Відновлення блоків живлення, що перемикаються

Вся суть перемикача полягає в тому, що він випрямляє лінію змінного струму на постійний струм, а потім перериває постійний струм за допомогою осцилятора зі змінним робочим циклом на дуже високій частоті, щоб можна було використовувати крихітний трансформатор. Трансформаторам на високих частотах не потрібні великі жили або багато обмоток для великої потужності, тому їх можна зробити крихітними і за невелику ціну. Коефіцієнт робочого циклу генератора можна регулювати за допомогою зворотного зв'язку, щоб регулювання могло здійснюватися без втрати потужності в процесі. Таким чином, ви можете отримати хороше регулювання та хорошу ефективність одночасно.

Ця стаття буде зосереджена на постачаннях зворотного зв'язку, що управляються лінією. Інші перетворювачі топології існують і популярні, коли ізоляція лінії не потрібна, але коли ви подивитесь, що відбувається між входом змінного струму та напрямками постійного струму на електронному обладнанні, це основна топологія, яка використовується, оскільки вона дає ефективність та ізоляція лінії.

Як працюють комутатори
На рисунку 1 наведено зразок конструкції комутаційного живлення (люб’язно надано Texas Instruments). Це походить з таблиці даних UC2842 і використовує загальний чіп ШІМ-контролера UC2842. (Таблицю даних можна знайти в розділі Додаткові матеріали на веб-сайті audioXpress, див. Посилання на файли проекту.) Зверніть увагу, що ця конструкція, як правило, має повну ізоляцію між первинною та вторинною сторонами ланцюга. Ви можете провести в голові лінію через сердечник трансформатора і через оптрони і розбити ланцюг на дві електрично ізольовані половини. Це важливий момент, і ви побачите це майже у всіх поставках будь-якого розміру, оскільки ізоляція від лінії електропередач є головною проблемою безпеки.

Потужність змінного струму відходить від лінії і випрямляється через мостовий випрямляч DBRIDGE. Вихід заряджає великий фільтруючий конденсатор на первинній стороні CIN, який забезпечує відфільтровану (але навряд чи без пульсацій) напругу постійного струму на первинній частині трансформатора, NP, а також напругу для запуску мікросхеми модуляції ширини імпульсу (ШІМ) через резистор RSTART.

RSTART подає лише невелику кількість струму для запуску пристрою, тому, як тільки перший імпульс проходить через польовий транзистор (FET), струм від третьої обмотки на трансформаторі використовується для забезпечення потужності для роботи генератора. Це те, що стосується NA та DBIAS. Можливо, ви не побачите цієї третьої обмотки, ви можете просто побачити всю працюючу потужність, яка забирається через резистор, що падає більшою потужністю замість RSTART. Але використання третьої обмотки значно покращує ефективність.

Коли працює ШІМ-генератор, він посилає постійні імпульси з вихідного штифта. Це включає великий комутаційний FET, QSW, який імпульсує струм, що проходить через трансформатор. Як це трапляється, у вторинному трансформаторі індукується струм, який випрямляється та фільтрується DOUT і COUT, і струм тече з виходу.

Оскільки ШІМ-генератор настільки швидкий, трансформатор і конденсатор фільтра на вторинній стороні можуть бути дуже малими. Незважаючи на те, що межа 2200 ° F може здатися великим, якщо генератор працює на частоті 60 кГц, це в тисячу разів ефективніше, ніж те саме значення на лінії 60 Гц.

Регулювання джерела живлення
Отже, як працює регулювання? Усе інше, що є на вторинному пристрої, призводить до того, що світлодіод в оптоізоляторі загоряється, коли вихідна напруга перевищує 12 В. UC2842 забезпечує невелику кількість регульованих 5 В (виконаних з внутрішнім лінійним регулятором), і ця напруга на VREF використовується для живлення вихідного каскаду оптоізолятора. Він забезпечує різну напругу на вході VFB, щоб забезпечити зворотний зв'язок з UC2842 про правильність напруги і трохи відхилити робочий цикл вихідної форми сигналу.

Оптоізолятор не повинен бути дуже лінійним, щоб робочий цикл UC32842 утримувався прямо на краю, тому вихідна напруга завжди ідеальна. Вхід ISENSE вимірює падіння напруги на RCS, тобто вимірює споживання струму через цей комутаційний FET. UC2842 розроблений таким чином, що, якщо він перевищує 1 В, він вимикає ШІМ-схему. Отже, це схема захисту струму.

