Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC
Параллельно каждому силовому транзистору Q9 и Q10 установлен защитный диод D23 и D24 соответственно, устраняющий выбросы напряжения в моменты коммутации транзисторов, а также служащий для создания пути частичного возврата энергии, запасенной в силовом импульсном трансформаторе, в источник первичного питания. Наличие конденсатора С7 исключает насыщение сердечника трансформатора T3 при возникновении асимметрии временных интервалов протекания тока через первичную обмотку T3. Конденсатор С7 устраняет постоянную составляющую в цикле перемагничивания сердечника и этим исключает увеличение токовой нагрузки на одном из силовых транзисторов. К первичной обмотке трансформатора T3 подключена демпфирующая RC цепь на элементах R48 и C25. Цепь предназначена для гашения паразитных высокочастотных колебаний, возникающих в моменты переключения транзисторов в контуре, образованном межвитковой емкостью первичной обмотки T3 и ее индуктивностью рассеяния. Конденсатор C25 дополняет общую паразитную емкость первичной обмотки трансформатора T3, что приводит к снижению частоты паразитных колебаний и уменьшению их амплитуды. Ввод резистора R48 в колебательный контур снижает его добротность и способствует ускорению затухания колебательного процесса.
Усилитель мощности работает под управлением колебаний, сформированных ШИМ регулятором. С помощью трансформатора T2 осуществляется согласование уровней импульсных колебаний его первичной цепи и входом силового каскада. Входная сигнальная цепь усилителя мощности образована вторичными обмотками трансформатора T2 и элементами, установленными между этими обмотками и базами транзисторов Q9 и Q10. Энергетические характеристики импульсных последовательностей управления и параметры трансформатора выбираются на основании оценки:
• усилительных свойств транзисторов силового каскада;
• структуры базовой цепи силового транзистора;
• инерционных свойств транзисторов, примененных в усилителе мощности.
Усилительный каскад (см. рис. 2.2) отличается от источников питания, используемых для компьютеров типа AT и более ранних моделей. Силовой каскад в источниках питания ATX форм-фактора работает исключительно под управлением внешних колебаний, поэтому базовые цепи транзисторов Q9 и Q10 имеют структуру, обеспечивающую только работу в этом режиме. Здесь нет никаких элементов смещения, предусмотренных для начального автозапуска.
Каждая из вторичных сигнальных обмоток трансформатора T2 подключается к соответствующему силовому транзистору между базовой цепью пассивных элементов и эмиттером этого транзистора. Включение вторичных обмоток согласующего трансформатора T2 выбрано таким образом, чтобы обеспечить подачу отпирающих импульсов в базовые цепи транзисторов Q9 и Q10 в противофазе. Микросхемой IC1 сформированы две последовательности, поступающие на двухтактный усилительный каскад на транзисторах Q7 и Q8. Во время коммутации Q7 и Q8 во вторичных обмотках трансформатора T2 наводится ЭДС самоиндукции. В дальнейшем при обсуждении вопроса о прохождении сигналов на вторичных обмотках T2, мы рассмотрим и форму напряжения в точках подключения этих обмоток к анодам диодов D21 и D22. Во время закрывания транзистора Q8 импульс положительной полярности появляется на вторичной обмотке, подсоединенной к базовой цепи транзистора Q9. Соответственно при запирании транзистора Q7 аналогичный сигнал возникает на обмотке, соединенной с базовой цепью Q10. Каждый из транзисторов в паре Q7 и Q8 управляет силовым транзистором. Сигналы управления, то есть импульсы положительной полярности, разнесены во времени и разделены паузами – интервалами «мертвая зона». Вид импульсных сигналов на вторичных обмотках трансформатора T2 и напряжения на базах транзисторов Q9 и Q10 представлен на рис. 2.12. На том же рисунке изображены напряжения на коллекторах Q7 и Q8.
Рис. 2.12. Вид импульсных сигналов в цепях силовых транзисторов Q9 и Q10На диаграмме напряжения на рис. 2.12а показан общий вид импульсной последовательности, формируемой на коллекторе транзистора Q8. На рис. 2.12е представлен вид сигналов на базовой обмотке транзистора Q9. Импульсы положительной полярности на этой обмотке образуются во время закрывания транзистора Q8. Форма сигнала непосредственно на базе транзистора Q9 приведена на диаграмме (см. рис. 2.12в). Таким образом, импульсы положительной полярности на всех элементах базовой цепи Q9 синфазны с сигналом на коллекторе транзистора Q8.
Аналогичная картина наблюдается при работе транзистора Q7 и базовой цепи силового транзистора Q10. Сигналы в этих цепях также синфазны. Их вид показан на диаграммах (см. рис. 2.12б – сигнал на коллекторе Q7, рис. 2.12 г – последовательность на базе Q10, рис. 2.12д – форма импульсов на базовой обмотке Q10).
