Источник питания персональных эвм

 

Использование: для питания стабилизированными напряжениями постоянного тока персональных ЭВМ, радиоэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения: устройство представляет собой преобразователь постоянного тока с двумя выходами. Изобретение позволяет наряду с необходимой стабильностью напряжения ведомого выхода устройства с учетом характерного для персональных ЭВМ дискретно-пропорционального изменения нагрузок ведущего и ведомого выходов обеспечить уменьшение аппаратурных затрат и повышение надежности. Наличие корректирующей RD-цепи 13 исключает необходимость дополнительного стабилизатора напряжения для второго выхода. Применение селективного датчика 16 тока позволяет использовать один узел защиты по току для обоих выходов. Включение резистора 15 между входами обратной связи и опорного напряжения блока 9 управления и использование узла 14 вольтодобавки исключают необходимость иметь в составе устройства дополнительный источник опорного напряжения и позволяют уменьшить мощность вспомогательного источника питания. 8 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания стабилизированными напряжениями постоянного тока персональных ЭВМ, микроЭВМ, устройств вычислительной техники и другой радиоэлектронной аппаратуры.

Известен двухканальный преобразователь постоянного напряжения [1], содержащий две преобразовательные ячейки с общим узлом защиты, каждая из которых выполнена на транзисторе, подключенном к первичной обмотке трансформатора, снабженного основной и дополнительной обмотками, которые подключены через выпрямительные диоды и сглаживающие LCD-фильтры к выходам соответствующих каналов, два усилителя рассогласования и широтно-импульсных модулятора.

Недостатком устройства является наличие отдельной схемы управления и силовых регуляторов для каждого канала выходных напряжений, что усложняет устройство в целом и снижает его надежность.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по достигаемому техническому эффекту и существенным признакам является модуль силовых стабилизаторов [2] , содержащий сетевой выпрямитель с фильтром, вспомогательный стабилизатор напряжения, импульсный усилитель мощности, блок установления и защиты, первый и второй выпрямители, первый и второй выходные фильтры, а также стабилизатор напряжения в канале второго выхода импульсного усилителя мощности.

Недостатком устройства является необходимость применения дополнительной стабилизации напряжения второго выхода, наличие опорного источника для блока управления и отдельных узлов защиты по току для первого и второго выходов, а также повышенные установленные мощности вспомогательных источника питания и стабилизатора напряжения.

Предлагаемое техническое решение свободно от указанных недостатков, оно более простое и надежное.

Предлагаемый источник питания содержит сетевой выпрямитель с фильтром и вспомогательный источник питания, входы которых подключены к входу сети питания, вспомогательный стабилизатор напряжения, подключенный к выходу вспомогательного источника питания, усилитель мощности с входом питания, первым выходом подключенный через первый выпрямитель к первому выходу устройства, вторым выходом и управляющим входом подключенный соответственно к входу второго выпрямителя и управляющему выходу блока управления, который снабжен входами защиты по току, защиты по напряжению, обратной связи, опорного напряжения и питания, последний подключен к выходу вспомогательного стабилизатора напряжения, вход обратной связи и вход защиты по напряжению соединены соответственно с выходом обратной связи и выходом защиты по напряжению делителя выходных напряжений, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходу устройства, селективный датчик тока, узел вольтодобавки, резистор и корректирующую RD-цепь.

Селективный датчик тока силовыми выводами включен между выходом сетевого выпрямителя с фильтром и входом питания усилителя мощности, а информационным выходом подключен к входу защиты по току блока управления, первый и второй выводы узла вольтодобавки подключены соответственно к выходам второго выпрямителя и вспомогательного источника питания, резистор включен между входами обратной связи и опорного напряжения блока управления, первый и второй выводы корректирующей RD-цепи подключены соответственно к выходу второго выпрямителя и входу выходного фильтра, а вход опорного напряжения блока управления соединен с выходом вспомогательного стабилизатора напряжения.

