепления, детали установки) должны использоваться серийные изделия

1.4.5.2 Монтажные платы, панели, узлы крепления и установки должны быть унифицированы

1.4.5.3 Коэффициент унификации стандартных и заимствуемых деталей должен быть не менее 0.1

1.4.6 Требования к безопасности при обслуживании по охране окружающей среды

1.4.6.1 Конструкция БП должна обеспечить безопасность персонала при эксплуатации изделия. Общие требования к электрической и механической безопасности согласно ГОСТ 12.2.007.0-75

1.4.6.2 По мере защиты человека от поражения электрическим током блок должен быть изготовлен соответственно ГОСТ 12.2.007.0-75, класс защиты - 1

1.4.6.3 Меры защиты от поражения электрическим током должны отвечать ГОСТ 12.2.007.0-75

1.4.6.4 Общие требования по обеспечению пожарной безопасности в помещениях согласно ГОСТ 12.1.004-85

1.4.6.5 Конструкция прибора должна исключать возможность неверного присоединения его токоведущих частей

1.4.6.6 В качестве основного источника питания должна выступать промышленная сеть переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220В, в качестве альтернативного источника питания - источник бесперебойного питания, со временем автономной работы не менее 20 мин

1.4.6.7 Штекера и разъёмы электрических цепей должны иметь надписи, которые отвечают их назначению

1.4.6.8 Конструкция прибора должна исключать возможность попадания в корпус посторонних вещей

1.4.6.9 В документации по эксплуатации и требованиям по технике безопасности должны быть соблюдены правила технической эксплуатации электромонтажа, и правила безопасной эксплуатации

1.4.7 Эстетические и эргономические требования

1.4.7.1 Изделие по своим эргономичным показателям должно обеспечивать удобство при монтаже и эксплуатации

1.4.8 Требования к патентной чистоте

1.4.8.1 Патентная чистота должна быть обеспечена

1.4.9 Требования к составным частям изделия: сырья, исходным и эксплуатационным материалам

1.4.9.1 Покупные изделия и материалы применяются без ограничений

1.4.10 Условия эксплуатации (использование), требования к техническому обслуживанию и ремонту

1.4.10.1 Изделие должно быть изготовлено для климатического условия УХЛ4.2. согласно ГОСТ 15150-69

Значение температуры воздуха при эксплуатации:

Рабочие:

верхнее значение +35;

нижнее значение +10;

среднее значение +20.

Предельные:

верхнее значение +45;

нижнее значение +10.

Относительная влажность:

Среднее значение в наиболее теплый и влажной период, длительность действия.

65% при 20 С° длительность действия 12 месяцев;

Верхнее значение 85% при 25 С°.

Атмосферное давление:

атмосферное давление 84.0.106.7 кПа. (630 - 800 мм рт.ст.)

1.4.11 Требования к маркировке и упаковке

1.4.11.1 Маркировки изделия должно отвечать требованиям ГОСТ 21552-84

1.4.11.2 Маркировку на корпусе выполнить методом теснения. Качество выполненной маркировки должно обеспечивать четкое изображение на весь срок службы изделия

1.4.11.3 В содержании маркировки изделия должно быть

наименование предприятия производителя или товарный знак;

полное товарное наименование согласно ГОСТ 21552-84;

порядковый номер изделия и составных частей;

объяснительные и предупреждающие надписи;

дата изготовления.

1.4.11.4 Упаковка должна быть выполнена в виде картонной коробки

1.4.11.5 На таре должны быть нанесены значки: «Беречь от сырости», «Придерживаться интервала температур»

1.4.11.6 Упаковка должна обеспечить целостность изделия при работах по загрузке - разгрузке, транспортировке, сохранению и защиту при внешних воздействиях

1.4.11.7 Каждое изделие в упаковке должно фиксироваться в транспортировочной таре

1.4.11.8 Если изделие будет экспортироваться, все надписи выполняются на договоренном языке, который оговаривается в договоре

1.4.12 Требования к транспортировке и сохранению

1.4.12.1 Упакованные изделия транспортируются исключительно в закрытом транспорте

1.4.12.2 Требования к виду транспорта не предъявляются

1.4.12.3 Условия сохранения изделия в таре должны отвечать следующим требованиям

температура окружающей среды ±50С°;

относительная влажность воздуха при +35С° 98%;

среднемесячное значение в наиболее теплый и влажной период, длительность влияния 80% при 27 С° 12 месяцев.

Тип помещения: закрытое или другое помещение с природной вентиляцией без применения искусственной регуляции климатических условий, где колебание температуры и влажности воздуха значительно меньше, чем на открытом воздухе.