Зараз, як правило, ми бачимо резистор і конденсатор, RRT і CCT, підключені до виводу RT/CT і забезпечують постійну часу для ШІМ-генератора. У цьому випадку ми також підсилюємо вихідний сигнал ШІМ-сигналу за допомогою транзистора і подаємо його на вхід ISENSE через CRAMP та IRAMP, щоб схема була стабільною протягом дуже тривалих робочих циклів. Це називається "компенсацією нахилу", і хитрість для цього коротко пояснюється в таблиці даних TI для мікросхеми UC2842, але не в таблицях даних для будь-яких інших виробників.

А що з тим іншим транзистором, з CSS та RSS? Це невелика схема, щоб звузити ширину імпульсу при першому ввімкненні пристрою і трохи уповільнити запуск, щоб менше було ударів по компонентах. Тепер ви побачите інші варіанти цієї основної схеми.

Ви побачите додаткову обмотку трансформатора, яка використовується для забезпечення зворотного зв'язку, замість оптоізолятора. Ви побачите, що ШІМ-схема відводиться безпосередньо від лінії змінного струму, а не за допомогою цієї обмотки NA. Ви побачите кілька вторинних ланцюгів та ланцюгів лому. Але це основна конструкція, яку ви побачите в будь-якому комутаторі, тому ваша робота полягає в тому, щоб точно з’ясувати, які зміни від цієї базової конструкції існують у вашій схемі.

Як визначити, що у вас є
Погана новина полягає в тому, що в більшості випадків у вас не буде документації для комутатора. Хороша новина полягає в тому, що більшу частину часу комутатор буде дуже близьким до ідентичного схемі вибірки в таблиці даних мікросхеми ШІМ (див. Малюнок 2). Не завжди, і не для вищих кінцевих запасів, але більша частина часу отримання мікросхеми описує 90% того, що відбувається з ланцюгом.

Переважна більшість якісних витратних матеріалів китайського виробництва, схоже, використовує ШІМ-контролери серії C2842/UC2843/UC3842/UC3843. Вони виготовляються дюжиною різних компаній, включаючи Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor, TI та STMicroelectronics, і кожна з цих компаній має дещо інший аркуш даних з дещо різними схемами вибірки. Отже, якщо ви не бачите схему, з якою ви зіткнулися, у таблиці даних, отримайте іншу таблицю від іншого виробника, і, ймовірно, ви побачите (див. Малюнок 3).

Fairchild KA7552 відображається на багатьох пристроях (див. Фото 2). Це був дизайн Samsung, який зараз продає Fairchild, оскільки вони придбали потужності та лінійку продуктів Samsung. Він неясно схожий на UC2842, хоча з іншим розпином.

Іноді ви побачите ШІМ-контролер TL594 від ON Semiconductor. Знову ж таки, для цього є ще кілька постачальників, тому вам слід перевірити наявність декількох таблиць даних. Однією з дуже популярних мікросхем, яку ви знайдете в одиничних вихідних пристроях з меншою потужністю, є чіпи серії TOP242, виготовлені Power Integrations. Це інтегровані ШІМ-генератори на одній і тій же підкладці з великим польовим транзистором. Додайте трансформатор, пару випрямлячів та оптоізолятор, і ви отримаєте повну комутаційну подачу в коробці. Звичайно, вони часто дають збої, але їх досить легко діагностувати.

Однак на цих мікросхемах є десятки варіантів живлення та упаковки, тому ви не завжди можете тримати їх усі під рукою. Подібним, але менш популярним пристроєм є MC33374. Багато менш дорогих виробів китайського виробництва будуть використовувати контрольну мікросхему AP3021, і цей чіп виробляється і продається під десятками різних імен десятками різних компаній в Китаї. Документація на ньому погана, але якщо ви коли-небудь зіткнетесь із загадковим на вигляд ШІМ-контролером, де не використовується штифт №6, швидше за все, це буде AP3021 або копія. Таблиці з англійською мовою для цього продукту в кращому випадку є мізерними, але як тільки ви уявите собі розпірку і як це працює, ви зможете зрозуміти, що відбувається.

Зустріч з несподіваним
Не кожна поставка - це одне перемикання в коробці. Іноді ви зустрінете системи з декількома комутаторами в одній коробці, що забезпечують безліч вихідних напруг, кожна з яких регулюється. Частіше зустрічається декілька напруг на одному трансформаторі з однією вихідною напругою, яка використовується для контуру управління, але деякі додатки вимагають гарного регулювання з сильно різними навантаженнями.

Іноді є друге джерело живлення, що постійно працює, яке забезпечує напругу в режимі очікування, що використовується для роботи процесора, який контролює основне живлення. Це дуже поширене для таких речей, як відеомонітори та комп’ютери. Часто це джерело живлення знаходиться на невеликій дочірній платі, оскільки йому потрібна хороша електрична ізоляція від решти електроніки, але не потрібно виробляти багато енергії.