Измерение напряжений на коллекторах Q7 и Q8 проведено относительно общего провода вторичных напряжений. Напряжения на вторичных обмотках и базах транзисторов Q9 и Q10 измерены относительно эмиттера соответствующего транзистора.
Импульсный сигнал в базовой цепи каждого силового транзистора имеет три уровня и три различных рабочих интервала. Рассмотрим каждый рабочий интервал на примере транзистора Q9. Можно предположить, что цикл начинается с фронтом импульса положительной полярности. Импульсы воздействуют на переход база-эмиттер, открывая транзистор и переводя его в режим насыщения. В интервале действия положительного уровня на базе состояние открытого транзистора не изменяется. Затем следует спад положительного импульса, транзистор Q9 переходит в закрытое состояние, длящееся до следующего фронта положительного импульса. В момент спада транзистор закрывается, начинается временной интервал «мертвой зоны», в течение которого оба транзистора закрыты. По окончании «мертвой зоны» на базовую обмотку Q9 воздействует импульс отрицательной полярности, усиливая эффект запирания. Но в этот же момент на второй транзистор усилителя – Q10 поступает положительный импульс, и он открывается. На базе Q9 отрицательный импульс вновь сменяется «мертвой зоной», сохраняя его в режиме отсечки тока. Следующий фронт импульса положительной полярности завершает данный цикл и начинает новый. Стадии работы транзистора Q10 полностью аналогичны, но сдвинуты по времени относительно описанного процесса. Интервалы «мертвой зоны» по времени для обоих транзисторов совпадают.
Транзисторы Q9 и Q10 работают в ключевом режиме. Включаясь поочередно, они попеременно подключают вывод первичной обмотки T3 (точка соединения эмиттер Q9 – коллектор Q10), то к положительному потенциалу источника первичного напряжения (положительная обкладка конденсатора C5), то к отрицательному (отрицательная обкладка конденсатора С6). При открытом транзисторе Q9 через первичную обмотку трансформатора T3 протекает ток по цепи: положительная обкладка конденсатора C5 – переход коллектор-эмиттер транзистора Q9 – первичная обмотка трансформатора T3 – конденсатор С7 – точка соединения конденсаторов C5 и C6. В течение этого интервала происходит частичная подзарядка конденсатора C6, разрядка конденсатора C5 и перемагничивание сердечника трансформатора T3. В течение «мертвой зоны» значение заряда на конденсаторах C5 и C6 практически не меняется, так как постоянная времени разряда этих конденсаторов через резисторы R30 и R31 гораздо больше интервала «мертвой зоны». В течение «мертвой зоны» оба силовых транзистора Q9 и Q10 закрыты. В этот момент их можно рассматривать, как пару высокоомных сопротивлений, включенных последовательно. Одинаковые по величине сопротивления транзисторов образуют делитель напряжения. Напряжение на коллекторе Q10 устанавливается на уровне, равном половине напряжения питания силового каскада, и сохраняет свое значение в течение всего интервала «мертвой зоны». При открывании транзистора Q10 направление протекания тока через первичную обмотку трансформатора Т3 изменяется на противоположное. Цепь протекания тока в этом случае следующая: точка соединения конденсаторов C5 и C6 – конденсатор С7 – первичная обмотка трансформатора T3 – переход коллектор-эмиттер транзистора Q10 – отрицательный полюс первичного источника питания. Конденсатор C5 в это время получает дополнительный заряд, а конденсатор C6 частично разряжается. Во время открывания транзистора Q10 перемагничивание сердечника T3 происходит в направлении, обратном предыдущему. Если баланс циклов открывания и закрывания транзисторов Q9 и Q10 соблюдается, то перемагничивание сердечника происходит симметрично. Напряжение в точке соединения C5 и C6 в этих условиях сохраняется постоянным на уровне, равном половине напряжения питания.
При проектировании источника питания и расчете элементов базовой цепи силового транзистора основное внимание уделяется обеспечению максимальной скорости его переключения. Чем короче этап переключения, тем меньше выделяется тепловой энергии и выше общий КПД импульсного преобразователя напряжения. Для ускорения процесса переключения в базовую цепь транзистора Q9 включена цепочка: конденсатор C21 – диод D21 – резистор R36. Аналогичная последовательность из элементов C22, D22 и R37 имеется в базовой цепи транзистора Q10. Так как базовые цепи у обоих транзисторов абсолютно идентичны и процессы, протекающие в них, те же, то объяснение работы этой цепочки будет рассмотрено на примере ее взаимодействия с транзистором Q9. Таким образом, все, что сказано для базовой цепи транзистора Q9, будет справедливо и для аналогичных элементов, подключенных к транзистору Q10. Естественно, что при сопоставлении процессов, протекающих в транзисторах Q9 и Q10, нужно учитывать временной сдвиг.