1.4.12.4 Размещение и крепление упакованных изделий в транспортных средствах должно обеспечить их стойкое положение, исключить возможность падений и ударов

1.4.12.5 В помещении для хранения изделия не должно быть агрессивных примесей (пара, щелочи, кислот и т.д.) которые вызывают коррозию

1.4.12.6 Расстояние между стенами, полом и изделием должно быть не меньше 100мм, а между обогревающими устройствами не менее 0.5м

1.5 Экономические показатели

1.5.1 Ожидаемый годовой выпуск штук

1.6 Стадии и этапы разработки

1.6.1 Техническое предложение

1.6.2 Эскизный проект

1.6.3 Технический проект

1.7 Порядок контроля и приема

1.7.1 Изделие должно быть проверено и принято отделом технического контроля предприятия производителя

1.7.2 Для приема предъявляются следующие документы

техническое задание;

комплект конструкторской документации;

ведомость покупных изделий;

программа и методика проведения испытаний;

эксплуатационные документы;

методика проверки.

1.7.3 В случае несоответствия основных параметров блока, его отправляют в ремонт. После ремонта проводят перепроверку и настройку

1.7.4 Все проверки за исключением оговоренных, проводить в климатических условиях которые оговорены в ТЗ

2. Анализ ТЗ

Блок питания (БП) системных модулей IBM PC XT/AT предназначен для преобразования входного переменного напряжения сети в выходные постоянные напряжения, которые обеспечивают работу всех других узлов и блоков компьютера.

БП для компьютеров конструируются по безтрансформаторной схеме подключения к сети, и представляет собой импульсные БП, которые характеризуются большим значением КПД (более 70%), незначительным весом и небольшими габаритами.

Имея столько преимуществ, импульсный БП является источником импульсных помех и это предъявляет к его схеме много требований по электромагнитной совместимости с остальными узлами компьютера, а также с другими электронными приборами. Кроме этого в безтрансформаторных ИБП нет гальванической развязки схемы с сетью, что требует специальных мер при его ремонте.

Большая часть элементов ИБП работает с током высокой частоты (~60кГц), это приводит к нагреванию элементов, поэтому является важным обеспечение теплового режима. К элементам, которые нагреваются, относятся: импульсные транзисторы в силовом каскаде, импульсный силовой трансформатор, импульсные (высокочастотные) силовые диоды в исходных цепях, интегральные стабилизаторы напряжения, дроссель групповой стабилизации.

Учитывая выше указанные особенности ИБП компьютера, а также требования ТЗ, нужно принять решение по обеспечению всех норм.

Для обеспечения электромагнитной совместимости электрическая схема ИБП всегда размещается в металлическом корпусе, который служит электромагнитным экраном. Такое оформление БП является одной из мер по снижению уровня образования помех. Другая помеха, которая является опасной как для работы компьютера, так и для других электрических приборов представляет собой кондуктивная помеха. Источником кондуктивной помехи может быть как любой внешний прибор (устройство) так и сам ИБП. Часто внешним источником является аппаратура электрической сварки, электродвигатели, медицинская аппаратура и тк.д. В ИБП источником кондуктивной помехи является режим работы силовых транзисторов - инвертирования, выпрямляющих и коммутирующих диодов. Для борьбы с кондуктивной помехой нужно применить помехоустраняющие фильтры, и другие схемотехнические средства борьбы.

Для обеспечения теплового режима, элементы, которые сильно нагреваются необходимо оборудовать радиаторами, а к элементам, для которых невозможно применение радиаторов, необходимо применить принудительное охлаждение.

В качестве принудительного охлаждения в системах обеспечения теплового режима (СОТР) в радио- конструировании широко применяются вентиляторы. Наиболее эффективной системой охлаждения при применении вентиляторов является система принудительного охлаждения воздухом путем продува.

Применение вентиляторов имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам можно отнести возможность уменьшить размеры радиаторов, а также искусственно поддерживать температуру в корпусе на заданном уровне. К недостаткам шумовой фон, который создает вентилятор при работе. Поэтому имеет место проблема снижения уровня шума изделия.

Для принудительного охлаждения применение вентиляторов с двигателем коллекторного типа является невозможными, потому что он, во-первых, является источником электромагнитных помех, во-вторых, требует систематического ремонта, связанного с механическим изнашиванием щеточек. Поэтому нужно применять вентиляторы, выполненные в безколекторном варианте.

Важным моментом при конструировании печатной платы БП, с точки зрения обеспечения теплового режима имеется оптимальное размещение элементов исходя из ограничений, которые накладывает схемотехника ИБП. Поэтому при трассировке платы и конструировании корпуса ИБП, элементы, которые отдают большое количество мощности в виде тепла, нужно размещать вдоль потока воздуха.

Для обеспечения конструктивных мер технической безопасности, нужно применить трех-штыревой стандартный вход (вилка) для подачи напряжения сети при помощи трехжильного шнура с трех- контактной розеткой на ИБП и двух штыревую вилку на конце, которую включают в сеть (вилка имеет третий контакт который позволяет осуществить защитное зануление). На отверстия под установку вентилятора установить защитные сетки, которые предотвращают попадание посторонних предметов в середину ИБП. Для защиты проводников от повреждения изоляции нужно применить защитное пластиковое кольцо.