Якщо ви бачите багато маленьких дискретних транзисторів повсюдно, гарна здогадка полягає в тому, що вони задіяні в системах автоматичного відключення, щоб вимкнути їх у випадку високої або низької напруги або струму в одному або декількох місцях. Усунення несправностей у цих схемах без ручного налаштування може бути справжнім кошмаром, оскільки може бути важко зрозуміти, за якої напруги спрацьовують окремі деталі.

Час від часу для аудіо та інших програм із низьким рівнем шуму ви побачите лінійні регулятори серії для невеликого додаткового згладжування, розташовані після комутаційного живлення. Оскільки вони можуть працювати в гарячому режимі, вони є загальним джерелом проблем, але їх досить легко діагностувати, оскільки ви можете бачити, як енергія надходить і виходить з них.

Вирішення проблеми
Якщо у вас є документація щодо джерела живлення, половина роботи виконана за вас. Якщо ні, ви знаєте основну блок-схему і можете опрацьовувати окремі деталі в кожному блоці вручну. Отримання таблиці даних для мікросхеми ШІМ розповість вам величезну кількість, оскільки більшість схем ШІМ, а іноді і цілі витратні матеріали просто копіюються з таблиць виробників. Часто ШІМ-мікросхема матиме кілька джерел. Наприклад, ви можете отримати загальний контролер ШІМ 2842 принаймні від чотирьох різних постачальників. Всі вони мають різні таблиці даних, і якщо ваша схема не на одній, вона може бути на іншій.

Якщо джерело живлення включається, але відразу ломи, перше, що потрібно зробити, це перевірити або замінити всі конденсатори фільтра на вторинній стороні трансформатора. Інші речі можуть спричинити це, наприклад, негерметичний випрямляч на вторинній або поганий резистор у поточній схемі, але вони набагато рідше.

Іноді ковпачки будуть просто достатньо герметичними, щоб подача запускалася без навантаження, але не працюватиме з будь-яким навантаженням. Ваш нахил винен в навантаженні за те, що він витягує занадто багато струму, але це не завжди навантаження. Якщо ви сумніваєтесь, змініть кришки, а потім поставте діагноз звідти.

Багато джерел живлення використовують "пусковий конденсатор" для подачі струму для їх запуску. Це не показано у наведеному вище прикладі, але це досить поширена конфігурація. Якщо джерело живлення працювало, було відключено, але потім взагалі не перезапустилось, замініть конденсатор kickstart. Якщо документації немає, це, ймовірно, буде електроліт від 25 В до 50 В з дуже малим значенням (1 мкф або 2 мкф), розташований поблизу мікросхеми ШІМ.

Високовольтний конденсатор (іноді два конденсатори) на первинному джерелі живлення, який безпосередньо фільтрує лінію, рідко виявляється несправним у США. Однак у Європі, де лінійна напруга вдвічі більша і де використовуються однакові джерела живлення з декількома входами, ці конденсатори часто виявляються поганими. Європейські поставки, поведінка яких змінюється з навантаженням, спочатку слід перевірити.

Конденсатори, розташовані поблизу або під радіаторами, зазвичай дуже швидко випікаються і є загальним джерелом несправностей. Насправді, оскільки переважна більшість несправностей, з якими ви стикаєтесь, будуть пов’язані з конденсатором, наявність тестера еквівалентного послідовного опору (ESR) для швидкого тестування в ланцюзі дуже зручно. Однак я часто схильний просто замінювати всю електроліту сумнівних виробників, навіть якщо вони добре тестують, просто тому, що я хочу довший термін служби від постачання, ніж передбачуваний проектний термін служби.

Якщо проблема не в конденсаторі, дуже частою несправністю є силовий транзистор або транзистор транзистора (див. QSW на рисунку 1). Зазвичай їх можна легко знайти за допомогою великих отворів на платі, де раніше був FET, за допомогою всіх трьох штифтів FET, що мають безперервність між ними, або за рахунок очевидних несправностей діодів або резисторів в ланцюзі поблизу FET. Якщо FET не «стертий» (мається на увазі, що всі три висновки мають цілісність і звуковий сигнал на тестері безперервності), можливо, варто перевірити його поза ланцюгом.

Якщо FET "стерто", все, що рухає воротами цього FET, швидше за все, буде знищено як наслідок несправності. Це часто є мікросхема ШІМ, і добре, щоб у сміттєвому ящику були загальні мікросхеми ШІМ.

Хорошим правилом є те, що якщо комутаційний транзистор або FET вийшли з ладу, слід замінити захисний діод на основі або затворі транзистора. Навіть якщо він перевіряє добре, цього може і не бути. Амортизуючий діод DCLAMP також слід перевірити. Польові транзистори виходять з ладу без видимих причин, але частіше вони виходять з ладу через перенапругу (від поганих затискних діодів) або перенапругу (від поганих і негерметичних конденсаторів) або високих температур (від поганих конструкторів).