Совокупность отличительных от прототипа признаков (введенные селективный датчик тока, узел вольтодобавки, резистор, корректирующая RD-цепь и соответствующие связи между ними) дает технический эффект, заключающийся в повышении надежности и упрощении устройства, причем упрощение достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве путем введения корректирующей RD-цепи исключается необходимость применения более сложного дополнительного стабилизатора напряжения для второго выхода, благодаря применению селективного датчика тока используется один узел защиты по току для первого и второго выходов, включение резистора между входами обратной связи и опорного напряжения блока управления и использование узла вольтодобавки для подпитки вспомогательного стабилизатора напряжения исключают необходимость иметь в составе устройства дополнительный источник опорного напряжения и позволяют уменьшить установленную мощность вспомогательного источника питания и стабилизатора напряжения.

На фиг. 1 приведена функциональная схема источника; на фиг.2 - внешние вольтамперные характеристики второго выхода устройства; на фиг.3 - форма напряжения на выходе селективного датчика тока; на фиг.4 - один из вариантов схемы селективного датчика тока; на фиг.5 - один из вариантов схемы узла вольтодобавки; на фиг.6 - два варианта схемы корректирующей RD-цепи; на фиг.7 - один из вариантов схемы блока управления; на фиг.8 - один из вариантов схемы устройства в целом.

Источник питания персональных ЭВМ (фиг.1) содержит сетевой выпрямитель 1 с фильтром и вспомогательный источник 2 питания, входы которых подключены к вводу 3 сети питания, вспомогательный стабилизатор 4 напряжения, подключенный к выходу вспомогательного источника 2 питания, усилитель 5 мощности с входом питания, первым выходом подключенный через первый выпрямитель 6 к первому выходу 7 устройства, вторым выходом и управляющим входом подключенный соответственно к входу второго выпрямителя 8 и управляющему выходу блока 9 управления, который снабжен входами защиты по току, защиты по напряжению, обратной связи, опорного напряжения и питания, последний подключен к выходу вспомогательного стабилизатора 4 напряжения, вход обратной связи и вход защиты по напряжению соединены соответственно с выходом обратной связи и выходом защиты по напряжению делителя 10 выходных напряжений, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому 7 и второму 11 выходам устройства, выходной фильтр 12, подключенный выходом к второму выходу 11 устройства.

Источник электропитания содержит также корректирующую RD-цепь 13, узел 14 вольтодобавки, резистор 15 и селективный датчик 16 тока, который силовыми выводами включен между выходом сетевого выпрямителя 1 и входом питания усилителя 5 мощности, а информационным выходом подключен к входу защиты по току блока 9 управления. Первый и второй выводы узла 14 вольтодобавки подключены соответственно к выходам второго выпрямителя 8 и вспомогательного источника 2 питания. Резистор 15 включен между входами обратной связи и опорного напряжения блока 9 управления, первый и второй выводы корректирующей RD-цепи 13 подключены соответственно к выходу второго выпрямителя 8 и входу выходного фильтра 12, а вход опорного напряжения блока 9 управления соединен с выходом вспомогательного стабилизатора 4 напряжения.

Селективный датчик 16 тока (фиг.4) может состоять из трансформатора 17 тока, вторичные обмотки которого подключены к двухполупериодному выпрямителю, нагруженному на RC-фильтр (диоды 18 и 19, резистор 20, конденсатор 21), и балластных резисторов 22 и 23.

Корректирующая RD-цепь 13 (фиг.6) может состоять из дискретных элементов (резистор 26, диод 27 - вариант а) или их эквивалентов (сопротивление 28, источник 29 - вариант б).

Блок 9 управления (фиг.7) может состоять из интегральной микросхемы 30 (например, КР1021 ХА1), включающей узлы защиты от повышения и понижения питающего эту микросхему напряжения, защиты от превышения контролируемого микросхемой напряжения, выключения микросхемы, широтно-импульсной модуляции с выходом на однотактный усилитель мощности, а также из интегральных микросхем 31 (например, К561 ТМ2) и 32 (например, КР1006 ВИ1), транзисторных ключей 33 и 34 и диодного моста 35.