Для обеспечения высокого уровня надежности, качества, минимальной себестоимости и ремонтноспособности нужно применить новую элементную базу и материалы, которые широко распространены на рынке Украины.

3 Описание схемы электрической принципиальной

Разрабатываемый ИБП построен на микросхеме TL494. Схемотехнические варианты построения ИБП на основе управляющей микросхемы TL494 отличаются незначительно. В таких ИБП неизменными остаются:

- способ построения силового каскада (двухтактная полумостовая схема);

- управляющая микросхема с некоторыми навесными элементами;

- согласующий каскад с развязывающим и управляющим трансформатором;

- способ получения выходных напряжений и их стабилизация.

Важным является и то обстоятельство, что у всех таких ИБП неизменным остается и общая архитектура построения всей схемы ИБП в целом. Этот базовый принцип заключается в том, что на первичной, гальванически не развязанной от сети стороне, размещается только силовой каскад (мощная полумостовая схема инвертирования), а вся другая часть схемы, в том числе и управляющая микросхема TL494, находится на вторичной стороне, которая гальванически развязана от сети. Граница развязки проходит через развязывающие трансформаторы:

- управляющий;

- силовой импульсный.

3.1 Входные цепи

Эта часть схемы практически не отличается для всех разновидностей ИБП и включает в себя следующие основные элементы:

- входной стандартный трёхштырьковый разъем;

- плавкий предохранитель;

- ограничивающий терморезистор;

- входной помехопоглощающий фильтр;

- схему выпрямления напряжения сети;

- сглаживающий емкостной фильтр.

Переменное напряжение сети подается через выключатель сети, предохранитель (номиналом 5А), терморезистор (TR) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и помехопоглощающий фильтр на мостовую схему выпрямителя. Выпрямленное напряжение сети сглаживается конденсаторами С5, С6. На шине выпрямленного напряжения появляется постоянное напряжение +310В относительно общего провода первичной стороны.

Терморезистор предназначен для ограничения скачка зарядного тока через конденсаторы в момент включения ИБП. В холодном состоянии сопротивление TR составляет несколько Ом, ток сквозь диодный мост ограничивается безопасным уровнем. В результате протекания тока сквозь TR он нагревается и его сопротивление составляет доли Ом, что в дальнейшем не влияет на работу ИБП.

Сетевой плавкий предохранитель предназначен для защиты сети от перегрузок при возможных КЗ в первичной цепи ИБП, и защищает схему самого ИБП от внутренних перегрузок и КЗ.

Входной помехопоглощающий фильтр имеет свойство ликвидации помех в двух направлениях, то есть предотвращает проникание высокочастотных импульсных помех из сети в ИБП, и наоборот - из ИБП в сеть.

Параллельно конденсаторам С5, С6 включены высокоомные сопротивления R2, R3 номиналом 200 кОм, через которые С5, С6 разряжаются при выключении ИБП. Кроме этого эти сопротивления выравнивают напряжение на С5, С6 (для симметрии работы схемы).

3.2 Силовой каскад

Силовой каскад построен по двухтактной полумостовой схеме. Транзисторы VT1, VT2 - ключевые силовые транзисторы, которые при работе БП отпираются по очереди. Управляющее напряжение, которое подается на базы этих транзисторов построено таким образом, чтобы всегда была “мертвая зона”, когда оба транзисторов закрыты. Этим предупреждаются сквозные токи через транзисторы VT1, VT2.

Электродвижущая сила (ЕДС) на вторичных обмотках управляющего трансформатора в первый момент после включения еще отсутствует. Поэтому, чтобы низкоомное сопротивление обмоток не шунтировало управляющие переходы база-эмиттер силовых ключей, приходится применять в схеме развязывающие диоды VD5, VD6.

Диоды VD7, VD8 предназначены для создания пути протекания тока рекуперации (частичное возвращение энергии, которая была накоплена в индуктивности рассеивания трансформатора источника питания), который протекает по цепи: T1-C7-C6-VD8-T1 для диода VD8 и T1-C7-C5-VD7-T1 для диода VD7.

Цепь из элементов C10, R10 включена параллельно первичной обмотке импульсного силового трансформатора, демпфирует паразитные высокочастотные колебания, которые возникают в паразитном колебательном контуре, который состоит из индуктивности рассеивания первичной обмотки Т1 и межвитковой емкости, в момент закрытия транзисторов VT1, VT2. При этом C10 увеличивает общую емкость паразитной цепи, понижая, таким образом, частоту паразитного колебательного процесса. R9 уменьшает добротность этого контура, что способствует быстрому затуханию колебаний.

Конденсатор C7, предотвращает протекание возможной постоянной составляющей тока через первичную обмотку импульсного высокочастотного трансформатора. Поэтому является элементом, который предотвращает подмагничивание сердечника трансформатора.

