источник питания персональных эвм

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.

Описание изобретения к патенту

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_ос , U_sau - 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_ос и защиты по напряжению U_sau для блока 9 управления. Блок 9, получив сигнал U_ос , 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 - U₁ и U₂.

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 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 U₂ⁿ, которая практически не зависит от наклона собственной внешней характеристики. Внешняя характеристика выхода 11 (U₂) определяет нестабильность напряжений U₂ от изменения тока I₂ ( U₂²) и пропорциональную нестабильность U₂. При более жесткой характеристике а¹ (б₁) нестабильность 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 U₂ 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 U₂ = 0. Если крутизну внешней характеристики увеличивать дальше (на фиг.2 не показано), то очевидно, что нестабильность U₂ 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 U₂.

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_ос 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_ос 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_sau , 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_sau и через резистор 15 и напряжение Е_п), применению селективного датчика 16 тока, а также за счет упрощения устройства в целом.