Сетевой выпрямитель 1 с фильтром (фиг.8) может состоять из выпрямителя 36, собранного по мостовой схеме, конденсатора 37 и емкостного делителя напряжения, выполненного на конденсаторах 38 и 39.

Вспомогательный источник 2 питания (фиг.8) может состоять из сетевого трансформатора 40, мостового выпрямителя 41 с емкостным фильтром 42.

Вспомогательный стабилизатор 4 напряжения (фиг.8) может быть собран на интегральной микросхеме 43 (например, КР142 ЕН8Б).

Усилитель 5 мощности (фиг.8) может включать силовые транзисторы 44 и 45, силовой трансформатор 46, трансформатор 47 управления, управляющие транзисторы 48 и 49.

Первый выпрямитель 6 (фиг.8) может состоять из выпрямительных диодов 50,51, LC-фильтра (дроссель 52, конденсатор 53) и балластного резистора 54.

Выпрямитель 8 (фиг.8) может состоять из выпрямительных диодов 55 и 56.

Делитель 10 выходных напряжений (фиг.8) может состоять из суммирующего делителя напряжений первого 7 и второго 11 выходов устройства (резисторы 57-59) и согласующего резистора 60.

Выходной фильтр 12 (фиг.8) может состоять из LC-фильтра (дроссель 61, конденсатор 62) и балластного резистора 63.

На фиг.1-8 приняты следующие обозначения: ≈ U_c - напряжение переменного тока питающей сети; U_вс, U_вд, U_ви, U₁, U₂ - напряжения постоянного тока на выходах сетевого выпрямителя 1, узла 14 вольтодобавки, вспомогательного источника 2 и на выходах 7 и 11 устройства соответственно; U_ум1, U_ум2 - импульсные высокочастотные напряжения на первом и втором выходах усилителя 5 мощности соответственно; U_в2, U_кц - выпрямленные напряжения на выходах второго выпрямителя 8 и корректирующей RD-цепи 13 соответственно; U_осΣ , U_sauΣ - суммарные сигналы обратной связи и защиты по напряжению блока 9 управления соответственно; U_у, U_sai - сигналы управления и защиты по току блока 9 управления соответственно; U_ст, E_п, U_оп - напряжение на выходе вспомогательного стабилизатора 4 напряжения, напряжение питания и опорное напряжение блока 9 управления соответственно.

Источник питания персональных ЭВМ работает следующим образом.

При включении источника питания напряжение ≈ U_с через ввод 3 (фиг.1) поступает на входы сетевого выпрямителя 1 и вспомогательного источника 2 питания. Выпрямленное напряжение выпрямителя 1 U_вс через силовые выводы селективного датчика 16 тока поступает на вход питания усилителя 5 мощности. Источник 2 вырабатывают на выходе напряжение U_ви, которое поступает на вход вспомогательного стабилизатора 4 напряжения. Стабилизатор 4 выдает на выходе напряжение U_ст, которое для блока 9 управления является питающим Е_п и опорным U_оп.

При поступлении на блок 9 питания Е_п выше определенного уровня вырабатываются управляющие импульсы с нарастающей от нуля длительностью, которые поступают на управляющий вход усилителя 5 мощности. Усилитель 5 вступает в работу и формирует на первом и втором выходах импульсные высокочастотные напряжения U_ум1 и U_ум2. С появление напряжений U_ум1 и U_ум2 появляются напряжения U₁ и U₂ соответственно на выходах 7 и 11 устройства вследствие включения в работу соответственно первого выпрямителя 6 и последовательной цепи, состоящей из второго выпрямителя 8, корректирующей RD-цепи 13 и выходного фильтра 12. Одновременно напряжение U_в2 с выхода второго выпрямителя 8 через узел 14 вольтодобавки поступает на выход вспомогательного источника 2.

Напряжения U₁ и U₂ подаются на делитель 10 выходных напряжений, который выдает суммарные (напряжений U₁ и U₂) сигналы обратной связи U_осΣ и защиты по напряжению U_sauΣ для блока 9 управления. Блок 9, получив сигнал U_осΣ , функционирует согласно известному принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), вырабатывая сигналы управления U_у. Сигналы U_у блока 9 воздействуют на усилитель 5 таким образом, чтобы напряжения U₁ и U₂ поддерживались неизменными (с допустимой нестабильностью) при изменении в заданных пределах напряжения ≈ U_с и токов нагрузок I₁, I₂ соответственно выходам 7 и 11.