Конденсаторы C8, C9 выполняют функцию форсирующих емкостей и убыстряют процесс переключения силового транзистора. Это происходит следующим образом. При появлении отпирающего импульса на обмотке разряженный конденсатор С8 обеспечивает подачу в базу VT1 входного отпирающего тока с крутым фронтом, который превышает его установленное значение. Поэтому начальный импульс через С8, обеспечивает ускоренное отпирание VT1. Когда С8 зарядиться до уровня ЕДС, которая действует на обмотке управляющего трансформатора, ток через него перестанет протекать, и в дальнейшем базовый ток VT1 пойдет через VD5, R4, R8. При исчезновении ЕДС на обмотке управляющего трансформатора напряжение конденсатора С8 прикладывается к эмиттерному переходу транзистора VT1 в запирающей полярности и, форсировано его закрывает, надежно поддерживая его в закрытом состоянии до конца “мертвой зоны”. Аналогично для конденсатора С9.

3.3 Выходные цепи

Способ получения выходных напряжений одинаковый почти во всех схемах. Основной (общий) способ заключается в выпрямлении и сглаживании импульсных ЕДС с вторичных обмоток импульсного силового трансформатора. При этом выпрямление во всех двухтактных схемах осуществляется по двухполупериодной схеме со средней точкой. Этим обеспечивается симметричный режим перемагничивания сердечника импульсного трансформатора, так как через вторичные обмотки протекает только переменный ток и, соответственно, отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника, что неминуемо в однополупериодных схемах выпрямление, где ток протекает через вторичную обмотку трансформатора только в одном направлении.

Так как все схемы реализованы приблизительно одинаково, будет достаточно рассмотреть и описать работу одной схемы (+12В).

Когда сквозь первичную обмотку 1-2 силового трансформатора Т1 протекает линейно нарастающий ток, на вторичной обмотке 3-4 действует ЕДС постоянного уровня. Полярность ЕДС такая, что на выводе 3 присутствует позитивный потенциал ЕДС относительно корпуса. На выводе 4 этот потенциал будет негативным. Поэтому линейно нарастающий ток протекает по цепи: 3 T1-верхний диод в диодной сборке VD9 - обмотка W1 дроссель групповой стабилизации L5 - дроссель L6 - конденсатор С12 - корпус 7 Т1.

Нижний диод сборки на этом интервале закрыт негативным напряжением на аноде, и ток сквозь него не протекает.

Кроме подзарядки конденсатора С12 происходит передача энергии на выход канала (поддерживается ток нагрузки). На этом же интервале времени в сердечнике дросселей L5 и L6, накапливается магнитная энергия.

Дальше ток через первичную обмотку силового трансформатора прекращается как результат закрытия силового транзистора. ЕДС на вторичных обмотках исчезает. Продолжается “мертвая зона”. На этом интервале энергия, сбереженная в дросселях L5, L6 передается в конденсатор С12 и в нагрузку.

Этот ток - линейно спадающий во времени. Дальше открывается второй силовой транзистор и через первичную обмотку Т1 начинает протекать линейно нарастающий ток обратного направления. Поэтому полярность ЕДС на вторичных обмотках будет обратной: на выводе 4 позитивный, на выводе 3 негативный относительно корпуса. Поэтому на этом интервале проводником будет нижний диод в диодной сборке VD9, а ее верхний диод будет закрытым. Ток через обмотку W1, L5 и L6 опять будет линейно нарастающим и подзарядит конденсатор С12, и также будет поддерживать ток в нагрузке. Резистор R12 предназначен для быстрой разрядки конденсатора C12 и других вспомогательных емкостей после выключения ИБП для приведения всей схемы БП в первичное состояние.

Реализация канала в +3.3В кое-где отличается от реализации других каналов. Для получения напряжения в +3.3В используется обмотка на 5В, напряжение из которой преобразуется на микросхеме TL431C с навесными элементами: R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, VD14, C17, C18, VT3.

3.4 Стабилизация выходных напряжений ИБП

Схема стабилизации выходных напряжений в ИБП представляет собой замкнутую петлю автоматической регуляции. Эта петля включает в себя:

- схему управления;

- согласующий предусилительный каскад;

- управляющий трансформатор;

- силовой каскад;

- силовой импульсный трансформатор;

- выпрямляющий блок;

- дроссель межканальной связи;

- блок фильтров;

- делитель напряжения обратной связи;

- делитель опорного напряжения.

В составе схемы управления имеются следующие функциональные узлы:

- усилитель сигнала рассогласования с кругом коррекции;

- ШИМ - компаратор;

- генератор пилообразного напряжения;

- источник опорного стабилизированного напряжения.

В процессе работы усилитель сигнала рассогласования сравнивает входной сигнал делителя напряжения с опорным напряжением делителя. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный модулятор, который руководит оконечным каскадом усилителя мощности, в который, в свою очередь, подает модулируемый управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя через управляющий трансформатор Т2. Питание силового трансформатора осуществляется по безтрансформаторной схеме. Переменное напряжение сети выпрямляется сетевым выпрямителем и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами емкостной стойки. Часть выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением и потом осуществляется усиление полученной разницы (сигнала рассогласования) с введением соответствующей компенсации. Широтно-импульсный модулятор превращает аналоговый сигнал управления в широтно-модулируемый сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса.