Якщо ці прості речі не вирішать вашу проблему, пора почати фактично проводити справжню діагностику. Вийміть глюкометр і почніть розглядати штифти мікросхеми ШІМ. Ви бачите розумну вхідну напругу на VCC? Ви бачите опорну напругу 5 V від VREF? Ви бачите менше вольта на ISENSE або більше? Чи коливається генератор взагалі? Почніть переконуватися, що входи на мікросхему ШІМ хороші, а потім - на виході на мікросхему ШІМ. Якщо у вас є сигнал на вихідному штифті, але у вас немає вихідного сигналу, почніть розглядати перемикаючий транзистор або транзистор, затухаючий діод навколо нього тощо. Якщо генератор не коливається, чого йому не вистачає?

Точні значення будуть різнитися залежно від використовуваної мікросхеми ШІМ, але таблиця рекомендованих умов експлуатації на таблиці даних мікросхеми ШІМ розповість вам, якими вони повинні бути.

Правила конденсатора
Правило 1: Більшість збоїв в комутаційному живленні виникають через погані електролітичні конденсатори. Навіть відмови FET часто є довгостроковими наслідками початкової проблеми конденсатора.

Правило 2: Ніхто ніколи не помилявся, замінюючи дешево виготовлені споживчі електролітичні конденсатори промисловими вищими класами 105С. Це може не вирішити негайну проблему, але, швидше за все, покращить довгострокову надійність постачання. Тому не витрачайте багато часу на те, щоб вирішити, чи є конденсатор поганим, просто замініть його. Ваш час коштує більше, ніж електролітичний.

Правило 3: Купуйте конденсатори у законного постачальника, такого як Digi-Key, Newark/element14, Allied/RS, Mouser тощо. На ринку представлено багато підроблених конденсаторів, конденсаторів, які не надходять від виробника на банку.

Правило 4: Електролітичні конденсатори виходять з ладу через вік і погані технічні запаси, але коли інші типи конденсаторів виходять з ладу, це тому, що щось інше спричинило їх вихід з ладу.

Правило 5: Танталові конденсатори насправді є електролітом. Хімія трохи відрізняється від хімічних властивостей алюмінієвих електролітичних ковпачків, але довготривала надійність та проблеми, пов’язані з температурою, однакові. Зверніть увагу, що більш поширені тантали "сухих кульок" (ті, що занурені в епоксидну смолу), як правило, руйнуються в шорти, і це може полегшити їх ідентифікацію в разі відмови. На жаль, це також означає, що невдача може призвести до великої супутньої шкоди.

Перорація
Не бійтеся працювати на обладнанні з інтегрованими комутаційними джерелами живлення. Це може зайняти багато часу, щоб зрозуміти, як вони працюють, і найпоширеніші режими відмов, але як тільки ви це зробите, їх зазвичай не важко виправити.

Якщо ви хочете навчитися розробляти комутаційні витратні матеріали (а вам слід, бо це теж корисна навичка), дозвольте мені порекомендувати «Примітку до лінійних технологій Примітка 25: Перемикання регуляторів для поетів», написану великим Джимом 30 років тому Вільямс. Тоді перемикання поставок було фантастично новою справою, з якою дизайнери тільки впоралися, а доступні мікросхеми були набагато обмеженішими та грубішими, тому опис Вільямса повинен був бути детальним. Це чудовий документ, який доступний у багатьох місцях в Інтернеті. B

Файли проекту
Щоб завантажити аркуш даних Texas Instruments UC2842, відвідайте audioXpress-Додатковий матеріал

Ресурс
Дж. Вільямс, “Примітка до застосування лінійних технологій 25: Перемикання регуляторів для поетів”, вересень 1987 р.

Ця стаття спочатку була опублікована в audioXpress, січень 2018 року.

Про автора
Скотт Дорсі має диплом електротехніка, під час переслідування якого він працював у галузі мовлення та звукозапису. Після декількох років роботи у великій студії він влаштувався на роботу до підрядника з оборони. Це залишило йому час зробити живий концертний запис для акустичної музики, а також розробити та побудувати аудіопристрої для особистого користування та за контрактом з декількома виробниками та імпортерами аудіо. Скотт регулярно пише кілька аудіочасописів. Він публікує огляди обладнання та проекти “зроби сам” із середини 1980-х. Він, мабуть, найвідоміший серед широкого загалу аудіо-співтовариства завдяки модернізованим конструкціям електроніки в недорогих мікрофонах Oktava, AKG та Feilo.