Расчет оптимальной мощности блока питания ПК форм-фактора АТХ (12V)

Содержание

 

Введение

 

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 Описательный раздел

1. Цель и назначение разработки

 

ATX (от англ. Advanced Technology Extended) — форм-фактор персональных настольных компьютеров. Является доминирующим форматом для массово выпускаемых начиная с 2001 года компьютерных систем.

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.

 

 

 

 

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.