Схема модулятора осуществляет сравнение сигнала, который поступает из выхода усилителя сигнала рассогласования с пилообразным напряжением, которое получают из специального генератора.

Динамика процесса стабилизации следующая.

Пусть под действием какого-то дестабилизирующего фактора выходное напряжение в канале +5В уменьшилось. Тогда уменьшится уровень сигнала обратной связи на неинвертирующий вход усилителя ошибки. Соответственно, выходное напряжение усилителя уменьшится. Поэтому увеличится ширина выходных импульсов микросхемы на выводах 8 и 11. То есть увеличится время открытого состояния за период силовых ключевых транзисторов инвертирования. Соответственно, больше чем раньше, часть периода в сердечнике трансформатора будет существовать нарастающий магнитный поток, а значит, дольше, чем раньше, на вторичных обмотках этого трансформатору будут действовать приведенные этим потоком ЕДС. Поэтому увеличивается постоянная составляющая, которая выделяется сглаживающим фильтром из импульсной последовательности после выпрямления, то есть исходное напряжение канала +5В увеличится, возвращаясь к номинальному значению.

При увеличении выходного напряжения +5В процессы будут обратными.

Стабилизация выходных напряжений других каналов осуществляется путем групповой стабилизации. Для этого в схему блока включается специальный элемент межканальной связи, в качестве которого обычно используют высокообмоточный дроссель.

При этом изменение любого выходного напряжения приводит, благодаря электромагнитной связи между обмотками дросселя групповой стабилизации, к соответствующему изменению выходного напряжения +5В с последующим включением механизма ШИМ. Дроссель групповой стабилизации представляет собой пять обмоток (по одной обмотке в каждом выходном канале БП), намотанных на один ферритовый сердечник и которые включены синфазно. В этом случае дроссель в схеме выполняет две функции:

функцию приглаживания пульсаций выпрямленного напряжения - при этом каждая обмотка для своего канала представляет сглаживающий дроссель фильтра и работает как обычный дроссель;

функцию межканальной связи при групповой стабилизации - при этом благодаря электромагнитной связи через сердечник дроссель работает как трансформатор, который передает величину изменения токов, которые протекают через обмотки каналов +12В, -12В, -5В, +3.3В в обмотку +5В.

Такое построение гарантирует обеспечение устойчивой работы ИБП, что является необходимым условием его нормального функционирования.

3.5 Схема выработки сигнала PG (Power Good)

Наличие сигнала PG является обязательным для любого блока питания, который отвечает стандарту IBM.

Схема выработки сигнала PG имеет две функции:

первая функция - это задержка появления сигнала PG высокого уровня при включении ИБП, который позволяет запуск;

вторая функция - это функция преждевременного перехода сигнала PG в неактивный низкий уровень, который запрещает работу процессора при выключении ИБП, а также в случаях возникновения разнообразного рода аварийных обстоятельств, прежде чем начнет уменьшаться напряжение которое питает цифровую часть системного модуля.

В качестве базового элемента при построении схемы использована микросхема типа LM393. Микросхема представляет собой компаратор напряжений.

Расчет работоспособности схемы.

Работа импульсного источника питания достаточно весомо зависит от того, на сколько точно выполнен расчет трансформатора. Даже небольшое отклонение его параметров от оптимальных для конкретного источника питания может привести к уменьшению КПД и ухудшению характеристик. Учитывая важность этого элемента схемы, рассчитаем его параметры.

Расчет.

1. Определим мощность, которую использует трансформатор.

где - мощность, которую потребляет нагрузка ().

2. Зададимся габаритной мощностью , чтобы подобрать магнитный сердечник для трансформатора. Магнитный сердечник подбираем исходя из условия .

где - площадь пересечения магнитного сердечника;

- площадь окна магнитного сердечника;

- минимальная рабочая частота();

- магнитная индукция в магнитном сердечнике ();

- коэффициент заполнения окна проводом ();

Выбираем из справочника сердечник М2000 НН.

3. Определим напряжение на первичной обмотке, которое для схемы с полумостовым инвертором составляет 310В.

4. Определим количество витков первичной обмотки.

5. Найдем максимальный ток первичной обмотки и диаметр провода.

6. Определим количество витков исходной обмотки и диаметр провода.

4. Разработка конструкции прибора

Для разработки модели возможной конструкции БП нужно объективно проанализировать все исходные данные, выделить среди них наиболее важные, которые имеют наибольшее влияние на надежность и стабильность Работы блока питания и, исходя из этих рассуждений, разработать конструкцию, которая в максимальной мере удовлетворит этим требованиям.

При разработке конструкции БП существуют определенные ограничения в виде стандартов разработанных фирмой IBM:

высота: 86мм;

ширина: 140мм;

длина: 150мм;

место для вывода проводников;

место для сетевых разъемов;

место для выключателя.

Поэтому уменьшение габаритов, или изменение места размещения органов управления, входу/выходу блока является невозможным. Это в свою очередь налагает определенные ограничения на оформление печатной платы (ПП).