Подключаемые к источнику питания модули и внешние устройства персональных ЭВМ в целом потребляют токи I₁ и I₂ одновременно и, как правило, пропорционально друг другу, т.е. можно говорить о пропорциональном (синхронном) изменении токов I₁ и I₂ в пределах от минимального I₁₍₂₎^мин до максимального I₁₍₂₎^макс значений с определенной дискретностью, определяемой числом подключаемых модулей и внешних устройств персональных ЭВМ. Следовательно, допустимой нестабильностью для напряжений U₁ и U₂ могут быть нестабильности от пропорционального изменения токов I₁ и I₂ - ΔU₁≡ и ΔU₂≡.

Выход 7 (U₁) является ведущим по отношению к выводу 11 (U₂), так как делитель 10 и блок 9 управления обеспечивают приоритетность сигнала обратной связи для выхода 7.

Выход 11 является ведомым. Нестабильность напряжения U₂определяется внешними вольтамперными характеристиками выводов 7 и 11.

Из фиг.2 видно, что при токах I₂^макс и I₁^макс напряжение U₂соответствует точке A^o характеристики а U₂ = f(I₂), при I₁ = I₁^макс. При изменении тока I₁^макс до значения I₁^мин напряжение U₂ определяется точкой A характеристики б U₂ = f(I₂) при I₁ = I₁^мин.

Отрезок A^oA, так же как и любая разность ординат характеристик а и б, определяет перекрестную (взаимную) нестабильность Δ U₂ⁿ, ведомого выхода 11 (U₂) от изменения тока нагрузки I₁ ведущего выхода 7 (U₁). Очевидно, что чем жестче внешняя характеристика выхода 7 (U₁), тем меньше нестабильность Δ U₂ⁿ, которая практически не зависит от наклона собственной внешней характеристики. Внешняя характеристика выхода 11 (U₂) определяет нестабильность напряжений U₂ от изменения тока I₂ (Δ U₂²) и пропорциональную нестабильность ΔU^≡₂. При более жесткой характеристике а¹ (б₁) нестабильность Δ U₂²(соответствует отрезку C'D' (фиг.2) меньше, чем при более крутой характеристике а (б) (соответствует отрезку CD). Однако при более жесткой характеристике а' (б') нестабильность ΔU^≡₂ определяется наклоном линии A'B' (соответствует отрезку C'B'), а при более крутой характеристике а(б) - линией A^oB (соответствует точке B, совпадающей с точкой O), т.е. в последнем случае нестабильность ΔU^≡₂ = 0. Если крутизну внешней характеристики увеличивать дальше (на фиг.2 не показано), то очевидно, что нестабильность ΔU^≡₂ будет увеличиваться. Элементы 26,27 (или их эквиваленты 28,29) корректирующей RD-цепи 13 выбираются такими, чтобы за счет коррекции наклона характеристик а и б (фиг.2) было обеспечено наименьшее значение нестабильности ΔU^≡₂.

Принцип действия селективного датчика 16 тока объясняется осциллограммами импульсов тока на выходе датчика 16 и импульсов управления на выходе блока 9 управления (фиг.4). Исходный импульс E^oE'FF^o соответствует сумме токов, вызванных нагрузками входов 7 и 11. При увеличении тока I₁ или I₂ на одну и ту же величину (характеризуется отрезком EE') импульс тока на выходе датчика 16 изменяется по-разному: от изменения тока I₁ - пологой линией г и приращением FF', от изменения тока I₂ - более крутой линией в и приращением FF". Это объясняется тем, что напряжение U₂ > U₁ (например, U₁ = 5 В, U₂ = 12 В) и индуктивность дросселя 52 (фиг.8) больше индуктивности дросселя 61. Соответственно, при сравнении импульсов E^oE'F'F^o (фиг.3) и E^oE'F"F^o с напряжением опорного источника U_оп (линия MN) блок 9 управления формирует различную длительность импульсов управления U_у1 и U_у2. Таким образом, датчик 16, включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора 46 (фиг. 8) усилителя 5 и, являясь общим для выходов 7 и 11, позволяет установить практически равные (в относительных единицах) пороги срабатывания защиты по току выходов 7 и 11 при условии I₁ > I₂.

