Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC
Существует определенное разнообразие схем формирования сигнала POWERGOOD. Они отличаются сложностью схемотехники и логикой работы. Приведем несколько примеров. Для формирования сигнала «питание в норме» в различных схемах очень часто применяется интегральная микросхема типа LM339, структурная схема которой представлена на рис. 3.20. Разводка выводов приведена для исполнения в пластиковом корпусе типа DIP.
Рис. 3.20. Структурная схема микросхемы LM339
Микросхема содержит четыре одинаковых компаратора напряжений. Выходные каскады в них содержат транзисторные ключи с открытым коллектором. Для нормального функционирования выход компаратора подключается к источнику положительного напряжения через токозадающий резистор. Положительное напряжение питания на все элементы микросхемы подается через вывод 3. Общий провод схемы, соединенный с выводом 12, подключается к отрицательному полюсу источника питания.
Высокий уровень сигнала «питание в норме» устанавливается при достижении вторичными напряжениями номинальных величин. В схемотехнике используется несколько способов формирования сигнала «питание в норме». Оно может выполняться прямым измерением пороговым устройством выходного напряжения в канале +5 В или применением каскада, обеспечивающего задержку нарастания основного напряжения на выходе схемы и подачи его на вывод PG. В схеме, представленной на рис. 3.21, генерация сигнала «питание в норме» происходит в результате косвенной оценки уровня напряжения вторичного канала +5 В.
Рис. 3.21. Схема формирования сигнала «питание в норме» (вариант 1)В электронном каскаде применен один интегральный компаратор из состава микросхемы LM339 и эмиттерный повторитель напряжения на Q1. Благодаря применению компаратора на шине PG, сигнал имеет ступенчатый характер с крутым фронтом. Этим исключается неустойчивая работа цифровых схем нагрузки, возможная при плавном нарастании уровней импульсов.
В начальный момент работы схемы напряжение питания появляется на микросхеме ШИМ преобразователя – TL494. Внутреннй источник опорного напряжения на выводе TL494/14 формирует опорное стабилизированное напряжение +5 В, которое через резистивный делитель на R3, R4 подается на инвертирующий вход усилителя DA3 микросхемы TL494. Пока на выходе вторичного канала +5 В напряжение не достигнет номинального значения, напряжение на выходе усилителя DA3 будет иметь низкий уровень. К выходу TL494/3 подключена база эмиттерного повторителя напряжения. Низкий уровень с этого выхода микросхемы передается в эмиттерную цепь транзистора и далее на неинвертирующий вход компаратора микросхемы LM339. На втором входе выставлен опорный уровень напряжения, снимаемый с резистивного делителя напряжения на резисторах R9 и R10. Резистивный делитель включен между выходом TL494/14 и общим проводом. Напряжение на входе LM339/6 компаратора превышает уровень, установленный на выводе 7. Напряжение на выходе компаратора низкое. В процессе «медленного» запуска источника питания происходит постепенное повышение напряжения на выходе канала +5 В, которое передается на вход TL494/1 внутреннего усилителя ошибки DA3. По мере увеличения разности потенциалов между входами усилителя DA3 на его выходе происходит изменение напряжения. Оно получает положительное приращение и достигает уровня, при котором открывается диод D1. Через открытый диод положительный потенциал проходит на внутренние каскады микросхемы TL494, а также на базу транзистора Q1. Повышение базового напряжения повторяется на эмиттере Q1 и передается на вход 7 компаратора микросхемы LM339. Когда напряжение на этом входе сравняется с уровнем, установленным на втором входе – выводе 6, произойдет переключение компаратора и на его выходе возникнет потенциал, близкий по значению выходному напряжению канала +5 В. Напряжение на выходе 1 компаратора появляется с задержкой относительно момента установки выходных уровней во вторичных каналах источника питания. Дополнительная задержка обеспечивается подключением к эмиттеру транзистора Q1 электролитического конденсатора C2. Заряд на конденсаторе нарастает плавно, задержку появления высокого уровня сигнала «питание в норме» можно регулировать как величиной емкости конденсатора C2, так и номиналом резистора R7, через который происходит процесс заряда. Таким образом, данная схема не содержит элементов слежения за уровнем напряжения непосредственно на выходе канала +5 В (за исключением усилителя DA3 микросхемы TL494). Решение о достижении вторичными напряжениями номинальных уровней принимается по виду сигнала на выводе TL494/3 в момент начала их активной регулировки микросхемой TL494.
В схеме, элементы которой изображены на рис. 3.22, формирование сигнала «питание в норме» производится при предполагаемом условии, что во вторичных цепях все процессы протекают нормально. Уровни вторичных напряжений в схеме не оцениваются. Схема разработана с учетом последовательности появления напряжений питания каскада ШИМ управления. Положительный перепад сигнала вырабатывается пороговыми схемами. Выходной каскад выполнен на транзисторном ключе, коллекторная нагрузка которого (резистор R6) подключена к напряжению вторичного канала +5 В.