Известно, что КПД радиоэлементов небольшой, поэтому часть энергии выделяется в качестве тепла, которое в свою очередь необходимо отводить из корпуса. Также стоит отметить, что БП работает в составе системного блока, и он должен отводить нагретый воздух от центрального процессора и других элементов, которые находятся в середине корпуса системного блока и также выделяют тепловую энергию. Это условие ставит важную задачу по обеспечению надежной работы БП - обеспечению теплового режима.

Учитывая то, что ИБП является источником импульсных помех, необходимо обеспечить электромагнитное экранирование схемы БП.

И самой главной задачей на этапе конструирования, для обеспечения конкурентоспособности изделия, достижение низкой себестоимости разрабатываемой конструкции, при одновременном сохранении всех показателей.

Исходя из вышеуказанных рассуждений можно составить список требований, в порядке уменьшения важности, которых нужно придерживаться при конструировании компьютерного ИБП:

обеспечение электрической безопасности при эксплуатации;

обеспечение теплового режима;

обеспечение электромагнитной совместимости;

обеспечение низкого уровня шума;

обеспечение технологичности;

обеспечение ремонтопригодности;

обеспечение низкой себестоимости.

Разработаем три варианта конструкции.

Конструкция №1 представляет собой блок, в котором применен один вентилятор размером 80мм работающий на выдув воздуха из корпуса блока питания. Корпус блока питания имеет перфорации. Эта конструкция имеет следующие особенности. Во-первых, с целью достаточного охлаждения элементов, в расчете на количество воздуха, которое должен вентилятор прокачать сквозь корпус, необходимо использовать вентилятор с повышенным количеством оборотов, у которого лопасти согнуты под большим углом. Во-вторых, нужно применить перфорированные отверстия.

К положительным характеристикам такой конструкции можно отнести:

- простота выполнения;

- технологичность;

- обеспечение низкой стоимости;

- меньший коэффициент заполнения корпуса.

К отрицательным характеристикам относится:

- меньшая надежность (в случае выхода из строя вентилятора, возможный выход из строя значительной части блока питания);

- хуже обеспечение теплового режима, чем в системах с вдуванием воздуха;

- плохая электромагнитная защита схемы компьютера, который является чувствительным к влиянию электромагнитных полей. Причиной является использование перфорированных отверстий;

- высокий уровень шума (вентилятор на высоких оборотах создает значительный шумы).

Конструкция №2 представляет собой блок, в котором применен один вентилятор размером 120 мм, который работает на вдув воздуха в корпус блока питания. Корпус блока питания имеет перфорацию, на тыльной стороне корпуса.

Эта конструкция имеет следующие особенности. Во-первых, с целью достаточного охлаждения элементов БП, в расчете на объем воздуха, который вентилятор должен прокачать сквозь корпус, применен вентилятор больших габаритов с малым количеством оборотов, у которого лопасти согнуты под маленьким углом. Во-вторых, нужно применить перфорированные отверстия для отвода воздуха.

К положительным качествам такой конструкции можно отнести:

- простота выполнения;

- технологичность;

- очень низкий уровень шума (из-за пониженных оборотов вентилятора);

- обеспечение высокого уровня теплового режима за счет направления потока воздуха на все элементы схемы;

- меньший коэффициент заполнения корпуса.

- хороший уровень электромагнитной защиты;

К негативным качествам такой конструкции можно отнести:

- меньшая надежность (в случае выхода из строя вентилятора, возможный выход из строя значительной части блока питания);

- большая стоимость (вентилятор размером 120мм стоит больше вентилятора размером в 80мм).

Конструкция №3 представляет собой блок, в котором применено два вентилятора размером 80 мм, один из которых работает на вдув, а второй на выдув воздуха из корпуса блока питания. Корпус блока питания не имеет перфорированных отверстий.

Эта конструкция имеет следующие особенности. С целью достаточного охлаждения элементов, которые сильно нагреваются, в расчете на объем воздуха, который необходимо прокачать сквозь корпус, применено два вентилятора размером 80мм с малым количеством оборотов, один из которых направляет холодный воздух на элементы, а второй отводит нагретый воздух. За счет использования двух вентиляторов нет потребности применять перфорированные отверстия для отвода нагретого воздуха.

К позитивным качествам такой конструкции можно отнести:

- очень низкий уровень шума (небольшое количество оборотов двух вентиляторов при одинаковом количестве воздуха которое проводится);

- обеспечение высокого уровня теплового режима за счет направления потока воздуха на элементы схемы, которые нагреваются;

- высокий уровень электромагнитной защиты за счет отсутствия перфорированных отверстий;

- большая надежность (в случае выхода из строя одного вентилятора, второй будет продолжать охлаждение);

- низкая себестоимость (два вентилятора с малым количеством оборотов размером 80мм стоят дешевле одного размером 120мм, или одного высокооборотного размером 80мм);

К негативным качествам такой конструкции можно отнести:

- больший коэффициент заполнения корпуса.