Узел 14 вольтодобавки работает следующим образом. Выпрямленное и частично стабилизированное напряжение U_в2 с выхода выпрямителя 8 через узел 14 подпитывает вход стабилизатора 4. При больших отклонениях напряжения ≈ U_с напряжение U_ви поддерживается с меньшим отклонением. При таких условиях разность напряжений U_ви и U_ст в наихудшем случае не превышает примерно 1,5 В. Это позволяет повысить стабильность напряжения U_ст, КПД стабилизатора 4 и исключить защиту от перенапряжений на выходе этого стабилизатора.

Включение резистора 15 между входами U_осΣ и U_оп блока 9 управления позволяет использовать напряжение U_ст в качестве опорного, так как изменение напряжения U_ст передается не только на вход U_оп блока 9 управления, но и через резистор 15 на делитель 10, т.е. приращения напряжения U_ст примерно одинаково влияют на сопоставляемые напряжения U_осΣ и U_оп в блоке 9 управления и не влияют на разность этих напряжений.

Напряжения U₁ и U₂ контролируются блоком 9 управления по входу U_sauΣ , а благодаря резистору 15 и узлу 14 в аварийных ситуациях вместе с напряжением U_ст контролируются также блоком 9 управления по входу E_п.

Таким образом, в предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом достигнута необходимая стабильность напряжения ведомого выхода устройства с учетом характерного для персональных ЭВМ дискретно-пропорционального изменения нагрузок ведущего и ведомого выходов.

Уменьшение аппаратурных затрат достигнуто за счет исключения стабилизатора на выходе 11, источника опорного напряжения для блока управления и узла защиты для стабилизатора 4, за счет повышения КПД источника 2 и стабилизатора 4, а также вследствие использования общего для выходов 7 и 11 датчика 16.

Повышение надежности достигнуто благодаря дублированию защиты от перенапряжений выходов 7 и 11 (по цепи сигнала U_sauΣ и через резистор 15 и напряжение Е_п), применению селективного датчика 16 тока, а также за счет упрощения устройства в целом.

Формула изобретения

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ ЭВМ, содержащий сетевой выпрямитель с фильтром и вспомогательный источник питания, входы которых подключены к вводу сети питания, вспомогательный стабилизатор напряжения, подключенный к выходу вспомогательного источника питания, усилитель мощности с входом питания, первым выходом подключенный через первый выпрямитель к первому выходу устройства, вторым выходом и управляющим входом подключенный соответственно к входу второго выпрямителя и управляющему выходу блока управления, который снабжен входами защиты по току, защиты по напряжению, обратной связи, опорного напряжения и питания, последний подключен к выходу вспомогательного стабилизатора напряжения, вход обратной связи и вход защиты по напряжению соединены соответственно с выходом обратной связи и выходом защиты по напряжению делителя выходных напряжений, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам устройства, выходной фильтр, подключенный выходом к второму выходу устройства, отличающийся тем, что в него введены корректирующая RD-цепь, узел вольтодобавки, резистор и селективный датчик тока, который силовыми выводами включен между выходом сетевого выпрямителя с фильтром и входом питания усилителя мощности, а информационным выходом подключен к входу защиты по току блока управления, первый и второй выводы узла вольтодобавки подключены соответственно к выходам второго выпрямителя и вспомогательного источника питания, резистор включен между входами обратной связи и опорного напряжения блока управления, первый и второй выводы корректирующей RD-цепи подключены соответственно к выходу второго выпрямителя и входу выходного фильтра, а вход опорного напряжения блока управления соединен с выходом вспомогательного стабилизатора напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8