Рис. 3.22. Схема формирования сигнала «питание в норме» (вариант 2)Принцип работы электронной схемы, приведенной на рис. 3.22, становится понятным, если проследить динамику процесса появления питающих напряжений в каскаде ШИМ преобразователя. Когда источник питания подключается к первичной сети, возбуждается схема обеспечения начального питания каскада ШИМ управления. Появляется напряжение питания этого каскада, поступающее на TL494/12. При достижении этим напряжением уровня +7 В происходит запуск внутренних функциональных узлов схемы ШИМ преобразователя, а на его вывод 14 поступает опорное напряжение с номинальным уровнем +5 В. Этим опорным напряжением запитывается микросхема компаратора и от него же устанавливается уровень напряжения на выводах 5 и 6. В это время продолжается увеличение потенциала на TL494/14 и, соответственно, на стабилитроне D1. Пока его напряжение не превысит уровень стабилизации, потенциал на резисторе R1 будет оставаться нулевым. Уровень на выходе верхнего по схеме компаратора так же нулевой. На аноде диода D3, соединенном с входом 4 второго компаратора, напряжение имеет значение +0,8 В, до этого уровня через резистор R4 и заряжается конденсатор C1. Так как опорное напряжение на входе 5 больше уровня на входе 4, на выходе второго компаратора устанавливается напряжение, равное опорному. Транзисторным ключом Q1 высокий уровень инвертируется. Когда происходит «пробой» стабилитрона и напряжение на резисторе R1 достигает уровня опоры, установленной на входе DA1/7, компаратор переключается. Диод D3 оказывается под закрывающим напряжением. Напряжение на аноде D3 начинает плавно повышаться, благодаря заряду конденсатора C1. Постоянная времени заряда зависит от значения емкости самого конденсатора C1 и резистора R4. Потенциал на C1 нарастает до уровня опорного напряжения. В момент сравнения напряжений на входах DA2/4 и DA2/5 компаратор DA2 опрокидывается и на его выходе уровень спадает практически до потенциала общего провода. Транзисторный ключ на Q1 закрывается, на его коллекторе напряжение равно уровню, который в данный момент достигнут во вторичном канале +5 В. Применение компараторов в схеме обеспечивает формирование выходного сигнала с крутым фронтом. Без них изменение напряжения в цепи PG происходило бы плавно, отслеживая нарастание или спад уровня на конденсаторе C1.
На рис. 3.23 показан фрагмент принципиальной схемы вторичной цепи импульсного источника питания. В состав фрагмента включена цепь выпрямления и фильтрации напряжения канала +5 В, а также узел, вырабатывающий сигнал POWERGOOD, выполненный с применением компараторов из микросхемы LM339.
Рис. 3.23. Схема формирования сигнала «питание в норме» (вариант 3)Особенность данной схемы состоит в том, что при включении источника питания происходит формирование сигнала «питание в норме» с задержкой относительно вторичных напряжений, а при отключении блока питания от сети этот служебный сигнал снимается до спада уровней вторичных напряжений.
Для работы узла формирования сигнала «питание в норме» используются только вторичные напряжения источника питания. Питание компараторов микросхемы LM339 осуществляется от стабилизированного напряжения канала +5 В. Этим же напряжением устанавливаются опорные уровни на входах компаратора. К одному из выводов вторичной обмотки канала +5 В подключен однополупериодный выпрямитель положительного напряжения на диоде D1. Выпрямитель нагружен на RC фильтр (элементы R1, C1) и резистивный делитель на R2 и R3. Керамический конденсатор C1 имеет относительно небольшую емкость (несколько тысяч пикофарад) по сравнению с фильтрующими конденсаторами, установленными на выходе канала +5 В. Заряд C1 происходит очень быстро и достигает уровня, равного амплитуде действующих на вторичной обмотке импульсов, то есть ~10 В. Когда напряжение на выводе LM339/3 возрастет до минимального уровня питания компараторов, на входе LM339/9 начнет действовать потенциал, превышающий значение напряжения на LM339/8. Напряжение на выходе компаратора DA1/14 будет иметь высокий уровень, его абсолютное значение будет определяться степенью заряда выходных конденсаторов канала +5 В. С некоторой задержкой относительно вывода 9 напряжение нарастает на входе 10, а уровень напряжения на LM339/11 зависит от времени заряда конденсатора C5. Заряд происходит через резистор R9. Емкость конденсатора C5 может составлять несколько микрофарад, а сопротивление резистора R9 примерно 50 кОм. Между выводами 9 и 11 включен резистор R7 достаточно большого номинала, благодаря которому обеспечивается развязка, а также разнесение по времени нарастания напряжений на них. В начальный момент работы схемы, когда заряд на конденсаторе C5 полностью отсутствует и ток, протекающий через него, максимален, напряжение на выводе LM339/11 определяется соотношением сопротивлений резисторов R7 и R8. Сопротивление R8 во много раз меньше, чем у резистора R7, поэтому потенциал в точке их соединения близок к уровню общего провода. Цепь заряда конденсатора C4 также имеет меньшую постоянную времени, чем цепь заряда конденсатора C5, поэтому более высокий уровень напряжения первоначально появляется на входе LM339/10. Выходное напряжение компаратора DA2 практически сразу после включения источника имеет на выходе низкий уровень. Через сопротивления резисторов R8 и R9 заряжается конденсатор C5. Когда напряжение на нем превысит потенциал на конденсаторе C4, произойдет переключение DA2 и на его выходе скачком появится высокий уровень напряжения.