- меньшая технологичность.

Вывод: Учитывая все преимущества и недостатки представленных конструкций, наибольшую оптимальной и надежной имеется конструкция №3, поэтому выбираем именно этот вариант.

5. Обоснование выбора элементной базы и материалов конструкции

5.1 Обоснование выбора элементной базы

Выбор элементной базы проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом изложенных в ТЗ условий и требований. Эксплуатационная надежность элементной базы в основном определяется правильным выбором типа элементов при проектировании и при использовании в режимах, которые не превышают предельно допустимые.

Для правильного выбора типа элементов необходимо на основе требований по установке в частности климатических, механических и др. влияний проанализировать условия работы каждого элемента и определить:

эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды, атмосферное давление, механические нагрузки и др.);

значения параметров и их разрешенные изменения в процессе эксплуатации (номинальное значение, допуск, сопротивление изоляции, шумы, вид функциональной характеристики и др.);

разрешенные режимы и рабочие электрические нагрузки (мощность, напряжение, частота, параметры импульсного режима и др.);

показатели надежности, долговечности и срока сохранения.

Критерием выбора в устройстве электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ, заданных условиями работы и эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ является:

технические параметры:

номинальное значение параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схемы прибора;

допустимые отклонения величины ЭРЭ от их номинального значения;

допустимое рабочее напряжение ЭРЭ;

допустимая мощность рассеивания ЭРЭ;

диапазон рабочих частот ЭРЭ;

коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ.

эксплуатационные параметры:

диапазон рабочих температур;

относительная влажность воздуха;

атмосферное давление;

вибрационные нагрузки;

другие показатели.

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ является:

унификация ЭРЭ;

масса и габариты ЭРЭ;

наименьшая стоимость.

Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия. Применение принципов стандартизации и унификации ЭРЭ при конструировании изделия позволяет получить следующие преимущества:

значительно уменьшить сроки и стоимость проектирования;

сократить на предприятии номенклатуру примененных деталей и сборочных единиц;

увеличить масштабы производства;

исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта схемы, то есть упростить подготовку производства;

создать специализированное производство стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятия;

улучшить эксплуатационную и производственную технологичность;

снизить себестоимость выпуска проектируемого изделия.

Учитывая сказанное, сделаем выбор элементной базы для разрабатываемого БП.

В устройстве применены:

- микросхемы TL494, LM393N, L7805, TL431;

- резисторы;

- терморезистор NTC;

- конденсаторы;

- транзисторы 2SC4242, 2SA1015, 2SC945, A733, C3457;

- диоды 1N414B, FR155;

- стабилитрон 9V;

- диодные сборки CTX128, D89-004, F10P048;

- трансформаторы;

- дроссели;

- плавкий предохранитель 5A.

Проведем сравнительный анализ, вышеуказанных элементов с их аналогами, диапазон эксплуатационных характеристик которых отвечает требованиям ТЗ. За цель ставим выбор ЭРЭ наиболее дешевых, распространенных, которые поставляются многими организациями - поставщиками электронных компонентов, при условии соблюдения принципа наименьших габаритов и размеров.

5.1.1 Выбор микросхем

5.1.1.1 Выбор управляющей микросхемы

В схеме, в качестве управляющей микросхемы, применена микросхема TL494, которую выпускает фирма TEXAS INSTRUMENT (США). Ее полным аналогом, как по электрическим параметрам, так и по эксплуатационным имеются микросхемы:

IR3M02 SHARP (Япония);

uA494 FAIRCHILD (США);

KA7500 SAMSUNG (Корея);

MB3759 FUJITSU (Япония).

Среди представленных микросхем наименьшую стоимость, широкую распространенность имеет KA7500 SAMSUNG (Корея). Поэтому в качестве управляющей микросхемы выбираем KA7500. При ремонте или замене возможно использование любой микросхемы перечисленной выше.

5.1.1.2 Выбор микросхемы - компаратор напряжени

В схеме компаратором напряжений выбрана микросхема LM393. Ее полным аналогом, как по электрическим параметрам, так и по эксплуатационным являются микросхемы: HA17393, BA10393, C393C, К1401СА1.

Среди указанных микросхем, LM393 производства фирмы PHILIPS, наиболее широко представлена на рынке Украины и имеет самую низкую стоимость.

5.1.1.3 Выбор микросхем стабилизаторов напряжений

В качестве стабилизатора напряжения на +5В применена микросхема L7805, ее полным аналогом является КР142ЕН5А отечественного производства. Микросхемы имеют приблизительно одинаковую стоимость. Ток стабилизации в КР142ЕН5А больше чем в L7805. По масса-габаритному показателю L7805 меньше чем КР142ЕН5А. Учитывая электрические параметры и габаритные выбираем L7805.

5.1.1.4 Выбор микросхему усилителя ошибки.

В схеме для усиления ошибки применена микросхема TL431C. Ее полным аналогом являются микросхемы AN1431T, TA76431S. Среди аналогов TL431C имеет самую низкую стоимость, поэтому выбираем TL431C.

5.1.2 Выбор резисторов

При выборе резисторов руководствуемся такими характеристиками как электрическое сопротивление и стоимость.

Для выбора типа постоянных резисторов воспользуемся сравнительной таблицей, в который вынесены несколько основных параметров.

Характеристика

Углеродные

Металлопленочные

Металлоксидные

Rном

10 Ом...1 МОм

1 Ом...10 МОм

1 Ом...5,1 МОм

Диапазон Рн , Вт

0,125...2,0

0,125...2,0

0,25...2,0

ДR, %

5; 10; 20

5; 10

5; 10; 20

Максимальное рабочее напряжение, В

100...3000

200...700

7...1000

Зависимость сопротивления от напряжения

низкая

средняя

средняя

Зависимость сопротивления от частоты

низкая

низкая

средняя

Уровень собственных шумов, мкВ/В

низкая

Не больше 1

Не больше 5

ТКС(бR•104) 1/°С

0,012...0,025

Не больше 0,02

Не больше 0,02

Стабильность

высокая

высокая

высокая

Надежность

средняя

высокая

высокая

Интервал рабочих температур, °С

-60...+125

-60...+200

-60...+155

Диапазон частот вибрации, Гц

10...600

10...600

10...600

Стоимость

Дорогие

Дешевые

Дешевые

Исходя из выше указанных требований выбираем металлопленочные резисторы типа С2-22. Они имеют параметры, которые нам наиболее подходят.

5.1.3 Выбор конденсаторов

При выборе электролитических конденсаторов главным образом руководствуемся такими характеристиками как габариты и себестоимость.

Учитывая то, что электролитические конденсаторы в электрической схеме есть одними из самых ответственных элементов, при конструировании будут выбраны конденсаторы фирмы PHILIPS - лидера в производстве высоко надежных конденсаторов, которые имеют самые меньшие габариты и низкую стоимость.

Неполярные конденсаторы в схеме не являются критическими элементами и к ним не предъявляются особенные требования. Поэтому при выборе неполярных конденсаторов руководствуемся критерием низкой стоимости, установочного места и габаритами.

5. 1.4 Выбор транзисторов

5.1.4.1 Выбор силовых транзисторов

Тип транзистора

Параметры транзистора

Ik макс,А

Uке макс,В

h21е мин

Fгр, МГц

Iкбо макс,А

tвкл. макс.,с

tвикл. макс.,с

Pрас. макс., Вт

2SC2625

10.0

400

10

20

100 мк

1 мк

1 мк

10

2SC3042

12.0

400

15

20

10 мк

0.5 мк

0.5 мк

25

2SC3277

10.0

400

8

20

10 мк

0.5 мк

0.5 мк

25

2SC3306

10.0

400

10

20

100 мк

1.5 мк

1.5 мк

100

Среди представленных транзисторов выбираем транзистор с минимальной мощностью рассеивания и максимальным током коллектора. По стоимости, транзисторы имеют одинаковую цену, поэтому оптимальным является выбор 2SC3042.

5.1.4.2 Выбор маломощных транзисторов

Тип транзистора

Параметры транзистора

Ik макс,А

Uке макс,В

h21е мин

Fгр, МГц

Iкбо макс,А

Pрас. макс., Вт

2SC945

100 мл

40

205

180

100 н

250 мл

A733

100 мл

50

270

200

100 н

250 м

2SA733Q

100 мл

50

600

250

100 н

250 м

2SA733R

100 мл

50

400

250

100 н

250 м

Среди рассмотренных маломощных транзисторов выберем 2SC945 и A733, которые наиболее подходят по параметрам и являются дешевле всех.

5.1.5 Выбор диодов

В схеме в сигнальных цепях использованы низковольтные диоды 1N4148, аналогом которых являются диоды отечественного производства КД521, КД522. За показателем стоимости и распространенности 1N4148 есть лучшим выбором.

В качестве силовых низкочастотных выпрямляющих диодов использован сетевой диодный мост PBL405, аналогами которого является RS405L, PO4051, 1N5408, FL406, КЦ405. Все диодные мосты являются распространенными и имеют приблизительно одинаковую стоимость, первые три среди них имеют преимущество в критерии посадочного места, поэтому выбираем диодный мост PBL405.

В качестве выходных высокочастотных выпрямляющих диодов вторичной стороны использованы FR153, в канале -12В и -5В. Аналогами являются диоды PXPR1002, RS102R, КД208, КД226. По массогабаритным показателям, показателям стоимости и установочными размерами преимущество отдаем RS102R.

В канале +5В использован полумост из двух диодов Шоттки СТВ-34М (аналог D89-004), в канале +12В и +3.3В использованы полумосты из двух кремниевых диодов CTX128 (аналоги CTL22S, C2504, ESAC25-020). Учитывая показатели мощности рассеивания и время восстановления параметров выбираем диодный полумост для канала +5В - D89-004, а в каналах +12В и +3.3В CTX128.